单元4挡土墙工程.pptx

目录 4.1 概念与理论 4.3 库仑土压力理论 4.4 挡土墙的应用 4.2 朗金土压力理论 4.1概念与理论概念o挡土墙的形式挡土墙的形式o在遇到在天然土坡（slope）上修筑建筑物或构筑物时，为了防止土体的滑坡和坍塌，工程上常用各种类型的挡土结构物加以支挡，地下室的外墙，重力式码头的岸壁，桥梁接岸的桥台等都支持着侧向土体。这些用来侧向支持土体的结构物，统称为挡土墙（retaining wall）。o挡土墙根据不同的用途和各工程的特点可采用不同的结构类型 挡土结构物的类型(a)边坡挡土墙；(b)桥台；(c)地下室侧墙；(d)扶壁式挡土墙；(e)锚杆式挡土墙；(f)加筋挡土墙 挡土墙在工程中的应用挡土墙在工程中的应用o挡土墙在工业与民用建筑、水利工程、铁道工程、桥梁、港口及航道建筑中被广泛应用着，例如山区和丘陵地带，在土坡上修造建筑物时，防止土坡坍塌的挡土墙，图4.2（a）；支挡建筑物周围填土的挡土墙，图4.2（b）；房屋地下室的侧墙，图4.2（c）；桥台，图4.2（d）；堆放散粒材料的挡墙，图4.2（e）；以及码头，图4.2（f）等等。图4.2 挡土墙的应用 o一般的中小工程，比如小溪河岸护坡，小土坡挡土墙，可以就地取材采用块石建成，重大工程可采用用素混凝土或钢筋混凝土材料建成。在山区的公路、铁道两侧护坡等工程往往采用锚杆式或加筋土挡土墙，见图4.3。几种挡土墙的做法 4.2朗金土压力理论朗肯土压力理论朗肯土压力理论(Rankine,1857)无粘性土的主动土压力计算粘性土的主动土压力计算o临界深度：对墙后填土为粘性土的挡土墙，若离填土面某一深度处的主动土压力等于零，则该深度称为临界深度。o墙后为粘性填土时的主动土压力强度包括两部分：一部分是由土自重引起的土压力，另一部分是由土的粘聚力引起的土压力。粘性土的主动土压力计算 无粘性土无粘性土Hz情况情况1特殊情况下的土压力计算特殊情况下的土压力计算特殊情况下的土压力计算特殊情况下的土压力计算三、几种情况下的土压力计算：三、几种情况下的土压力计算：三、几种情况下的土压力计算：三、几种情况下的土压力计算：（一）填土表面有均布荷载（一）填土表面有均布荷载（一）填土表面有均布荷载（一）填土表面有均布荷载无粘性土的主动土压力计算:墙后填土表面有连续均布荷载的情况,当挡土墙墙后填土面有均布荷载q作用时，若填土重度为r,则将均布荷载换算成的当量土层厚度为q/r 粘性土的主动土压力计算 有均布荷载时粘性土的主动土压力无粘性土被动土压力的计算无粘性土被动土压力的计算粘性土被动土压力的计算粘性土被动土压力的计算(二二二二)成层填土成层填土成层填土成层填土1不同性不同性质土土层因因不同，不同，计算算时分分别采用不同的土采用不同的土压力力系数，分系数，分层面面处竖向向应力不力不变，而土，而土压力有突力有突变：h1h2h301231,12,23,3a1上 a1下 思考：思考：？