铁路选线与路基-挡土墙设计PPT.ppt

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1、铁路选线与路基第9章 挡土墙设计,主要内容,9.1 概述9.2 土压力知识回顾9.3 挡土墙类型9.4 重力式挡土墙设计9.5 悬臂式挡土墙设计9.6 扶臂式挡土墙设计,9.1 概述,挡土墙（retaining wall）用来支撑天然或人工斜坡不致坍塌以保持土体稳定性，或使部分侧向荷载传递分散到填土上的一种结构物。在工业与民用建筑、水利水电工程、铁路、公路、桥梁、港口及航道等各类建筑工程中被广泛地应用。,挡土结构物,概述,1）挡土墙按结构型式分：重力式；悬臂式；扶臂式；锚杆式；加筋土式。,a）仰斜式 b）直立式 c）俯斜式 d）衡重式重力式挡土墙,挡土墙的类型,悬臂式挡土墙,扶壁式挡土墙,锚杆

2、式挡土墙,2）挡土墙按建筑材料分：砖砌；块石；素混凝土；钢筋混凝土。3）按其刚度和位移方式分：刚性挡土墙；柔性挡土墙；临时支撑。刚性挡土墙是指用砖、石或混凝土所筑成的断面较大的挡土墙。由于刚度大，墙体在侧向土压力作用下，仅发生整体平移或转动，本身挠曲变形则可忽略。墙背受到的土压力呈三角形分布，最大压力强度发生在底部，类似于静水压力分布。,柔性挡土墙,刚性挡土墙,刚性挡土墙,T型,预应力,刚性加筋,圬工式,京津城际铁路新型扶壁式挡墙,古月堂西侧的挡土墙浆砌块石,挡土墙形式-刚性挡土墙,加筋土挡墙,挡土墙形式-刚性挡土墙,柔性支护结构,板桩,挡土墙发生事故的例子,山体滑坡,延安宝塔面临滑坡威胁,垮

3、塌的重力式挡墙,垮塌的护坡挡墙,失稳的立交桥加筋土挡土墙,9.2 土压力知识回顾,由于土体自重、土上荷载或结构物的侧向挤压作用，挡土结构物所承受的来自墙后填土的侧向压力。,土压力类型,被动土压力,主动土压力,静止土压力,土压力,依据,挡土墙移动的方向和墙后填土的应力状态,3）被动土压力（Passive earth pressure),1）静止土压力（Earth pressure at rest),2）主动土压力（Active earth pressure),岩石,拱桥桥台,挡土墙在墙后填土的推力作用下，不发生任何方向的移动或转动时，墙后土体没有破坏，而处于弹性平衡状态，作用于墙背的水平压力称为

4、静止土压力E0。例如，地下室外墙在楼面和内隔墙的支撑作用下几乎无位移发生，作用在外墙面上的土压力即为静止土压力。,1）静止土压力（E0）,Eo,工程实例,静止土压力,挡土墙在填土压力作用下，向着背离土体方向发生移动或转动时，墙后土体由于侧面所受限制的放松而有下滑的趋势，土体内潜在滑动面上的剪应力增加，使作用在墙背上的土压力逐渐减小。当挡土墙的移动或转动达到一定数值时，墙后土体达到主动极限平衡状态，此时作用在墙背上的土压力，称为主动土压力Ea（土体主动推墙）。,2）主动土压力（Ea）,Ea,墙后为主动土压力,工程实例,Ep,3）被动土压力（Ep）,当挡土墙在较大的外力作用下，向着土体的方向移动或

5、转动时，墙后土体由于受到挤压，有向上滑动的趋势，土体内潜在滑动面上的剪应力反向增加，使作用在墙背上的土压力逐渐增大。当挡土墙的移动或转动达到一定数值时，墙后土体达到被动极限平衡状态，此时作用在墙背上的土压力，称为被动土压力Ep（土体被动地被墙推移）。,工程实例,桥台后为被动土压力,墙前为被动土压力,工程实例,土压力及位移量间的关系,对同一挡土墙，在填土的物理力学性质相同的条件下有以下规律：,1.Ea Eo Ep2.p a,-a,+p,在填土表面下任意深度z 处的静止土压力强度可按下式计算：,由上式可知，静止土压力沿墙高呈三角形分布。作用在单位墙长上的静止土压力为：,9.2.1 静止土压力的计算

