預制鋼筋混凝土塊拼裝式綠色擋土墻設計與計算-工點1畢業(yè)設計論文

1、西南交通大學本科畢業(yè)設計（論文）預制鋼筋混凝土塊拼裝式綠色擋土墻設計與計算-工點1DESIGN AND CALCULATION OF PRECAST REINFORCED CONCRETE ASSEMBLING BLOCK GREEN RETAINING WALL 年級：2014級學號：20100230姓名：范國泉專業(yè)：鐵道工程（土木茅班2010-01班）指導老師：蔣關魯2014年6月西南交通大學本科畢業(yè)設計（論文）院系：專業(yè)：年級：姓名：題目：指導教師：評語：指導教師：（簽章）評閱人：評語：評閱人：（簽章）成績：答辯委員會主任：（簽章）年月日畢業(yè)設計（論文）設計書班級：土木茅班2010-01

2、班 學生姓名：范國泉 學號： 20100230發(fā)題日期：2013年12月1日 完成時間：06月10日題目：預制鋼筋混凝土塊拼裝式綠色擋土墻設計與計算工點11、本論文的目的、意義： 在追求效率和質(zhì)量的今天，傳統(tǒng)擋土墻已經(jīng)越來越不適用。無論是材料的選用，結(jié)構(gòu)形式的變化，擋土墻已經(jīng)有了一個較大的發(fā)展。但這些還不能適應現(xiàn)代社會對土木工程的要求。研究預制鋼筋混凝土塊拼裝式擋土墻的目的就在于解決在擋土墻施工時混凝土必須現(xiàn)澆的問題，通過在工廠預制好混凝土塊之后，再將其運到現(xiàn)場進行拼裝?？梢怨?jié)省大量的人力和費用。并且也不需要在施工的現(xiàn)場堆放大量材料和施工機具，場地大小對其限制不大。對于個人而言，通過這次的畢業(yè)

3、設計，讓自己對學習過的專業(yè)知識進行了一個系統(tǒng)的復習和運用。了解了現(xiàn)在擋土墻應用和發(fā)展，學習了新的土壓力的計算方式 ，對動應力對擋土墻的影響有了一個更深刻的認識，熟悉了擋土墻的設計與計算方法，對Autocad和理正擋土墻設計軟件的應用更加的熟悉，對擋土墻的施工工藝有所了解。2、學生應該完成的任務 1）收集與本課題相關的資料并進行認真閱讀和整理分析； 2）做不少于一萬字符的英文資料的翻譯； 3）根據(jù)所給題目本身自帶的原始資料，應用已經(jīng)掌握的相關知識，進行擋土 墻土壓力計算分析和擋土墻設計與計算，繪制必要的圖紙； 4）編寫畢業(yè)設計設計說明書并按規(guī)范整理進行打?。?5）學習有關擋土墻、土壓力的相關知識

4、； 6）撰寫畢業(yè)設計實習日志及畢業(yè)設計實習報告。 3、論文各部分內(nèi)容及時間分配：（共 16 周）第一部分 查閱相關文獻，收集相關資料，并進行認真學習與整理分析 ( 2 周) 第二部分 畢業(yè)設計實習日志及實習報告的整理 ( 2 周) 第三部分 外文資料的翻譯 ( 2 周)第四部分 學習土壓力計算擋土墻和路基面參數(shù)設計，擋土墻結(jié)構(gòu)設計與cad圖的繪制。 ( 2 周)第五部分 擋土墻的設計與檢算，列車動應力作用下的擋土墻的檢算，用理正擋土墻軟件進行分析與檢算。 ( 5 周)第六部分 畢業(yè)設計說明書的編寫整理及打印 ( 2 周) 評閱及答辯 ( 1 周)備 注:指導教師：年 月 日審 批 人：年 月

5、日摘要擋土墻是指支承路基填土或山坡土體、防止填土或土體變形失穩(wěn)的構(gòu)造物。隨著科學技術(shù)的發(fā)展與人民生活水平質(zhì)量的不斷提高，其在鐵路邊坡、公路工程、水利工程岸堤防護、建筑物四周、礦山坑道等工程中的運用也愈加廣泛。本文研究的鋼筋混凝土塊拼裝式擋土墻是近年來新興的一種綠色支擋結(jié)構(gòu)，雖然在國內(nèi)，其應用范圍與傳統(tǒng)擋土墻相比并不是非常廣泛，但其特有的一些優(yōu)點決定了其定能漸漸的走進人們的視野，得到人們的認可。其優(yōu)點表現(xiàn)為：（1） 其施工方便快捷，施工工期可提前；（2） 其對環(huán)境影響很小，基本不污染環(huán)境；（3） 其外表簡潔美觀，容易進行美化設計；（4） 其工程造價并不昂貴，性價比高。本文首先對擋土墻的發(fā)展史和各

6、類擋土墻的特點作了簡單的介紹，然后進行了土壓力計算方法的整理與分析。本文采用重力式結(jié)構(gòu)擋土墻進行設計。首先對擋土墻墻后土體土壓力的分布情況進行了分析，并對擋土墻進行了檢算。同時，考慮了動荷載對于擋土墻的影響，運用換算土柱法對其進行了檢算。最后，對于拼裝式擋土墻的施工工藝與擋土墻的美化工作做了簡單介紹。關鍵詞：拼裝式擋土墻；土壓力計算方法；動荷載影響；施工工藝。AbstractRetaining wall is the structure to support embankment or hillside soil and prevent soil deformation falling or