a2上上 a2下下填土为成层土时的土压力计算o由于各层填土重度不同，使得填土竖向应力分布在土层交界面上出现转折o由于各层填土粘聚力和内摩擦角不同，所以在计算主动或被动土压力系数时，需采用计算点所在土层的粘聚力和内摩擦角 有地下水有地下水时，墙后后压力由土力由土压力和静水力和静水压力共同力共同组成（合力增大，成（合力增大，影响影响墙体体稳定，故定，故墙体体设排水孔排水孔），地下水位），地下水位以下取有效重度以下取有效重度计算：算：h1h20121,12,2墙脚脚处 压应力力 v墙后后压力合力：土力合力：土压力力+静水静水压力力填土为成层土时的土压力计算(三三三三)墙后填土有地下水墙后填土有地下水墙后填土有地下水墙后填土有地下水下层应为下层应为 ,可近似认为可近似认为填土中有地下水时的土压力计算o当墙后填土中有水时，需考虑地下水位以下的填土由于浮力作用使有效重量减轻引起的土压力减小，水下填土部分采用浮容重进行计算。o当墙后填土有地下水时，作用在墙背上的侧压力有土压力和水压力两部分。o当墙后无粘性填土中地下水位逐渐上升时，墙背上的侧压力产生的变化是增大。o在计算作用在墙背上的总压力应包括水压力和土压力的作用。填土中有地下水时的土压力计算4.3库伦土压力理论q计算假定：算假定：o墙后填土后填土处于极限平衡状于极限平衡状态并沿某一滑并沿某一滑动面形面形成滑成滑动土契体；土契体；o墙后填土后填土为无粘性土（无粘性土（c=0)；o滑滑动契体沿契体沿墙背及背及过墙踵的平面滑踵的平面滑动；o墙与填土均与填土均为刚性。性。库仑土土压力理力理论一、主一、主动土土压力力 设墙高高为h,填土面填土面倾角角，墙背与填土摩擦角背与填土摩擦角为，如下，如下图，滑，滑动土契体在土契体在G G、R R、EaEa三力作用三力作用处于主于主动极限静力平衡状极限静力平衡状态（土契体向下滑（土契体向下滑动）：）：一、主动土压力一、主动土压力一、主动土压力一、主动土压力GREaGEaRhhza=zKahKaEah/3库仑主主动土土压力力计算算图v土土压力作用方向：与力作用方向：与墙背法背法线方向成方向成 角。角。v土土压力力强度分布：沿度分布：沿墙高呈三角形分布。高呈三角形分布。v墙后深度后深度z点点处主主动土土压力力强度：度：v由力三角形正弦定律得土由力三角形正弦定律得土压力合力：力合力：Ka主主动土土压力系数（由力系数（由、确确定定）楔体在三力作用下处于静力平衡状态，楔体在三力作用下处于静力平衡状态，由力矢三角形按正弦定理：由力矢三角形按正弦定理：力矢三角形力矢三角形令令得到得到E为极大值时的破坏角为极大值时的破坏角，代入上式得：，代入上式得：库伦主动土压力系数查表。库伦主动土压力系数查表。5.4 库伦土压力理论库伦土压力理论式中式中填土填土对墙背的摩擦角；背的摩擦角；墙背与水平面的背与水平面的夹角；角；墙后填土面的后填土面的倾角；角；填土内摩擦角。填土内摩擦角。挡土土墙情况情况摩擦角摩擦角墙背平滑、排水不良背平滑、排水不良（0.00.33）墙背粗糙、排水良好背粗糙、排水良好（0.330.5）墙背很粗糙、排水良好背很粗糙、排水良好（0.50.67）墙背与填土背与填土间不可能滑不可能滑动（0.671.0）土土对墙背的摩擦角背的摩擦角二、被二、被动土土压力力 如下如下图，墙背在外力作用下，向后移背在外力作用下，向后移动或或转动滑滑动，土契体在土契体在G G、R R、EaEa三力作用下三力作用下处于被于被动极限静力平衡极限静力平衡状状态，同理得被，同理得被动土土压力力强度与合力度与合力计算公式：算公式：Kp被被动土土压力系数力系数 （由（由、确定确定）GREphzp=zKphKpEph/3库仑主主动土土压力力计算算图GEpRhv土土压力作用方向：与力作用方向：与墙背法背法线方向成方向成 角。