單元4擋土墻工程

1、4 擋土墻工程同濟(jì)大學(xué)出版社目錄 4.1 概念與理論 4.3 庫(kù)侖土壓力理論 4.4 擋土墻的應(yīng)用 4.2 朗金土壓力理論 4. 1概念與理論概念o 擋土墻的形式擋土墻的形式o 在遇到在天然土坡（slope）上修筑建筑物或構(gòu)筑物時(shí)，為了防止土體的滑坡和坍塌，工程上常用各種類(lèi)型的擋土結(jié)構(gòu)物加以支擋，地下室的外墻，重力式碼頭的岸壁，橋梁接岸的橋臺(tái)等都支持著側(cè)向土體。這些用來(lái)側(cè)向支持土體的結(jié)構(gòu)物，統(tǒng)稱(chēng)為擋土墻（retaining wall）。o 擋土墻根據(jù)不同的用途和各工程的特點(diǎn)可采用不同的結(jié)構(gòu)類(lèi)型 擋土結(jié)構(gòu)物的類(lèi)型(a)邊坡?lián)跬翂Γ?b)橋臺(tái)；(c)地下室側(cè)墻；(d)扶壁式擋土墻；(e)錨桿式擋土

2、墻；(f)加筋擋土墻 擋土墻在工程中的應(yīng)用擋土墻在工程中的應(yīng)用o 擋土墻在工業(yè)與民用建筑、水利工程、鐵道工程、橋梁、港口及航道建筑中被廣泛應(yīng)用著，例如山區(qū)和丘陵地帶，在土坡上修造建筑物時(shí)，防止土坡坍塌的擋土墻，圖4.2（a）；支擋建筑物周?chē)钔恋膿跬翂?，圖4.2（b）；房屋地下室的側(cè)墻，圖4.2（c）；橋臺(tái)，圖4.2（d）；堆放散粒材料的擋墻，圖4.2（e）；以及碼頭，圖4.2（f）等等。圖4.2 擋土墻的應(yīng)用 o 一般的中小工程，比如小溪河岸護(hù)坡，小土坡?lián)跬翂?，可以就地取材采用塊石建成，重大工程可采用用素混凝土或鋼筋混凝土材料建成。在山區(qū)的公路、鐵道兩側(cè)護(hù)坡等工程往往采用錨桿式或加筋土擋土墻

3、，見(jiàn)圖4.3。 幾種擋土墻的做法 4. 2朗金土壓力理論無(wú)粘性土的主動(dòng)土壓力計(jì)算粘性土的主動(dòng)土壓力計(jì)算o 臨界深度：對(duì)墻后填土為粘性土的擋土墻，若離填土面某一深度處的主動(dòng)土壓力等于零，則該深度稱(chēng)為臨界深度。o 墻后為粘性填土?xí)r的主動(dòng)土壓力強(qiáng)度包括兩部分：一部分是由土自重引起的土壓力，另一部分是由土的粘聚力引起的土壓力。粘性土的主動(dòng)土壓力計(jì)算 aaKqz)(無(wú)粘性土無(wú)粘性土aKqH HzqzzaqKq情況情況1無(wú)粘性土的主動(dòng)土壓力計(jì)算:墻后填土表面有連續(xù)均布荷載的情況,當(dāng)擋土墻墻后填土面有均布荷載q作用時(shí)，若填土重度為r,則將均布荷載換算成的當(dāng)量土層厚度為q/ r 粘性土的主動(dòng)土壓力計(jì)算 有均布

4、荷載時(shí)粘性土的主動(dòng)土壓力無(wú)粘性土被動(dòng)土壓力的計(jì)算zKpP無(wú)粘性土被動(dòng)土壓力的計(jì)算()zKqKppzq KpP粘性土被動(dòng)土壓力的計(jì)算2ppPzKc K粘性土被動(dòng)土壓力的計(jì)算2()zKqKc Kpppzq KpP2122ppppEH KqHKcHK21111111aaaaKHKH下上11,22,111aKH22211)(aKHH211aKH1H2H1不同性質(zhì)土層因不同性質(zhì)土層因不同，計(jì)算時(shí)分別不同，計(jì)算時(shí)分別采用不同的土壓力采用不同的土壓力系數(shù)，分層面處豎系數(shù)，分層面處豎向應(yīng)力不變，而土向應(yīng)力不變，而土壓力有突變：壓力有突變：h1h2h301231,12,23,3a1上 a1下 1111112aa