7、instability. With the development of technology and continuous improvement of peoples living standard, retaining walls used in highway, railway slope, hydraulic embankment protection, surrounding of buildings, tunnels and other projects has become even more widespread. In this paper, reinforced conc

8、rete assembling block retaining wall emerges in recent year as a green retaining structures. although in China its slope of application compared with conventional retaining wall is not very extensive, it will go into peoples vision gradually and be recognized by people due to some of its unique adva

9、ntages. Advantages are as follows,(1)Construct conveniently and quickly and the construction period can be reduced;(2)Minimal impaction the environment;(3)Tidy and beautiful appearance and easy to conduct landscaping design;(4)Project cost is not expensive and cost-effectiveFirstly, this paper simpl

10、y introduce the history and characteristics of various type of of retaining wall, then does the work of collation and analysis of earth pressure calculation method. This paper uses the gravity retaining wall to design. The paper analyses the distribution of earth pressure behind retaining wall and s

11、izes count the retaining wall. This paper also considers the impact of dynamic load for the wall and uses method translating dynamic load into the conversion soil column and the static load of the same width to check and calculate.At last, this paper has a simple introduction to construction techniq

12、ues and landscaping work of the assembly retaining wall.Key words:the assembly retaining wall; earth pressure calculation method; impact of dynamic load; construction techniques.目錄摘要4Abstract5目錄6第1章 緒論11.1 引言11.2擋土墻發(fā)展史介紹11.3 關于本課題5第2章 擋土墻土壓力計算分析72.1 各類擋土墻介紹72.1.1重力式擋土墻72.1.2錨定式擋土墻82.1.3薄壁式擋土墻82.1.4加

13、筋式擋土墻82.2作用在擋土墻上的力系92.3一般條件下庫倫（Coulomb）主動土壓力計算102.4大俯角墻背的主動土壓力第二破裂面法182.5郎肯土壓力計算222.5.1概述222.5.2主動土壓力計算232.5.3被動土壓力計算252.6建筑地基基礎設計規(guī)范中重力式擋土墻土壓力計算方法262.7庫倫理論與郎肯理論優(yōu)缺點分析28第3章 擋土墻設計293.1參數(shù)設計293.2結(jié)構(gòu)設計333.2.1路基斷面設計343.2.2擋土墻結(jié)構(gòu)設計363.2.3預制鋼筋混凝土塊設計38第4章 擋土墻計算394.1靜荷載作用下土壓力計算394.1.1基本公式394.1.2基本數(shù)據(jù)收集與計算404.1.3主

14、動土壓力計算414.2擋土墻檢算424.2.1作用在擋土墻上的力系424.2.2滑動穩(wěn)定性簡算434.2.3抗傾覆穩(wěn)定性檢算454.2.4擋土墻基底應力及偏心距檢算474.2.5擋土墻墻身截面強度檢算494.3動荷載對擋土墻的影響544.3.1路基面動應力544.3.2換算土柱法554.3.3抗滑移穩(wěn)定性檢算564.3.4抗傾覆穩(wěn)定性檢算564.3.5擋土墻基底應力及偏心距檢算574.3.6擋土墻墻身截面強度檢算584.4基礎鋼筋配置61第5章 拼裝式擋土墻施工635.1擋土墻的施工要求及注意事項635.2施工工藝流程645.3施工步驟64第6章 擋土墻綠化設計666.1 擋土墻綠化必要性分析

15、666.2生態(tài)擋土墻系統(tǒng)分析666.3擋土墻綠化設計68結(jié)論1致謝2參考文獻3附錄一：附圖1附錄二：實習報告2第IX頁第1章 緒論1.1 引言擋土墻是指支承路基填土或山坡土體、防止填土或土體變形失穩(wěn)的構(gòu)造物1。隨著科學技術(shù)分發(fā)展于與人民生活質(zhì)量的不斷提高，其在鐵路、公路邊坡、建筑物四周、礦山坑道、水利工程岸堤防護等工程中的作用越來越重要，其應用范圍也越來越廣泛。擋土墻類型多式多樣，分類方式也很多，按其作用性質(zhì)不同分可分為：路肩墻、路堤墻、路塹墻、山坡墻、隧道及明洞口擋土墻、橋梁兩端擋墻等；按其結(jié)構(gòu)性質(zhì)不同可分為：重力式擋土墻、錨定式擋土墻、薄壁式擋土墻、加筋土擋土墻、其它擋土墻（柱板式擋土墻、

16、樁板式擋土墻、垛式擋土墻）等2。拼裝式預制鋼筋混凝土塊擋土墻是最近一些年新興的一種擋土墻形式，其與傳統(tǒng)的現(xiàn)澆擋土墻相比具有很多優(yōu)點：第一是其施工速度快，施工工期可提前；二是，由于其不產(chǎn)生大量的廢渣，故對環(huán)境影響很小，基本不污染環(huán)境；三是其外表美觀簡潔，容易進行美化設計；四是其工程造價并不昂貴，性價比很高。同時，其施工工藝與結(jié)構(gòu)形式與傳統(tǒng)擋土墻也有很大區(qū)別，主要表現(xiàn)在其無需現(xiàn)場澆筑，只需簡單的進行拼裝，其工程量較小。但是相比較于部分拼裝的擋土墻而言，預制鋼筋混凝土拼裝式擋土墻雖然還沒有在國內(nèi)大量的使用，但是其發(fā)展前景也相當可觀。因為其完全是拼裝的，所以在施工過程中不會用到大量的人力，且施工簡單方