角。v土土压力力强度分布：沿度分布：沿墙高呈三角形分布。高呈三角形分布。讨论：库仑理理论计算主算主动土土压力接近力接近实际情况，情况，适于适于设计填土填土为无粘性的重力式无粘性的重力式挡土土墙；被；被动土土压力力库仑理理论误差大，一般不用。差大，一般不用。三、粘性土的土压力三、粘性土的土压力三、粘性土的土压力三、粘性土的土压力图解法：图解法：假定若干个滑动面试算，求假定若干个滑动面试算，求出其中最大值，即为主动土出其中最大值，即为主动土压力压力 。四、四、四、四、建筑地基基础设计规范建筑地基基础设计规范建筑地基基础设计规范建筑地基基础设计规范 推荐的公式推荐的公式推荐的公式推荐的公式 该规范（该规范（GB50007-2002）推荐的公式采用与楔体试）推荐的公式采用与楔体试算法相似的平面滑裂面假定，得到主动土压力为：算法相似的平面滑裂面假定，得到主动土压力为：主动土压力主动土压力系数。系数。五、朗肯理论与库伦理论比较五、朗肯理论与库伦理论比较五、朗肯理论与库伦理论比较五、朗肯理论与库伦理论比较1 1、基本假定、基本假定、基本假定、基本假定：前者假定挡墙光滑、直立、填土面水：前者假定挡墙光滑、直立、填土面水平；后者假定填土为散体（平；后者假定填土为散体（c=0）。）。2 2、基本方法、基本方法、基本方法、基本方法：前者应用半空间中应力状态和极限平：前者应用半空间中应力状态和极限平衡理论；后者按墙后滑动土楔体的静力平衡条件导出衡理论；后者按墙后滑动土楔体的静力平衡条件导出计算公式。计算公式。3 3、结果比较、结果比较、结果比较、结果比较：朗肯理论忽略了墙背与填土之间的摩：朗肯理论忽略了墙背与填土之间的摩擦影响，使计算的主动土压力偏大，被动土压力偏小；擦影响，使计算的主动土压力偏大，被动土压力偏小；库伦理论假定破坏面为一平面，而实际上为曲面。实库伦理论假定破坏面为一平面，而实际上为曲面。实践证明，计算的主动土压力误差不大，而被动土压力践证明，计算的主动土压力误差不大，而被动土压力误差较大。误差较大。朗肯土压力理论的优缺点 o朗肯土压力理论应用半空间中的应力状态和极限平衡理论计算土压力，概念比较明确，公式简单，应用方便，对于粘性土和无粘性土都可以用该公式直接计算，故在工程中得到青睐。但为了使墙后填土中的应力状态符合半空间应力状态，必须假设墙背是直立光滑的，填土面是水平的，因而使其应用范围受到限制，并由于该理论忽略了墙背与填土之间摩擦的影响，使计算的主动土压力偏大，被动土压力偏小。朗肯与库仑土压力理论的适应性o朗肯理论求得的是墙背各点土压力强度分布，而库仑理论求得的是墙背上的总土压力 o朗肯理论适用于填土表面为水平的无粘性土或粘性土的土压力计算o库仑理论只适用于填土表面为水平或倾斜的无粘性土，对粘性土只能用图解法计算o被动土压力的计算常采用朗肯理论o挡土墙在满足墙背直立光滑且填土面水平的条件下，库仑土压力理论与朗肯土压力理论计算得到的土压力是一致的 