5、aKcKh上2221112aaaKcKh下思考：思考：？ a2上上 a2下下填土為成層土?xí)r的土壓力計(jì)算o 由于各層填土重度不同，使得填土豎向應(yīng)力分布在土層交界面上出現(xiàn)轉(zhuǎn)折o 由于各層填土粘聚力和內(nèi)摩擦角不同，所以在計(jì)算主動(dòng)或被動(dòng)土壓力系數(shù)時(shí)，需采用計(jì)算點(diǎn)所在土層的粘聚力和內(nèi)摩擦角 有地下水時(shí)，墻后有地下水時(shí)，墻后壓力由土壓力和靜水壓壓力由土壓力和靜水壓力共同組成（合力增大，力共同組成（合力增大，影響墻體穩(wěn)定，故墻體影響墻體穩(wěn)定，故墻體設(shè)設(shè)排水孔排水孔），地下水位），地下水位以下取有效重度計(jì)算：以下取有效重度計(jì)算：222221122)(aaaKcKhhh1h20121,12,222hww墻腳處墻

6、腳處 壓應(yīng)力壓應(yīng)力 v墻后壓力合力：土壓力墻后壓力合力：土壓力+靜水壓力靜水壓力填土為成層土?xí)r的土壓力計(jì)算下層應(yīng)為下層應(yīng)為 ,可近似認(rèn)為可近似認(rèn)為,221hKhKhwaa填土中有地下水時(shí)的土壓力計(jì)算o 當(dāng)墻后填土中有水時(shí)，需考慮地下水位以下的填土由于浮力作用使有效重量減輕引起的土壓力減小，水下填土部分采用浮容重進(jìn)行計(jì)算。o 當(dāng)墻后填土有地下水時(shí)，作用在墻背上的側(cè)壓力有土壓力和水壓力兩部分。o 當(dāng)墻后無(wú)粘性填土中地下水位逐漸上升時(shí)，墻背上的側(cè)壓力產(chǎn)生的變化是增大 。o 在計(jì)算作用在墻背上的總壓力應(yīng)包括水壓力和土壓力的作用。填土中有地下水時(shí)的土壓力計(jì)算4. 3庫(kù)倫土壓力理論q 計(jì)算假定：計(jì)算假定：

7、 o 墻后填土處于極限平衡狀態(tài)并沿某一滑動(dòng)面形墻后填土處于極限平衡狀態(tài)并沿某一滑動(dòng)面形成滑動(dòng)土契體；成滑動(dòng)土契體； o 墻后填土為無(wú)粘性土（墻后填土為無(wú)粘性土（c=0)； o 滑動(dòng)契體沿墻背及過(guò)墻踵的平面滑動(dòng)；滑動(dòng)契體沿墻背及過(guò)墻踵的平面滑動(dòng)； o 墻與填土均為剛性。墻與填土均為剛性。庫(kù)侖土壓力理論庫(kù)侖土壓力理論一、主動(dòng)土壓力一、主動(dòng)土壓力 設(shè)墻高為設(shè)墻高為h,填土面傾角填土面傾角 ，墻背與填土摩擦角為，墻背與填土摩擦角為 ，如下圖，滑動(dòng)土契體在，如下圖，滑動(dòng)土契體在三力作用三力作用處處于主動(dòng)極限靜力平衡狀態(tài)（土契體向下滑動(dòng)）：于主動(dòng)極限靜力平衡狀態(tài)（土契體向下滑動(dòng)）：90GREaGEaRhh