17、便。但是由于結(jié)構(gòu)形式的選擇面較小所以有時候不會將其作為優(yōu)先考慮。但是其優(yōu)點還是比較明顯的，設計計算也較方便。1.2擋土墻發(fā)展史介紹在古代人民反復不斷的實踐中，人們漸漸總結(jié)出了有關于擋土墻設計的豐富的經(jīng)驗并世代相傳下來，從中國的具有悠久歷史的古長城、古代望星臺、古墓及古墓周邊的古驛道、古棧道的兩側(cè)，都可以發(fā)現(xiàn)前人進行邊坡防護而修筑擋土墻的痕跡。在近代，擋土墻的作用越發(fā)明顯，其更是被廣泛應用于各種各樣土木及建筑工程中，特別是鐵道與公路的路基工程、建筑工程、市政園林工程、水利水電工程、水土保持工程中。擋土墻可以說是隨著現(xiàn)代工業(yè)與科學技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的。重力式擋土墻是從古至今歷史最悠久的一種擋

18、土墻結(jié)構(gòu)形式，因為其材料資源豐富、結(jié)構(gòu)形式容易理解、取材方便無需大范圍搬運、施工簡便快捷，所以其仍然是目前各國應用的最為廣泛的結(jié)構(gòu)形式。為了適應各式各樣不同地形條件和不同地基承載力的復雜要求，在重力式擋土墻的基礎上，漸漸發(fā)展形成了半重力式擋土墻與衡重式擋土墻。為了適應不同地區(qū)的建筑條件（如地基、料源、地形等）和不同的使用要求（如建筑高度、穩(wěn)定性等），研究開發(fā)了多種形式的擋土墻，如懸臂式、扶壁式、加筋土式、錨定板式、錨桿式、土釘式及卸荷板式等，這些形式都是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)3。扶臂式和懸臂式擋土墻在國外各個國家中應用非常廣泛，但在我國尚未大范圍的進行普及，相信隨著高等級高要求的公路工程向中西部地區(qū)的

19、大力推進，其在建筑工程中的應用將越來越廣。加筋土式擋土墻的結(jié)構(gòu)設計運用了先進的加筋土技術(shù)，這是在上個世紀60年代由法國的一個著名工程師亨利一維達爾(Hneri一Vidal)在實驗中進行多次試驗發(fā)現(xiàn)的，試驗結(jié)果表明當土中摻有纖維材料時，擋土墻的強度能夠提高到原來擋土墻強度的幾倍以上。同時，他還通過三軸壓縮試驗的試驗結(jié)果首次提出了加筋土的概念，并且將其研究成果撰寫成論文，分析了擋土墻內(nèi)力計算分析的方法，為現(xiàn)代加筋土技術(shù)具有的廣闊的應用前景奠定了堅實的基礎。從而，工程師亨利一維達爾(Hneri一Vidal)榮獲了加筋土技術(shù)創(chuàng)始人的稱號。我國對于加筋土技術(shù)的研究與進行應用20世紀70年代的中期才漸漸開

20、始，1978年在云南的田壩貯煤場首次建成了我國第一座加筋土擋土墻進行試驗，1980年在山西晉城陵川公路上修建了第一座公路加筋土擋土墻。加筋土擋土墻已在鐵路、建筑、水利、公路和各種礦產(chǎn)部門得到廣泛的應用。錨桿技術(shù)在土木工程中的應用已經(jīng)具有非常悠久與輝煌的歷史。最早于1890年北威爾士的一個煤礦加固工程中，由于結(jié)構(gòu)需要最先出現(xiàn)運用鋼筋加固巖層，美國于1912年在阿伯施來辛德的大型煤礦中使用錨桿來進行頂板的支付工作。從20世紀四、五十年代開始，法國、英國、美國、德國等國家就漸漸的開始運用錨桿的特殊作用來對隧道及其洞口的邊坡、各種建筑物的邊坡進行加固工作。到20世紀50年代開始，由于工程建筑的需要，我

21、國開始從國外引進錨桿技術(shù)，最初是將其運用于煤炭系統(tǒng)中的加固與防護。從20世紀60年代之后，錨桿技術(shù)在各個領域中的應用迅猛發(fā)展并且越來越廣泛的應用于土木工程建設過程中的大量領域中。錨桿擋土墻作為一種輕型的支擋結(jié)構(gòu)，由于其大量的有點被認可，其開始逐漸取代早期的笨重的重力式擋土墻，并廣泛應用于鐵路、公路路、煤礦及水利等工程的支擋結(jié)構(gòu)當中。錨定板擋土墻是由我國鐵道部門在不斷實踐與總結(jié)中發(fā)明而出的，它在20世紀70年代的初期開始得到迅猛的發(fā)展，1974年首次運用于太焦鐵路上，目前由于其獨特的性能，在鐵路部門各類工程中的應用非常廣泛，其在鐵路、公路、煤礦、水利等部門的立交橋臺的防護、邊坡的支撐、坡腳的防護

