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1、4 挡土墙工程,同济大学出版社,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,挡土墙的形式在遇到在天然土坡（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）。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
2、土墙,挡土墙在工程中的应用,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,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
3、,朗金土压力理论,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,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。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,特殊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,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
4、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)成层填土,不同性质土层因不同，计算时分别采用不同的土压力系数，分层面处竖向应力不变，而土压力有突变：,思考：？a2上 a2下,填土为成层土时的土压力计算,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,有地下水时，墙后压力由土压力和静水压力共同组成（合力增大，影响墙体稳定，故墙体设排水孔），地下水位以下取有效重度计算：,墙脚
5、处 压应力,墙后压力合力：土压力+静水压力,填土为成层土时的土压力计算,(三)墙后填土有地下水,下层应为,可近似认为,填土中有地下水时的土压力计算,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。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。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。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,计算假定：墙后填土处于极限平衡状态并沿某一滑动面形成滑动土契体；墙后填土为无粘性土（c
6、=0)；滑动契体沿墙背及过墙踵的平面滑动；墙与填土均为刚性。,库仑土压力理论,一、主动土压力,设墙高为h,填土面倾角，墙背与填土摩擦角为，如下图，滑动土契体在G、R、Ea三力作用处于主动极限静力平衡状态（土契体向下滑动）：,一、主动土压力,库仑主动土压力计算图,土压力作用方向：与墙背法线方向成 角。土压力强度分布：沿墙高呈三角形分布。,墙后深度z点处主动土压力强度：,由力三角形正弦定律得土压力合力：,Ka主动土压力系数（由、确定）,5.4 库伦土压力理论,式中,填土对墙背的摩擦角；墙背与水平面的夹角；墙后填土面的倾角；填土内摩擦角。,土对墙背的摩擦角,二、被动土压力,如下图，墙背在外力作用下，
7、向后移动或转动滑动，土契体在G、R、Ea三力作用下处于被动极限静力平衡状态，同理得被动土压力强度与合力计算公式：,Kp被动土压力系数（由、确定）,库仑主动土压力计算图,土压力作用方向：与墙背法线方向成 角。土压力强度分布：沿墙高呈三角形分布。,讨论：,库仑理论计算主动土压力接近实际情况，适于设计填土为无粘性的重力式挡土墙；被动土压力库仑理论误差大，一般不用。,四、建筑地基基础设计规范推荐的公式,该规范（GB50007-2002）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：,主动土压力系数。,五、朗肯理论与库伦理论比较1、基本假定：前者假定挡墙光滑、直立、填土面水平；后者假
8、定填土为散体（c=0）。2、基本方法：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计算公式。3、结果比较：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；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，而被动土压力误差较大。,朗肯土压力理论的优缺点,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
9、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,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 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被动土压力的计算常采用朗肯理论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,挡土墙设计,一、挡土墙类型,（一）重力式挡土墙,材料：块石或素混凝土砌筑；稳定：自身重力维持，尺寸
10、大；形式：仰斜式、垂直式、俯斜式；特点：结构简单，施工方便，就地取材；应用：一般土坡的挡护，墙身抗拉强度低，墙高不宜过大；,重力式挡土墙结构 平衡示意图,墙顶,墙趾,墙踵,墙基,墙背,墙面,重力式 挡土墙按墙背倾斜形式又可分为如下三种形式：试比较土压力大小，适用条件？,a.仰斜式,b.垂直式,c.俯斜式,Ea1,Ea2,Ea1,（二）悬臂式 挡土墙,材料：钢筋混凝土；稳定：悬臂板上填土重力 维持；形式：由立臂、墙趾悬臂、墙踵悬臂三块板组成；特点：根据钢筋砼力学特性，结构尺寸小，墙高大；应用：市政工程，厂矿材 料储库。,（三）扶臂式 挡土墙,材料：钢筋混凝土；稳定：悬臂板与扶臂板上 填土重力维持
11、；形式：墙高很大时，立臂 加扶臂墙体抗弯；特点：钢筋砼力学特性，结构尺寸小，墙高大；应用：市政工程，厂矿材 料储库。,扶臂,（四）其它形式 挡土墙,锚定板,拉杆,灌浆锚杆,墙面板,锚定板、锚杆桩墙,建成后的坡间挡土墙,二、重力式挡土墙的设计与构造,（一）重力式挡土墙的设计条件与内容,设计条件：荷载大小、地质条件、填土性质、建筑材料等；设计方法：根据经验拟定尺寸，然后验算；计算内容：稳定性验算：抗倾覆与抗滑移；地基承载力验算；墙身强度验算。,（二）重力式挡土墙的构造,构造尺寸,墙顶宽度：,砌石：H/120.5m 混凝土：0.20.4m,墙底宽度：,H/3H/2,墙基埋深：,d 0.5m,墙面坡度
12、：,仰斜式：1：0.050.25,垂直式：1：0.4,墙背坡度：,仰斜式：1：0.25,墙底逆坡：,土质地基：1：10 岩石地基：1：5,设计方法：依此初步拟定结构尺寸，进行稳定性验算。,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,仰斜式,垂直式,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；,墙后排水构造,泄水孔,排水明沟,滤水层,盲沟,黏土夯实,黏土夯实,500,泻水孔,孔径：100 间距：23m 外斜
13、：5%,滤水层：级配砂石,防水层：黏土夯实,填土质量,砂石或黏土（参块石）分层夯实,墙体每隔1020m设置沉降缝,重力式挡土墙构造示意图,（三）重力式挡土墙的稳定性验算,抗滑移稳定验算示意图,1.抗滑移稳定验算,挡土墙受力,土 压 力 墙体重力,受力分析：,沿墙底滑动面将力分解为正压力与滑动力：,抗滑稳定安全系数：,土对墙摩擦系数,抗倾稳定验算示意图,2.抗倾覆稳定验算,挡土墙受力,土 压 力 墙体重力,对墙趾点将力分解为竖向力与水平力：,抗滑稳定安全系数：,【例5-3】某挡土墙高5m，墙背垂直光滑，填土表面作用有均布荷载，=18kN/m3，=30，c1=0。采用MU30毛石M5混合砂浆砌筑，
14、基底摩擦系=0.5，砌体重度=22kN/m3。试设计挡土墙构造尺寸。,【解】根据设计条件，应用朗肯理论计算：,根据构造要求拟定断面尺寸：,墙顶宽度：0.8m H/12(0.5m),墙底宽度：3.0m H/3 H/2,取1m墙长为计算单元计算自重：,G1=0.53.01.022=33kN,4.5m,0.5m,0.8m,G1,G2,G3,G4,3.0m,1.7m,0.8m,0.2m,0.3m,G2=1/21.74.51.0 22=84.15kN,G3=0.84.51.0 22=79.2kN,G4=0.24.51.018=16.2kN,G=G1+G2+G3+G4=212.55kN,取1m墙长为计算单元计算土压力：,Ea1=0.675=3.3kN/m,Ea2=1/2(30.67-0.67=75kN/m,E=Ea1+Ea2,抗滑移验算：,抗倾覆验算：,故墙体稳定性合格，尺寸设计合理。,计算简图,0,稳定性不满足要求时可采取哪些措施,增大墙体断面尺寸，加大G，但工程量增加；墙背设计成仰斜式，减少土压力Ea；墙底面做砂石垫层，加大摩擦力；墙底做逆坡，增加抗滑力；,软土地基可在墙踵 底后加拖板抗滑；挡土墙后加卸荷台，减小土压力。,垫层,拖板,卸荷板,思考：？,