6、,H,静止土压力的分布,静止土压力分布,土压力作用点,三角形分布,作用点距墙底H/3,例6-1计算图,静止土压力沿墙背的分布及其合力的作用点位置如图。,朗肯土压力理论的假设：1.挡土墙背面竖直；2.墙背光滑；3.墙后填土面水平。,9.2.2 朗肯土压力理论,朗肯土压力理论(Rankine,1857)（Rankines earth pressure theory）是根据半空间的应力状态和土的极限平衡条件而得出的土压力计算方法。,粘性土（极限平衡状态),无粘性土（极限平衡状态),1、主动土压力,1）无粘性土：,1.无粘性土主动土压力强度与z成正比，沿墙高呈三角形分布2.合力大小为分布图形的面积，即

7、三角形面积3.合力作用点在三角形形心，即作用在离墙底H/3处,2)粘性土的主动土压力强度包括两部分：一部分是由自重引起的土压力强度，另一部分是由粘聚力引起的负侧压力强度。,2、被动土压力 当墙受到外力作用而被推向土体时，填土中任意一点的竖向应力 仍不变，而水平向应力x 却逐渐增大，直至出现被动朗肯状态。此时，x 达最大限值p，因此p 是大主应力，也就是被动土压力强度，而z 则是小主应力。由极限平衡条件公式可得,无粘性土,粘性土,Kp 称为朗肯被动土压力系数,从以上公式可知：无粘性土的被动土压力强度呈三角形分布。,从以上公式可知：粘性土的被动土压力强度呈梯形分布。,3）绘制挡土墙上的主动土压力、

8、被动土压力沿深度分布图。,a)主动土压力 b)被动土压力,例题分析,【例】有一挡土墙，高6米，墙背直立、光滑，墙后填土面水平。填土为粘性土，其重度、内摩擦角、粘聚力如下图所示，求主动土压力及其作用点，并绘出主动土压力分布图,【解答】,主动土压力系数,墙底处土压力强度,临界深度,主动土压力,主动土压力作用点距墙底的距离,4）绘制挡土墙上的静止土压力、主动土压力、被动土压力沿深度的分布图。,a）静止土压力 b)主动土压力 c)被动土压力,几种常见情况下土压力计算,1.填土表面有均布荷载（以无粘性土为例）,zq,填土表面深度z处竖向应力为(q+z),相应主动土压力强度,A点土压力强度,B点土压力强度

9、,若填土为粘性土，c0,临界深度z0,z0 0说明存在负侧压力区，计算中应不考虑负压力区土压力,z0 0说明不存在负侧压力区，按三角形或梯形分布计算,qKa,局部荷载-朗肯土压力理论：,2.成层填土情况（以无粘性土为例）,1，1,2，2,3，3,paA,paB上,paB下,paC下,paC上,paD,挡土墙后有几层不同类的土层，先求竖向自重应力，然后乘以该土层的主动土压力系数，得到相应的主动土压力强度,A点,B点上界面,B点下界面,C点上界面,C点下界面,D点,说明：合力大小为分布图形的面积，作用点位于分布图形的形心处,f1=f2 c1=c2=0,g2 g1 g2 g1,C,A,g1 f1 c

10、1,g2 f2 c2,H2,H1,成层填土,c1 0 c2=0,c1=0 c20,g1=g2 f2=f1,成层填土,g1=g2 c1=c2=0,f2 f1 f2 f1,成层填土,3.墙后填土存在地下水（以无粘性土为例）,挡土墙后有地下水时，作用在墙背上的土侧压力有土压力和水压力两部分，可分作两层计算，一般假设地下水位上下土层的抗剪强度指标相同，地下水位以下土层用浮重度计算,A点,B点,C点,土压力强度,水压力强度,B点,C点,作用在墙背的总压力为土压力和水压力之和，作用点在合力分布图形的形心处,1.构造要求：一般用砂性土，墙设排水孔以及反滤层，填土表面设沟、堤等截流。2.水下部分土压力 Pa=