22、等大量工程中也有非常廣泛的應用。從20世紀70年代開始，法國、美國、英國以及原德意志聯(lián)邦共和國這幾個國家均各自獨立的發(fā)明了一種用于邊坡穩(wěn)定和土坑開挖的的一種稱為土釘支護的新型擋土墻支護技術(shù)，并在法國、德國兩國中得到了迅猛的大范圍推廣運用。尤其在是20世紀70年代和其后面的一段短的時間內(nèi)，土釘支護結(jié)構(gòu)先后在德國的法蘭克福地鐵工程與紐倫堡地鐵工程的基坑土體開挖工程中的應用獲得巨大成功，這次的成功應用對于土釘墻的技術(shù)出現(xiàn)與推廣發(fā)展產(chǎn)生了重大的積極影響。我國于1980年第一次將土釘墻支護技術(shù)在山西柳灣煤礦的邊坡穩(wěn)定工程中應用，其后，土釘墻技術(shù)在我國也得到發(fā)展。近年來，一些高等教育院校、建筑設計院和科研

23、院等部門在土釘墻技術(shù)的研究與開發(fā)應用方面也進行了大量的試驗與研究工作。卸荷板擋土墻結(jié)構(gòu)在外國建筑工程中的應用比較早，小的日本、前蘇聯(lián)等這些國家在港口一些工程建筑物中對這種新型結(jié)構(gòu)的應用與研究比較多。印度于20世紀70年代對在建筑物邊坡工程中設置卸荷板的懸臂式擋土墻進行了大量的研究，通過理論上的分析與在現(xiàn)實中的試驗對其結(jié)構(gòu)形式做了一些討論。我國國內(nèi)對于卸荷板擋土墻在港口工程建筑物中的運用也相對較早，主要在重力式碼頭與岸壁結(jié)構(gòu)中對其進行大量的運用。原德意志聯(lián)邦共和國還進行了長達10年的工程觀測，獲得了許多有價值的數(shù)據(jù)。隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展，我國對新型結(jié)構(gòu)的研究也更加廣泛，誕生了大量復合式擋土墻結(jié)

24、構(gòu)，如下圖所示的重力式錨桿復合擋土墻與豎向預應力錨桿擋土墻等。豎向預應力錨桿擋土墻是重力式擋土墻與豎向設置的預應力錨桿組合形成的一種新型支擋構(gòu)造物，如圖1-1所示4。重力式錨桿擋土墻是在原本的重力式擋土墻的結(jié)構(gòu)基礎上，添加進錨桿技術(shù)而產(chǎn)生的一種新型的支擋結(jié)構(gòu)，如圖1-2所示。 圖1-1 豎向預應力錨桿擋土墻 圖1-2 重力式錨桿擋土墻這些年以來，在熟悉掌握了傳統(tǒng)擋土墻結(jié)構(gòu)形式與構(gòu)造技術(shù)的基礎上，同時也研究與開發(fā)了一些新的結(jié)構(gòu)形式的擋土墻，如常見的U形擋土墻和倒Y形擋土墻。倒Y形擋土墻這一新型結(jié)構(gòu)是由日本的神戶大學的田中博士通過實驗首次發(fā)現(xiàn)的，倒Y形擋土墻它首先是將混凝土通過預制做成14m的不同

25、尺寸的砌體塊狀物，然后再將預制的砌形塊狀物通過組合鋪筑在碎石類基礎之上，最后回填碎石從而構(gòu)成完整的擋土墻。倒Y形擋土墻在力學性能上具有較高的抗傾覆、抗滑動的重要特點，另外倒Y形擋土墻還具有良好的排水性能，避免地下水位對擋土墻造成嚴重侵蝕的優(yōu)點。U形擋土墻在結(jié)構(gòu)形式上與傳統(tǒng)的懸臂式擋土墻類似，它是通過將底板和側(cè)壁通過鋼筋連成一個整體，形成與字母“U”相似的形狀。在需要采取挖方的地段，需要我們將路基面鋪筑在地下水位之下時，很適合采用采用U形擋土墻結(jié)構(gòu)進行設計。在進行U形擋土墻的設計時，其與傳統(tǒng)的擋土墻相比，主要不同之處在于應該考慮地下水水壓力對于路基的影響，同時在進行檢算時必須考慮上浮穩(wěn)定性驗算。

26、U形擋土墻的底板寬度與傳統(tǒng)擋土墻相比更寬，可將其看作一個彈性的地基梁。當遇到地下水的水位較高的情況時，為保證擋土墻的上浮穩(wěn)定性也可以將地板進行加厚設計或者設計成橫向懸出。在現(xiàn)代，進行一些新型結(jié)構(gòu)的研究開發(fā)的同時，開發(fā)對擋土墻應用新材料、新施工工藝也是擋土墻向前發(fā)展的一種新趨勢。加筋土擋土墻當中最為常用的筋材形狀是條帶式，而通過網(wǎng)狀加筋和土工合成材料進行平面加筋能夠很大程度上增強填土和加筋材料之間的摩擦力，從而從另一方面提高擋土墻的抗傾覆與抗滑移穩(wěn)定性。除此之外，由于擋土墻填土發(fā)生的固結(jié)沉降，會改變擋土墻中加筋的受力情況，同時使加筋所受拉力與墻面板所受的基礎壓力增大增強，所以在一些國家中，在墻面