4.4挡土墙设计应用挡土土墙设计一、一、挡土土墙类型型（一）重力式（一）重力式挡土土墙材料：材料：块石或素混凝土砌筑；石或素混凝土砌筑；稳定：自身重力定：自身重力维持，尺寸大；持，尺寸大；形式：仰斜式、垂直式、俯斜式；形式：仰斜式、垂直式、俯斜式；特点：特点：结构构简单，施工方便，施工方便，就地取材；就地取材；应用：一般土坡的用：一般土坡的挡护，墙身抗拉身抗拉强度低，度低，墙高不宜高不宜过大；大；重力式重力式挡土土墙结构构 平衡示意平衡示意图GEaF墙顶墙趾趾墙踵踵墙基基墙背背墙面面重力式重力式 挡土土墙按按墙背背倾斜形式又可斜形式又可分分为如下三种形式：如下三种形式：试比比较土土压力大力大小，适用条件小，适用条件？a.仰斜式仰斜式b.垂直式垂直式c.俯斜式俯斜式Ea1Ea2Ea1（二）（二）悬臂式臂式 挡土土墙材料材料：钢筋混凝土；筋混凝土；稳定定：悬臂板上填土重力臂板上填土重力 维持；持；形式形式：由立臂、：由立臂、墙趾趾悬臂、臂、墙踵踵悬臂三臂三块板板组成；成；特点特点：根据：根据钢筋筋砼力学特性，力学特性，结构尺寸小，构尺寸小，墙高大；高大；应用用：市政工程，厂：市政工程，厂矿材材 料料储库。立臂立臂立臂立臂墙趾趾悬臂臂墙踵踵悬臂臂（三）扶臂式（三）扶臂式 挡土土墙材料材料：钢筋混凝土；筋混凝土；稳定定：悬臂板与扶臂板上臂板与扶臂板上 填土重力填土重力维持；持；形式形式：墙高很大高很大时，立臂，立臂 加扶臂加扶臂墙体抗弯；体抗弯；特点特点：钢筋筋砼力学特性，力学特性，结构尺寸小，构尺寸小，墙高大；高大；应用用：市政工程，厂：市政工程，厂矿材材 料料储库。立臂立臂墙趾趾悬臂臂墙踵踵悬臂臂扶臂扶臂（四）其它形式（四）其它形式 挡土土墙板板板板桩墙桩墙板板桩横向支撑横向支撑锚定板定板拉杆拉杆灌灌浆锚杆杆墙面板面板锚锚定板、定板、定板、定板、锚锚杆杆杆杆桩墙桩墙建成后的坡间挡土墙二、重力式二、重力式挡土土墙的的设计与构造与构造（一）重力式（一）重力式挡土土墙的的设计条件与内容条件与内容设计条件：条件：荷荷载大小、地大小、地质条件、填土性条件、填土性质、建筑材料等；、建筑材料等；设计方法：方法：根据根据经验拟定尺寸，然后定尺寸，然后验算；算；计算内容：算内容：稳定性定性验算：抗算：抗倾覆与抗滑移；覆与抗滑移；地基承地基承载力力验算；算；墙身身强度度验算。算。（二）重力式（二）重力式挡土土墙的构造的构造v构造尺寸构造尺寸构造尺寸构造尺寸墙顶宽度：度：砌石：砌石：H/120.5m 混凝土：混凝土：0.20.4m墙底底宽度：度：H/3H/2墙基埋深：基埋深：d 0.5m墙面坡度：面坡度：仰斜式：仰斜式：1：0.050.25垂直式：垂直式：1：0.4墙背坡度：背坡度：仰斜式：仰斜式：1：0.25墙底逆坡：底逆坡：土土质地基：地基：1：10 岩石地基：岩石地基：1：5 设计设计方法：方法：方法：方法：依此初步依此初步依此初步依此初步拟拟定定定定结结构构构构尺寸，尺寸，尺寸，尺寸，进进行行行行稳稳定性定性定性定性验验算。算。算。算。1、俯斜式重力式挡土墙（a）；2、直立式重力式挡土墙（b）；3、仰斜式重力式挡土墙（c）；4、衡重式重力式挡土墙（c）。