8、za=zKahKaEah/3庫(kù)侖主動(dòng)土壓力計(jì)算圖庫(kù)侖主動(dòng)土壓力計(jì)算圖v土壓力作用方向：與墻背法線方向成土壓力作用方向：與墻背法線方向成 角。角。 v土壓力強(qiáng)度分布：沿墻高呈三角形分布。土壓力強(qiáng)度分布：沿墻高呈三角形分布。aazKacaKhE221v墻后深度墻后深度z點(diǎn)處主動(dòng)土壓力強(qiáng)度：點(diǎn)處主動(dòng)土壓力強(qiáng)度：v由力三角形正弦定律得土壓力合力：由力三角形正弦定律得土壓力合力：Ka主動(dòng)土壓力系數(shù)（由主動(dòng)土壓力系數(shù)（由 、 、 、 確確定定 ）楔體在三力作用下處于靜力平衡狀態(tài)，楔體在三力作用下處于靜力平衡狀態(tài)，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180sinsinWEsi

9、nsincossincoscos2122HE令令0ddE得到得到E為極大值時(shí)的破壞角為極大值時(shí)的破壞角cr，代入上式得：，代入上式得：aaKHE221 庫(kù)倫主動(dòng)土壓力系數(shù)查表。庫(kù)倫主動(dòng)土壓力系數(shù)查表。aKaE式中式中填土對(duì)墻背的摩擦角；填土對(duì)墻背的摩擦角； 墻背與水平面的夾角；墻背與水平面的夾角； 墻后填土面的傾角；墻后填土面的傾角； 填土內(nèi)摩擦角。填土內(nèi)摩擦角。擋土墻情況擋土墻情況摩擦角摩擦角墻背平滑、排水不良?jí)Ρ称交?、排水不良?.00.33）墻背粗糙、排水良好墻背粗糙、排水良好（0.330.5） 墻背很粗糙、排水良好墻背很粗糙、排水良好（0.50.67） 墻背與填土間不可能滑動(dòng)墻背與填土

10、間不可能滑動(dòng)（0.671.0） 土對(duì)墻背的摩擦角土對(duì)墻背的摩擦角二、被動(dòng)土壓力二、被動(dòng)土壓力 如下圖，墻背在外力作用下，向后移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)滑動(dòng)，如下圖，墻背在外力作用下，向后移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)滑動(dòng)，土契體在土契體在三力作用下三力作用下處于被動(dòng)極限靜力平衡處于被動(dòng)極限靜力平衡狀態(tài)，同理得被動(dòng)土壓力強(qiáng)度與合力計(jì)算公式：狀態(tài)，同理得被動(dòng)土壓力強(qiáng)度與合力計(jì)算公式：ppKhE221ppzKKp被動(dòng)土壓力系數(shù)被動(dòng)土壓力系數(shù) （由（由 、 、 、 確定確定 ）GREphzp=zKphKpEph/3庫(kù)侖主動(dòng)土壓力計(jì)算圖庫(kù)侖主動(dòng)土壓力計(jì)算圖GEpRhv土壓力作用方向：與墻背法線方向成土壓力作用方向：與墻背法線方向成 角。角

11、。 v土壓力強(qiáng)度分布：沿墻高呈三角形分布。土壓力強(qiáng)度分布：沿墻高呈三角形分布。討論：討論： 庫(kù)侖理論計(jì)算主動(dòng)土壓力接近實(shí)際情況，庫(kù)侖理論計(jì)算主動(dòng)土壓力接近實(shí)際情況，適于設(shè)計(jì)適于設(shè)計(jì)填土為無(wú)粘性的重力式擋土墻填土為無(wú)粘性的重力式擋土墻；被動(dòng)；被動(dòng)土壓力庫(kù)侖理論誤差大，一般不用。土壓力庫(kù)侖理論誤差大，一般不用。 圖解法：圖解法：aKcz20假定若干個(gè)滑動(dòng)面試算，求假定若干個(gè)滑動(dòng)面試算，求出其中最大值，即為主動(dòng)土出其中最大值，即為主動(dòng)土壓力壓力 。aE 該規(guī)范（該規(guī)范（GB50007-2002）推薦的公式采用與楔體試）推薦的公式采用與楔體試算法相似的平面滑裂面假定，得到主動(dòng)土壓力為：算法相似的平面滑