27、板與加筋連接部位之間安裝了可以發(fā)生上下自由滑動的機構(gòu)來對墻面板和填土之間發(fā)生的不均勻沉降引起的不利因素進行調(diào)節(jié)。錨索擋土墻是在錨桿擋土墻的基礎上，使用錨索代替?zhèn)鹘y(tǒng)錨桿從而形成的。目前錨索在防護、加固工程中應用非常廣泛。為了能夠滿足擋土墻所受到的上部荷載的支承力，可以通過減輕墻后填料的重度，從而墻后的填料重度越輕就越能減少墻基所受支承力和墻背所受土壓力。對于修筑于軟弱地層地基上的擋土墻，為了防止擋土墻發(fā)生滑移，可采用高爐爐渣等輕質(zhì)且具有良好摩擦的填料，也可以力用空心結(jié)構(gòu)物（如箱型、管形等結(jié)構(gòu)形式）對擋土墻背后進行填充。伴隨著科學技術(shù)的迅猛發(fā)展與聚合物研究日趨成熟，聚合物的應用更加廣泛，泡沫砂漿、

28、泡沫聚苯乙烯等這些具有良好性能的輕質(zhì)填料也開始得到廣泛的應用。另外，從另一方面來講，也可以通過添加水泥或石灰等具有粘性的穩(wěn)定劑來改善土壤的含水性能，從而降低土壤的含水量，進一步提高墻后填料的強度和穩(wěn)定性。通常來講，由于改善后的填料各方面性質(zhì)都普片得到了較大程度上的提高，對于減小墻后的土壓力作用效果是非常明顯的。1.3 關于本課題在追求效率和質(zhì)量的今天，傳統(tǒng)擋土墻已經(jīng)越來越不適用。無論是材料的選用，結(jié)構(gòu)形式的變化，擋土墻已經(jīng)有了一個較大的發(fā)展。但這些還不能適應現(xiàn)代社會對土木工程的要求。研究預制鋼筋混凝土塊拼裝式擋土墻的目的就在于解決在擋土墻施工時混凝土必須現(xiàn)澆的問題，通過在工廠預制好混凝土塊之后

29、，再將其運到現(xiàn)場進行拼裝?？梢怨?jié)省大量的人力和費用。并且也不需要在施工的現(xiàn)場堆放大量材料和施工機具，場地大小對其限制不大。因此，本文首先對擋土墻背景資料進行了收集并整理，其中包括了擋土墻背景資料的了解、學習，外文文獻的翻譯與學習，有關專業(yè)資料的查找與整理。然后對各種土壓力方法進行了分析與學習，包括了庫倫與郎肯土壓力計算方法、第二破裂面法、以及建筑地基規(guī)范方法計算重力式擋土墻土壓力計算方法等的分析與比較。最后對擋土墻進行了設計與計算，包括土壓力的計算，工點資料的研究，路基面和擋土墻結(jié)構(gòu)的設計，擋土墻的檢算，以及在列車動應力作用下的擋土墻的檢算，基礎的設計與鋼筋的配置，理正擋土墻設計軟件的應用，施

30、工方法的研究。第2章 擋土墻土壓力計算分析2.1 各類擋土墻介紹2.1.1重力式擋土墻重力式擋土墻可分為三類：普通形式的重力式擋墻、衡重式擋土墻與無衡重臺的折線形墻背形式重力擋土墻5。在這三類擋土墻形式中，衡重式擋土墻由于具有衡重臺的這一結(jié)構(gòu)的存在，改善了擋土墻墻體的承受力的性能，增強了擋土墻的抗傾覆能力和抗滑移能力，而使其在土工建筑物中的運用范圍更加廣泛。因此，清楚正確地了解衡重式擋土墻的受力及變形特性，同時進行精確的土壓力計算和合理的結(jié)構(gòu)設計便具有非常重要的價值與作用。日前，對于擋土墻所受的土壓力計算方法仍然采用經(jīng)典的庫倫土壓力理論和朗金土壓力理論兩大理論。經(jīng)典土壓力理論計算比較簡便，基本

31、能達到工程建設所需的精度要求，但庫倫土壓力理論中的一些基本假設并不與實際情況完全相符，使其的可靠性、準確性與使用范圍等都受到不同程度的影響。為了進一步發(fā)展和研究擋土墻的土壓力計算方法理論，很多專家學者在既有的經(jīng)典庫倫土壓力理論的基礎上做了很多更深一步的試驗工作，對粘性土的土壓力計算方法、形成的破裂面的形態(tài)、土壓力的非線性分布、土壓力分布規(guī)律及大小及影響土壓力變化的因素等問題進行了深入的研究。衡重式擋土墻的由于具有衡重臺這一結(jié)構(gòu)存在，其墻背土壓力的分布及大小、土壓力的變化規(guī)律和一般的重力式擋土墻有一些不同。目前，對于衡重式擋土墻的土壓力計算方法采用的方法是將擋土墻上、下墻段分開進行計算，取其兩段

32、受力的矢量和作為墻背所受總土壓力。由于在分開的計算過程中沒有考慮擋土墻上、下墻背土壓力之間產(chǎn)生的相互影響，從而使所計算表得出的結(jié)果與實際情況相比誤差較大?？偟恼f來，這種計算方法表明現(xiàn)在我們對衡重式擋土墻的認識還不夠深入，所得到的研究成果比較少；對衡重式擋土墻墻背土壓力分布規(guī)律及影響土壓力變化的因素、土壓力作用機理的研究，還沒有形成系統(tǒng)的理論，需要更多的努力。對擋土墻土壓力進行研究的方法，可以通過先進行理論推導與數(shù)值計算，然后進行現(xiàn)場監(jiān)測與室內(nèi)普通模型試驗、立新模型試驗一系列有效的途徑。離心模型試驗因為其能夠在實驗條件下很有效的模擬出在重力作用下構(gòu)筑物發(fā)生的變形與位移的真實性狀，展現(xiàn)了很大的優(yōu)越