重力式挡土墙构造重力式挡土墙构造重力式挡土墙构造重力式挡土墙构造 仰斜式仰斜式垂直式垂直式d 0.5m1：0.41：10H/120.5mH/3 H/21：0.050.251：0.25H挡土墙排水条件；不宜采用粘性土，墙后填土宜选择透水性较强的填料，墙后填土均应分层夯实；每隔1020m应设置一道伸缩缝，伸缩缝宽可取20mm；vv墙墙后排水构造后排水构造后排水构造后排水构造泄水孔泄水孔排水明沟排水明沟滤水水层盲沟盲沟黏土夯黏土夯实黏土夯黏土夯实500泻水孔泻水孔孔径：孔径：100 间距：距：2 23m 3m 外斜：外斜：5%5%滤水水层：级配砂石配砂石防水防水层：黏土夯：黏土夯实vv填土填土填土填土质质量量量量砂石或黏土（参砂石或黏土（参块石）分石）分层夯夯实vv墙墙体每隔体每隔体每隔体每隔1020m1020m设设置沉降置沉降置沉降置沉降缝缝重力式重力式挡土土墙构造示意构造示意图（三）重力式（三）重力式挡土土墙的的稳定性定性验算算EaEanEatG GtGn0抗滑移抗滑移稳定定验算示意算示意图1.抗滑移抗滑移稳定定验算算挡土土墙受力受力土土 压 力力 墙体重力体重力受力分析：受力分析：沿沿墙底滑底滑动面将力分解面将力分解为正正压力力与滑与滑动力：力：抗滑抗滑抗滑抗滑稳稳定安全系数：定安全系数：定安全系数：定安全系数：土土对墙摩擦系数摩擦系数抗抗倾稳定定验算示意算示意图2.抗抗倾覆覆稳定定验算算挡土土墙受力受力土土 压 力力 墙体重力体重力EaEazEaxG 0 x fx 0z f0对墙趾点将力分解趾点将力分解为竖向力与向力与水平力：水平力：抗滑抗滑抗滑抗滑稳稳定安全系数：定安全系数：定安全系数：定安全系数：【例例5-3】某某挡土土墙高高5m，墙背垂直光滑，填土表面作背垂直光滑，填土表面作用有均布荷用有均布荷载，=18kN/m3，=30，c1=0。采用。采用MU30毛石毛石M5混合砂混合砂浆砌筑，基底摩擦系砌筑，基底摩擦系=0.5，砌体，砌体重度重度=22kN/m3。试设计挡土土墙构造尺寸。构造尺寸。【解解】根据根据设计条件，条件，应用朗肯理用朗肯理论计算：算：根据构造要求根据构造要求拟定断面尺寸：定断面尺寸：墙顶宽度：度：0.8m H/12(0.5m)墙底底宽度：度：3.0m H/3 H/2取取1m墙长为计算算单元元计算自重：算自重：G1=0.53.01.022=33kN4.5m 0.5m 0.8m G1G2G3G43.0m1.7m0.8m0.2m0.3mG2=1/21.74.51.0 22=84.15kNG3=0.84.51.0 22=79.2kNG4=0.24.51.018=16.2kNG=G1+G2+G3+G4=212.55kN取取1m墙长为计算算单元元计算土算土压力：力：Ea1=0.675=3.3kN/mEa2=1/2(30.67-0.67=75kN/mE=Ea1+Ea2 抗滑移抗滑移验算：算：抗抗倾覆覆验算：算：故故墙体体稳定性合格，尺寸定性合格，尺寸设计合理。合理。4.5m 0.5m q=2kN/m20.8m G1G2G3G4Ea1Ea23.0m1.7m0.8m0.2m0.3m计算算简图0稳定性不定性不满足要求足要求时可采取哪些措施可采取哪些措施 增大增大墙体断面尺寸，加大体断面尺寸，加大G，但工程量增加；，但工程量增加；墙背背设计成仰斜式，减少土成仰斜式，减少土压力力Ea；墙底面做砂石底面做砂石垫层，加大摩擦力，加大摩擦力；墙底做逆坡，增加抗滑力；底做逆坡，增加抗滑力；软土地基可在土地基可在墙踵踵 底后加拖板抗滑；底后加拖板抗滑；挡土土墙后加卸荷台，后加卸荷台，减小土减小土压力。力。垫层拖板拖板卸荷板卸荷板思考：思考：？