12、裂面假定，得到主動(dòng)土壓力為：aaKHE221主動(dòng)土壓力主動(dòng)土壓力系數(shù)。系數(shù)。aK, c：前者假定擋墻光滑、直立、填土面水：前者假定擋墻光滑、直立、填土面水平；后者假定填土為散體（平；后者假定填土為散體（c=0）。）。：前者應(yīng)用半空間中應(yīng)力狀態(tài)和極限平：前者應(yīng)用半空間中應(yīng)力狀態(tài)和極限平衡理論；后者按墻后滑動(dòng)土楔體的靜力平衡條件導(dǎo)出衡理論；后者按墻后滑動(dòng)土楔體的靜力平衡條件導(dǎo)出計(jì)算公式。計(jì)算公式。：朗肯理論忽略了墻背與填土之間的摩：朗肯理論忽略了墻背與填土之間的摩擦影響，使計(jì)算的主動(dòng)土壓力偏大，被動(dòng)土壓力偏??；擦影響，使計(jì)算的主動(dòng)土壓力偏大，被動(dòng)土壓力偏??；庫(kù)倫理論假定破壞面為一平面，而實(shí)際上為曲

13、面。實(shí)庫(kù)倫理論假定破壞面為一平面，而實(shí)際上為曲面。實(shí)踐證明，計(jì)算的主動(dòng)土壓力誤差不大，而被動(dòng)土壓力踐證明，計(jì)算的主動(dòng)土壓力誤差不大，而被動(dòng)土壓力誤差較大。誤差較大。朗肯土壓力理論的優(yōu)缺點(diǎn) o 朗肯土壓力理論應(yīng)用半空間中的應(yīng)力狀態(tài)和極限平衡理論計(jì)算土壓力，概念比較明確，公式簡(jiǎn)單，應(yīng)用方便，對(duì)于粘性土和無(wú)粘性土都可以用該公式直接計(jì)算，故在工程中得到青睞。但為了使墻后填土中的應(yīng)力狀態(tài)符合半空間應(yīng)力狀態(tài)，必須假設(shè)墻背是直立光滑的，填土面是水平的，因而使其應(yīng)用范圍受到限制，并由于該理論忽略了墻背與填土之間摩擦的影響，使計(jì)算的主動(dòng)土壓力偏大，被動(dòng)土壓力偏小。朗肯與庫(kù)侖土壓力理論的適應(yīng)性o 朗肯理論求得的是

14、墻背各點(diǎn)土壓力強(qiáng)度分布，而庫(kù)侖理論求得的是墻背上的總土壓力 o 朗肯理論適用于填土表面為水平的無(wú)粘性土或粘性土的土壓力計(jì)算o 庫(kù)侖理論只適用于填土表面為水平或傾斜的無(wú)粘性土，對(duì)粘性土只能用圖解法計(jì)算o 被動(dòng)土壓力的計(jì)算常采用朗肯理論o 擋土墻在滿足墻背直立光滑且填土面水平的條件下，庫(kù)侖土壓力理論與朗肯土壓力理論計(jì)算得到的土壓力是一致的 4. 4擋土墻設(shè)計(jì)應(yīng)用擋土墻設(shè)計(jì)擋土墻設(shè)計(jì)一、擋土墻類(lèi)型一、擋土墻類(lèi)型（一）重力式擋土墻（一）重力式擋土墻材料：塊石或素混凝土砌筑；材料：塊石或素混凝土砌筑； 穩(wěn)定：自身重力維持，尺寸大；穩(wěn)定：自身重力維持，尺寸大； 形式：仰斜式、垂直式、俯斜式；形式：仰斜式、

15、垂直式、俯斜式； 特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，施工方便，特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，施工方便， 就地取材；就地取材； 應(yīng)用：一般土坡的擋護(hù)，應(yīng)用：一般土坡的擋護(hù)， 墻身抗拉強(qiáng)度低，墻身抗拉強(qiáng)度低， 墻高不宜過(guò)大；墻高不宜過(guò)大；重力式擋土墻結(jié)構(gòu)重力式擋土墻結(jié)構(gòu) 平衡示意圖平衡示意圖GEaF墻頂墻頂墻趾墻趾墻踵墻踵墻基墻基墻背墻背墻面墻面重力式重力式 擋土墻按擋土墻按墻背傾斜形式又可墻背傾斜形式又可分為如下三種形式：分為如下三種形式： 試比較土壓力大試比較土壓力大小，適用條件小，適用條件a.仰斜式仰斜式b.垂直式垂直式c.俯斜式俯斜式Ea1Ea2Ea1（二）懸臂式（二）懸臂式 擋土墻擋土墻材料材料：鋼筋混凝土；：鋼筋混凝