33、性，同時由于其具有時間比尺的特殊性使其在模擬巖土工程試驗時能夠很大程度的縮短實驗所需要的時間，提高工作效率，在巖土工程領域的試驗中得到了非常廣泛的應用。已有很多學者通過理論推導與數(shù)值計算，人后進行現(xiàn)場監(jiān)測測試的方法對衡重式擋土墻進行了大范圍的研究，但將離心模型試驗運用于衡重式擋土墻的研究還比較少。2.1.2錨定式擋土墻錨定式擋土墻由于其結(jié)構(gòu)特殊，是屬于輕型擋土墻中的一種，通常包括錨定板式擋土墻和錨桿式擋土墻兩種類型。錨定式擋土墻由墻面系、拉桿、錨定板和填土共同組成。通過擋土板和預制好的鋼筋混凝土立柱共同構(gòu)成擋土墻墻面，擋土墻墻面與處于水平或傾斜的鋼錨桿結(jié)合成整體共同起到支擋土體的作用，其主要是

34、依靠埋置在巖土中的錨桿的具有的抗拉力拉住立桿從而保證土體穩(wěn)定6。2.1.3薄壁式擋土墻薄壁式擋土墻一種鋼筋混凝土構(gòu)成的結(jié)構(gòu)形式，通常有扶壁式和懸臂式兩種不同的結(jié)構(gòu)型式。懸臂式擋土墻通過地板與立壁組合構(gòu)成，其擁有三個懸臂，即踵板、趾板和立壁。當懸臂式擋土墻的墻身比較高時，可通過沿墻長方向一定距離安置肋板，使其將立壁板與踵板連接起來，從而形成另一種擋土墻形式，即扶壁式擋土墻。2.1.4加筋式擋土墻加筋式擋土墻的組成分為墻后填土、墻后填土中的拉筋條和墻面板三部分。加筋式擋土墻是通過墻后填土與填土中拉筋間的摩擦力的作用把土對擋土墻的側(cè)向壓力削減，然后傳遞到土體中起到穩(wěn)定土體的作用。加筋土擋土墻從結(jié)構(gòu)形

35、式上屬于一種柔性結(jié)構(gòu)，對于地基變形情況適應性較大，其建筑的高度也可以很大，適合于在填土路基中使用；但在選用的同時，需考慮擋土墻擋板后填土的滲水穩(wěn)定性與地基發(fā)生變形對其的不利影響，需要進行計算與分析之后合理選用。2.2作用在擋土墻上的力系 分析與確定作用于擋土墻上的力系是擋土墻設計的關鍵，其中最主要的是確定所受土壓力情況。作用在擋土墻上的由各種力形成的力系，按其對于擋土墻不同的作用性質(zhì)可將它們分為主要力系、附加力和特殊力7。1. 主要力系：是指平常時間段經(jīng)常作用于擋土墻上的各式各樣的力。如圖2-1所示，它包括：(1)擋土墻的自身重量G；(2)擋土墻墻背上承受的由填料和活荷載所引起的側(cè)向力；(3)

36、擋土墻墻頂上或墻背與第二破裂面之間的有效荷重；(4)基地的法向反力N及摩擦力T；(5)一年中大部分時間內(nèi)保持的常水位時靜水壓力和浮力。圖2-1 擋土墻力系2.附加力系：指在平常一般情況下不發(fā)生，而是偶然時候發(fā)生的或發(fā)生概率很小的力，包括：（1）季節(jié)性洪水位以下最不利計算水位對于擋土墻產(chǎn)生的靜水壓力和浮力；（2）水位退落時對擋墻的動水壓力；（3）波浪對擋墻的壓力；（4）凍脹壓力與凍壓力；（5）溫度變化引起的力。 3.特殊力：指暫時的或?qū)儆跒暮π缘?，發(fā)生概率極小的力，包括：（1） 由地震活動所引起的地震力（2） 臨時施加的荷載、施工荷載、水流漂浮物對擋墻產(chǎn)生的撞擊力等。在一般地區(qū)，對擋土墻進行設計

37、時僅需考慮主要力系的作用，在浸水區(qū)還應該考慮附加力，而在地震區(qū)還應考慮地震作用對擋土墻的影響。各種力的取舍，應根據(jù)擋土墻所處的位置的外界條件確定，按照各種力系的最不利的組合作為設計的依據(jù)8。2.3一般條件下庫倫（Coulomb）主動土壓力計算進行擋土墻設計的關鍵之處在于確定擋土墻所受土壓力作用的情況。擋土墻的位移情況的不同，能夠形成不同性質(zhì)的土壓力，如圖2-2所示。當擋土墻因外力作用而發(fā)生傾覆或位移從而向外產(chǎn)生移動時，擋土墻所受土壓力將會隨著移動而減小，直到擋土墻墻后土體產(chǎn)生破裂面且沿破裂面向下滑動而達到極限平衡狀態(tài)時，作用于擋土墻墻背上的土壓力稱為主動土壓力；當擋土墻墻后土體發(fā)生擠壓移動，土