11、Kasz水压力 pu=u(静水压力、渗流压力、超静孔压),填土中有水,排水管,排水孔,土工织物反滤,砂砾石料,带卸荷台的挡土墙土压力,H1,H2,45o+/2,(H1+H2)Ka,H1Ka,A,B,D,C,E,C,E,带卸荷台的挡土墙土压力,H1,H2,45o+/2,(H1+H2)Ka,H1Ka,A,B,D,C,E,C,E,此挡土墙上的主动土压力计算结果及其分布：,例题分析,【例】挡土墙高5m，墙背直立、光滑，墙后填土面水平，共分两层。各层的物理力学性质指标如图所示，试求主动土压力Ea，并绘出土压力分布图,Ka10.307,Ka20.568,【解答】,A点,B点上界面,B点下界面,C点,主动土

12、压力合力,10.4kPa,4.2kPa,36.6kPa,如果墙背倾斜，具有倾角；墙背粗糙，与填土摩擦角为；墙后填土面任意。如何计算挡土墙后的土压力？,9.2.3 库仑土压力理论,库仑土压力理论 是根据墙后土体处于极限平衡状态并形成一滑动楔体时，从楔体的静力平衡条件得出的土压力计算理论。基本假设:,1.墙后的填土是理想散粒体 2.滑动破坏面为通过墙踵的平面 3.滑动土楔为一刚塑性体，本身无变形,1、主动土压力 一般挡土墙的计算属于平面问题，故可沿墙的长度方向取1m进行分析。当墙向前移动或转动而使墙后土体沿某一破坏面破坏时，土楔向下滑动而处于主动极限平衡状态。,按库伦理论求主动土压力,土楔受力情况

13、：,3.墙背对土楔的反力E,大小未知，方向与墙背法线夹角为,1.土楔自重G=ABC,方向竖直向下,2.破坏面为BC上的反力R,大小未知，方向与破坏面法线夹角为,土楔在三力作用下，静力平衡,滑裂面是任意给定的，不同滑裂面得到一系列土压力E，E是q的函数，E的最大值Emax，即为墙背的主动土压力Ea，所对应的滑动面即是最危险滑动面,库仑主动土压力系数，查表确定,土对挡土墙背的摩擦角，根据墙背光滑，排水情况查表确定,主动土压力与墙高的平方成正比,主动土压力强度,主动土压力强度沿墙高呈三角形分布，合力作用点在离墙底h/3处，方向与墙背法线成，与水平面成（）,说明：土压力强度分布图只代表强度大小，不代表

14、作用方向,主动土压力,2、被动土压力 当挡土墙受外力作用推向填土，直至土体沿某一破裂面BC破坏时，土楔ABC向上滑动，并处于被动极限平衡状态。此时土楔ABC在其自重W和反力R和E的作用下平衡。,按库伦理论求主动土压力,土楔受力情况：,3.墙背对土楔的反力E,大小未知，方向与墙背法线夹角为,1.土楔自重G=ABC,方向竖直向下,2.破坏面为BC上的反力R,大小未知，方向与破坏面法线夹角为,按求主动土压力同样的原理可求得被动土压力的库伦公式为：,或,Kp 称为库伦被动土压力系数 库伦被动土压力强度沿墙高呈三角形分布，被动土压力的作用点在距墙底H/3处。被动土压力强度可按下式计算：,1.朗肯土压力理

15、论：（1）依据：半空间的应力状态和土的极限平衡条件（2）概念明确、计算简单、使用方便（3）理论公式直接适用于粘性土和无粘性土（4）由于忽略了墙背与填土之间的摩擦，主动土压 力偏大，被动土压力偏小。,朗肯土压力理论与库仑土压力理论的比较,2.库仑土压力理论：（1）依据：墙后土体极限平衡状态、楔体的静力平衡条件（2）理论假设条件（3）理论公式仅直接适用于无粘性土（4）考虑了墙背与土之间的摩擦力，并可用于墙背倾斜，填土面倾斜的情况。但库伦理论假设破裂面是一平面，与按滑动面为曲面的计算结果有出入。,滑动面,滑动面,9.3 挡土墙类型,按断面的几何形状和受力特点可分为：重力式、悬臂式、扶壁式、板桩式和地

16、下连续墙等。1、重力式挡土墙 以挡土墙自身重力来维持挡土墙在土压力作用下的稳定。,块石或素混凝土砌筑而成，靠自身重力维持稳定，墙体抗拉、抗剪强度都较低。墙身截面尺寸大，一般用于低挡土墙。,材料：砖石、混凝土等 形状：简单梯形 优点：经济、施工方便 缺点：体积、重量都大，开挖量大适用范围：高度小于6米、地层稳定、开挖土 石方不会危及相邻建筑物的地段,2、悬臂式挡土墙 组成：三悬臂（立壁、墙址、墙踵）受力：以墙踵底板上的土重力来维持挡土 墙在土压力作用下的稳定 材料：钢筋混凝土 优点：墙体截面小 适用范围：墙高超过6米、地基较差、工 程较重要等情况。,钢筋混凝土建造，立臂、墙趾悬臂和墙踵悬臂三块悬