16、土； 穩(wěn)定穩(wěn)定：懸臂板上填土重力：懸臂板上填土重力 維持；維持； 形式形式：由立臂、墻趾懸臂、：由立臂、墻趾懸臂、 墻踵懸臂三塊板組成；墻踵懸臂三塊板組成； 特點(diǎn)特點(diǎn)：根據(jù)鋼筋砼力學(xué)特性，：根據(jù)鋼筋砼力學(xué)特性， 結(jié)構(gòu)尺寸小，墻高大；結(jié)構(gòu)尺寸小，墻高大； 應(yīng)用應(yīng)用：市政工程，廠礦材：市政工程，廠礦材 料儲(chǔ)庫(kù)。料儲(chǔ)庫(kù)。墻趾懸臂墻趾懸臂墻踵懸臂墻踵懸臂（三）扶臂式（三）扶臂式 擋土墻擋土墻材料材料：鋼筋混凝土；：鋼筋混凝土； 穩(wěn)定穩(wěn)定：懸臂板與扶臂板上：懸臂板與扶臂板上 填土重力維持；填土重力維持； 形式形式：墻高很大時(shí)，立臂：墻高很大時(shí)，立臂 加扶臂墻體抗彎；加扶臂墻體抗彎； 特點(diǎn)特點(diǎn)：鋼筋砼力學(xué)

17、特性，：鋼筋砼力學(xué)特性， 結(jié)構(gòu)尺寸小，墻高大；結(jié)構(gòu)尺寸小，墻高大； 應(yīng)用應(yīng)用：市政工程，廠礦材：市政工程，廠礦材 料儲(chǔ)庫(kù)。料儲(chǔ)庫(kù)。立臂立臂墻趾懸臂墻趾懸臂墻踵懸臂墻踵懸臂扶臂扶臂板樁板樁橫向支撐橫向支撐錨定板錨定板拉桿拉桿灌漿錨桿灌漿錨桿墻面板墻面板建成后的坡間擋土墻二、重力式擋土墻的設(shè)計(jì)與構(gòu)造二、重力式擋土墻的設(shè)計(jì)與構(gòu)造（一）重力式擋土墻的設(shè)計(jì)條件與內(nèi)容（一）重力式擋土墻的設(shè)計(jì)條件與內(nèi)容設(shè)計(jì)條件：設(shè)計(jì)條件： 荷載大小、地質(zhì)條件、填土性質(zhì)、建筑材料等；荷載大小、地質(zhì)條件、填土性質(zhì)、建筑材料等； 設(shè)計(jì)方法：設(shè)計(jì)方法：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)擬定尺寸，然后驗(yàn)算；根據(jù)經(jīng)驗(yàn)擬定尺寸，然后驗(yàn)算； 計(jì)算內(nèi)容：計(jì)算內(nèi)容：

18、穩(wěn)定性驗(yàn)算：抗傾覆與抗滑移；穩(wěn)定性驗(yàn)算：抗傾覆與抗滑移； 地基承載力驗(yàn)算；地基承載力驗(yàn)算； 墻身強(qiáng)度驗(yàn)算。墻身強(qiáng)度驗(yàn)算。（二）重力式擋土墻的構(gòu)造（二）重力式擋土墻的構(gòu)造墻頂寬度：墻頂寬度：砌石：砌石：H/120.5m 混凝土：混凝土：0.20.4m墻底寬度：墻底寬度：H/3H/2墻基埋深：墻基埋深：d 0.5m墻面坡度：墻面坡度：仰斜式：仰斜式：1：0.050.25垂直式：垂直式：1：0.4墻背坡度：墻背坡度：仰斜式：仰斜式： 1：0.25墻底逆坡：墻底逆坡：土質(zhì)地基：土質(zhì)地基： 1：10 巖石地基：巖石地基： 1：5 1、俯斜式重力式擋土墻（a）；2、直立式重力式擋土墻（b）；3、仰斜式重力