38、體對擋土墻的壓力將會增大，墻后土體將被推動從而發(fā)生向上的移動而處于極限平衡狀態(tài)，這時土體對擋土墻的抗力稱為被動土壓力；當擋土墻處于其原本的位置而不發(fā)生任何移動位移時，土壓力性質(zhì)介于兩種情況之間，此時的土壓力被稱為靜止土壓力。到底應該采用何種性質(zhì)的土壓力作為擋土墻的設計荷載值，這要根據(jù)擋土墻所處的具體情況而具體分析。圖2-2 三種不同性質(zhì)的土壓力路基擋土墻一般均有向外發(fā)生傾覆或者產(chǎn)生位移的可能，因此，在進行擋土墻的設計時，按照擋土墻墻背土體達到主動極限平衡狀態(tài)，且在擋土墻設計時取一定的安全系數(shù)，以保證墻背土體的穩(wěn)定。對于擋土墻墻趾前土體的被動土壓力Ep，在擋土墻基礎處于一般埋深的深度的時候，綜合

39、考慮到各種人畜活動和自然力的作用，一般均不計，以偏于安全9。庫倫土壓力理論的基本假定：（1） 墻后填料為粗粒土；（2） 當擋土墻由于荷載或其他外界因素影響而發(fā)生很小的位移（轉(zhuǎn)動或者發(fā)生移動）時，擋土墻墻后土體被破壞，從而在土體中形成破裂棱體，形成的破裂棱體并且沿著墻背與墻后土體中產(chǎn)生的破裂面發(fā)生滑動，假定土中的產(chǎn)生的破裂面是一個平面；（3） 擋土墻的墻身與墻后土體中產(chǎn)生的破裂棱體都視作為剛體，在外力的作用下不產(chǎn)生壓縮或者膨脹變形；（4） 假定土壓力Ea的方向，與墻背法向之間成角（墻背與填土之間的摩擦角），破裂面的反力R與破裂面的法線成角，并都偏向阻止棱體滑動的一側(cè)。路基擋土墻由于路基形式和荷載

40、分布的不同，土壓力有多種計算圖式。以路堤擋土墻為例，按破裂面交于路基面的位置不同，可分為五種圖式：破裂面交于荷載的外側(cè)、中部和內(nèi)側(cè)，破裂面交于路基面內(nèi)邊坡，以及破裂面交于路基面的外邊坡。茲分述如下：1. 破裂面交于內(nèi)邊坡，如圖2-3所示：圖2-3破裂面交于內(nèi)邊坡這一擋土墻內(nèi)力圖式適用于路堤式或者路塹式擋土墻。圖中AB為擋土墻的墻背，BC為墻后土體中形成的破裂面，破裂面BC與鉛垂線之間的夾角稱為破裂角，ABC表示破裂棱體。破裂棱體上作用有三個不同性質(zhì)的力，即破裂面上的反力R0、主動土壓力的反力Ea、破裂棱體自重G。R的方向與破裂面法線之間成角，且偏向于阻止棱體向下滑動的方向；Ea的方向與墻背法線

41、之間成角，且偏于阻止棱體向下滑動的方向。取擋土墻長度為1m計算，作用于棱體上的平衡力三角形abc可得： （2-1） 式中： 因 而： (2-2) 將式（2-2）帶入式（2-1），得： （2-3） 令 則 （2-4)通過以上計算式分析可得，當參數(shù)、固定不便時，Ea的大小隨著破裂面位置的變化而發(fā)生變化，即Ea為破裂角的函數(shù)。因此，要求得最大土壓力Ea的值，首先應該求出土壓力Ea取得最大值時其對應的破裂角。取，得： (2-5) 式中：由式（2-5）求得的值，然后將其代入式（2-4），即可求得最大主動土壓力Ea值。最大主動土壓力Ea的另一種表示方法為： （2-6） （2-7） 2. 破裂角交于路基面，

42、如圖2-4所示： 圖2-4 破裂面交于路基面1） 當破裂面相交于荷載的中部時，如圖2-4b所示： （2-8） 則 因此，破裂棱體的重量為， 將G代入（2-1）得 （2-9） 令， 即： 經(jīng)過整理簡化，得： 故 （2-10)將已經(jīng)求得的值代入式（2-9）中，即可求得主動土壓力Ea的值。應該指出的是，式（2-9）與式（2-10）不僅是在上述情況下使用，其也具有普遍意義。因為無論破裂面相交于荷載的哪個位置，破裂棱體的斷面面積S的表達式均能夠總結(jié)為一個公式，即： 式中與為邊界條件系數(shù)。因此，對于不同邊界條件下的、值，只需要將其代入上式中，均可求出與之相應的破裂角與最大主動土壓力。2） 當破裂面交于荷載

43、外側(cè)時，如圖2-4c所示：則， （2-11）3）當破裂面交于荷載內(nèi)側(cè)時，如圖2-4a所示： 在式（2-8）或者式（2-11）中，令 則 式中： （2-12）3. 破裂面交于外邊坡，如圖2-5所示： 圖2-5 破裂面交于外邊坡 圖中 三角形ABC的面積為： （2-13）令 經(jīng)簡化整理，得： （2-14） 2.4大俯角墻背的主動土壓力第二破裂面法當我們進行擋土墻設計時，經(jīng)常會出現(xiàn)墻背俯斜比較緩慢，即墻背傾角很大的情況。當擋土墻墻后土體在外力的作用下，從而土體自身達到了主動極限平衡狀態(tài)時，土體內(nèi)形成的破裂棱體并不是沿著墻背或者假想墻背CA產(chǎn)生滑動，破裂棱體而是順著土體中的另一個破裂面CD產(chǎn)生滑動。此