17、臂板组成，靠墙踵悬臂上的土重维持稳定，墙体内拉应力由钢筋承担，墙身截面尺寸小，充分利用材料特性，市政工程中常用,3、扶壁式挡土墙 组成：用扶壁增强悬臂式挡土墙立壁的 抗弯性能 适用范围：墙高超过10米,针对悬臂式挡土墙立臂受力后弯矩和挠度过大缺点，增设扶壁，扶壁间距（0.81.0）h，墙体稳定靠扶壁间填土重维持,4、板桩式挡土墙 组成：板桩、墙面板、锚栓 适用：承载力较低的软基、大型开挖工程 等,预制钢筋混凝土面板、立柱、钢拉杆和埋在土中锚定板组成，稳定由拉杆和锚定板来维持,9.4 重力式挡土墙设计,9.4.1 重力式挡土墙构造9.4.2 重力式挡土墙计算,9.4.1 重力式挡土墙构造,俯斜,

18、直立,仰斜,土压力最大,土压力中等,土压力最小,1 倾斜形式应根据使用要求、地形和施工条件等综合考虑。,2、埋置深度应根据持力层地基土的承载力、冻结因素确定.土质地基一般不小于0.5m.3、剖面拟定确定顶宽:块石挡土墙顶宽不应小于0.4m确定墙面坡度增加抗滑稳定性之措施设置伸缩缝,4墙后排水措施挡土墙常因雨水下渗而又排水不良，地表水渗入墙后填土，使填土的抗剪强度降低，土压力增大，对挡土墙的稳定不利。因此，应设置,排水措施,方案1 方案2,5填土质量要求宜选择透水性较强的材料，如砂土、砾石、碎石等。,9.4.2 重力式挡土墙计算,计算内容：抗滑移验算抗倾覆验算地基承载力验算墙身强度验算,1 抗滑

19、移验算,增加抗滑稳定的措施,2抗倾覆验算,4）在挡土墙竖直墙背上作卸载台，形状如牛腿，则平台以上的土压力不能传递到平台以下，总土压力减小，抗倾覆稳定性增大。,挡土墙上的卸载台,3 地基承载力验算,p fa pmax 1.2fa,4 墙身强度验算砌体结构设计规范,抗压验算：,抗剪验算：,例题,某挡土墙高H为5m，墙背垂直光滑，墙后填土面水平，挡土墙采用M5水泥砂浆，MU10毛石砌筑，砌体重度k22kN/m3，填土内摩擦角30，粘聚力c0，填土重度18kN/m3，地面荷载q2.5kPa，基底摩擦系数0.5，地基承载力特征值fa200kPa，试验算挡土墙的稳定性及强度，挡土墙的截面尺寸见图所示。,解

20、：1.计算主动土压力,2.抗倾覆验算,3.抗滑移验算,4.地基承载力验算,5、墙身强度验算,抗压验算：,抗剪验算：,9.5 悬臂式挡土墙设计,墙身悬臂墙趾悬臂墙踵悬臂,1 墙身内力及配筋,2 地基承载力验算,地基承载力验算,3 基础板内力及配筋计算,（1）墙趾板忽略墙趾板自重及其上土体重量产生的弯矩,3 基础板内力及配筋计算,（2）墙踵板,q1：墙踵板自重及G3和G4产生的均布荷载。,4 稳定性验算,（1）抗倾覆稳定性,（2）抗滑移稳定性,提高稳定性措施,减少土的侧压力增加内摩擦角，设置减压平台增加墙踵的悬臂长度设置抗滑拖板，墙踵部分加长。提高基础的抗滑能力基础板做成倾斜面设置滑移键,9.7 扶壁式挡土墙设计,1 墙身（立壁）计算三边固定，一边自由的双向板；单向板2基础底板计算墙趾板同悬臂式；墙踵板和立壁相同3扶壁计算固定在基础底板的一个变截面悬臂T形梁,