19、式擋土墻（c）；4、衡重式重力式擋土墻（c）。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 擋土墻排水條件；不宜采用粘性土，墻后填土宜選擇透水性較強(qiáng)的填料，墻后填土均應(yīng)分層夯實(shí)；每隔1020m應(yīng)設(shè)置一道伸縮縫，伸縮縫寬可取20mm； 泄水孔泄水孔排水明溝排水明溝濾水層濾水層盲溝盲溝黏土夯實(shí)黏土夯實(shí)黏土夯實(shí)黏土夯實(shí)500瀉水孔瀉水孔孔徑：孔徑：100 間距：間距：2 23m 3m 外斜：外斜：5%5%濾水層：級(jí)配砂石濾水層：級(jí)配砂石防水層：黏土夯實(shí)防水層：黏土夯實(shí)砂石或黏土（參塊石）分層夯實(shí)砂石或黏土（參塊石）分層夯實(shí)重力

20、式擋土墻重力式擋土墻構(gòu)造示意圖構(gòu)造示意圖（三）重力式擋土墻的（三）重力式擋土墻的穩(wěn)定性驗(yàn)算穩(wěn)定性驗(yàn)算EaEanEatG GtGn0抗滑移穩(wěn)定驗(yàn)算示意圖抗滑移穩(wěn)定驗(yàn)算示意圖1.抗滑移穩(wěn)定驗(yàn)算抗滑移穩(wěn)定驗(yàn)算擋土墻受力擋土墻受力土土 壓壓 力力 墻體重力墻體重力受力分析：受力分析：沿墻底滑動(dòng)面將力分解為正壓力沿墻底滑動(dòng)面將力分解為正壓力與滑動(dòng)力：與滑動(dòng)力：3 .1)(tatannsGEEGK滑動(dòng)力抗滑力土對(duì)墻摩擦系數(shù)土對(duì)墻摩擦系數(shù)抗傾穩(wěn)定驗(yàn)算示意圖抗傾穩(wěn)定驗(yàn)算示意圖2.抗傾覆穩(wěn)定驗(yàn)算抗傾覆穩(wěn)定驗(yàn)算擋土墻受力擋土墻受力土土 壓壓 力力 墻體重力墻體重力EaEazEaxG 0 x fx 0z f0對(duì)墻趾

21、點(diǎn)將力分解為豎向力對(duì)墻趾點(diǎn)將力分解為豎向力與水平力：與水平力：6.10faxfaztzExEGxK傾覆力矩抗傾力矩【例【例5-3】某擋土墻高】某擋土墻高5m，墻背垂直光滑，填土表面，墻背垂直光滑，填土表面作用有均布荷載，作用有均布荷載，= 18kN/m3 ， =30， c1=0。采用。采用MU30毛石毛石M5混合砂漿砌筑，基底摩擦系混合砂漿砌筑，基底摩擦系=0.5，砌體，砌體重度重度= 22kN/m3 。試設(shè)計(jì)擋土墻構(gòu)造尺寸。試設(shè)計(jì)擋土墻構(gòu)造尺寸?！窘狻扛鶕?jù)設(shè)計(jì)條件，應(yīng)用朗肯理論計(jì)算：【解】根據(jù)設(shè)計(jì)條件，應(yīng)用朗肯理論計(jì)算：根據(jù)構(gòu)造要求擬定斷面尺寸：根據(jù)構(gòu)造要求擬定斷面尺寸：墻頂寬度：墻頂寬度：0.8m H/12(0.5m)墻底寬度：墻底寬度：3.0m H/3 H/2取取1m墻長(zhǎng)為計(jì)算單元計(jì)算自重：墻長(zhǎng)為計(jì)算單元計(jì)算自重：G1=0.53.01.022=33kN4.5m 0.5m 0.8m G1G2G3G43.0m1.7