44、時，將遠離墻的破裂面CF稱之為第一破裂面及將CD稱之為第二破裂面，為其相應的破裂角10。第二破裂面的形成條件與出現(xiàn)朗金狀的條件是一致的，即當墻背不妨礙第二破裂面的形成以及二破裂面與墻背之間的破裂棱體不沿墻背下滑而是與墻背一起移動時，則將出現(xiàn)朗金狀態(tài)，即在墻背至第一破裂面之間存在一個第二破裂面。也可以表述為：（1） 擋土墻墻背或者假想墻背的傾角必須大于擋墻土體內(nèi)部第二破裂面的傾角，即擋土墻墻背或假想墻背不能夠妨礙擋墻土體內(nèi)部第二破裂面的出現(xiàn)；（2） 在擋土墻墻背或者假想墻背作用的抗滑力必須大于其產(chǎn)生的下滑力，即NRNG，或，使棱體不會沿墻背或假想墻背下滑，而是與墻背一起移動；也可以表述為作用于墻

45、背或假想墻背上的土壓力對墻背法線的傾角應小于或等于墻背摩擦角11。通過以上分析，現(xiàn)以衡重式路堤擋土墻為例，來闡明計算公式的推導過程，其墻后土體的第一破裂面相交于荷載內(nèi)部，第二破裂面相交于邊坡。如圖2-6所示：圖2-6衡重式路堤墻第二破裂面 1.根據(jù)擋土墻的邊界條件計算破裂棱體的重量G的值首先，自衡重臺后邊緣A點作表坡線的垂線OB，設其長度為，則 （2- 15） 將包含變量的兩函數(shù)表示為： 則： （2-16） 2.通過力三角形求的方程式 （2-17） 因：將以上求得的兩式及式（2-16）代入式（2-17），則： （2-18）3.求的最大值及其相應的破裂角的值 令，經(jīng)整理簡化后得： （a） 令，經(jīng)

46、整理簡化后得： （b） 解聯(lián)立方程組（a）、（b），得： （c） 式（c）中，當e取正號時，則（c）可表達成： （d）代入式（a），經(jīng)整理簡化后得： （e）不難發(fā)現(xiàn)，式（e）為一元二次方程，通過求解得： （2-19）式中：公式（2-19）中可解得兩個不同的根，有效跟可取兩個根中為正值的較小的一個。 將上式所求得的第一破裂角代入式（c）中，其中，可以得到：（2-20） 由式（2-20）和（a）和（b）可得 或（2-21）4.求主動土壓力的作用點繪出擋土墻壓應力分布圖，如圖2-6b所示。 （2-22）2.5郎肯土壓力計算2.5.1概述朗肯土壓力理論是依據(jù)半空間體的應力狀態(tài)和土的極限平衡理論推出土壓

47、力強度的計算式12。其假設條件為1擋土墻墻背為垂直的；2擋土墻墻后填土表面為水平的；3擋土墻背面視為光滑，即不考慮墻背與土體之間的摩擦力13。其應用范圍為：1.墻背與填土條件：（1）擋土墻墻背為垂直、光滑且其墻后填土面為水平；（2）擋土墻墻背為垂直，其填土面為一傾斜的平面；（3）坦墻（即擋土墻出現(xiàn)滑裂面）；（4）也適用于為“”形的鋼筋混凝土擋土墻結(jié)構(gòu)的計算 2.地質(zhì)條件對于粘性土和無粘性土都可使用,均有公式可以直接求解142.5.2主動土壓力計算圖2-7 主動土壓力分布圖由圖2-7可以得到大主應力與小主應力的關系為：黏性土：無黏性土：將帶入上面式子得到：對于黏性土：無黏性土：其中主動土壓力系數(shù)

48、；擋土墻墻厚填土的重度，處于地下水位以下的取有效重度；填土的黏聚力；填土的內(nèi)摩擦角；z計算點距填土面的深度。2.5.3被動土壓力計算圖2-8 被動土壓力計算由上圖2-8可知：黏性土無黏性土2.6建筑地基基礎設計規(guī)范中重力式擋土墻土壓力計算方法對于如圖2-9所示的擋土墻，基本數(shù)據(jù)為：墻面傾斜，與水平面成角，填土為黏性土，其容重為，內(nèi)摩擦角為，凝聚力為c，擋墻填土與墻面的摩擦角為，填土表面傾斜，與水平面的夾角為，填土表面作用有向下的均布荷載q，此時填土作用在檔土墻上的主動土壓力可表示為15：圖2-9 重力式擋墻土壓力計算主動土壓力（kN）；主動土壓力增大系數(shù)，當擋土墻高度小于5 m時取1.0，高度58 m時取1.1，高度大于8 m時取1.2；填土重度（kN/m3）；擋土墻結(jié)構(gòu)的高度（m）；主動土壓力系數(shù)；對于高度小于或等于5 m的擋土墻，在排水條件好的情況下，可以通過查表得出。1.對土質(zhì)邊坡（擋土墻為路塹墻時），邊坡主動土壓力按下面公式進行計算。當擋土墻的填土為無黏性土時，主動土壓力系數(shù)的值可通過庫倫主動土壓力計算方法計算得到。當支擋結(jié)構(gòu)的條件滿足朗肯土壓力理論要求時，可按朗肯土壓力理論計算公式計算得到。對于黏性土或粉土則可按楔體試算法圖解確定。2.對于支擋結(jié)構(gòu)的后緣有較為陡峭的巖石邊坡面的情況，其巖石邊坡坡的坡腳時，應根據(jù)有限范圍填土方法計算其土壓力，取巖石平坡面作為