建筑地基基礎設計方法及實例分析08-擋土墻

建筑地基基礎設計方法及實例分析（八）2019年度注冊結(jié)構(gòu)師繼續(xù)教育4.1

基本要求4.2

重力式擋土墻4.3懸臂式擋墻和扶壁式擋墻

4.4地下室擋墻4.5常見問題與案例1擋土墻應用擋土墻的設計歸屬問題：目前通常做法，與建筑物有關(guān)的擋土墻設計由注冊結(jié)構(gòu)師完成；對特別重要的擋土墻設計，建議由注冊巖土工程師完成或者由兩者共同完成。2擋土墻類型按材料分類毛石、磚、混凝土和鋼筋混凝土。按結(jié)構(gòu)形式分類重力式擋墻懸臂式擋土墻扶壁式擋墻地下室擋墻板樁式擋墻錨定板或錨桿式擋墻加筋土擋土墻3擋土墻類型選擇

考慮土層構(gòu)成、地下水情況、地基承載力和壓縮性、施工條件、經(jīng)濟和美觀。

4擋土墻平面布置

增強結(jié)構(gòu)的空間剛度

弧線型，轉(zhuǎn)折墻

擋土墻與建筑結(jié)構(gòu)形成空間結(jié)構(gòu)5擋土墻墻背填土選擇顆粒材料

力學性質(zhì)穩(wěn)定，滲透性好

優(yōu)先

黏性土

與含水量相關(guān)，透水性差

禁止高塑性土

細粒土

易凍脹，滲透性小

非寒冷區(qū)，排水措施6擋土墻土壓力

土壓力是擋土墻的主要荷載

根據(jù)墻的位移情況和墻后土體所受的應力狀態(tài)分為：主動土壓力，被動土壓力，靜止土壓力

影響因素：填土性質(zhì)、填土過程、墻的剛度和形狀、墻的位移。

特殊情況，考慮水壓力、超載房屋車輛引起的附加應力、地震力（F=kG）一、

土壓力的類型根據(jù)擋土墻的模型試驗，發(fā)現(xiàn)土壓力在擋土墻向前移動、向后移動或靜止不動時的大小不同，由此根據(jù)擋土墻可能移動的方向，將土壓力分為三種類型：3.被動土壓力1.靜止土壓力2.主動土壓力1.靜止土壓力

擋土墻在土壓力作用下，處于靜止不動的狀態(tài)即位移為零時，墻后土體處于彈性平衡狀態(tài)，此時墻所受的土壓力稱為靜止土壓力，用E0表示。2.主動土壓力墻體外移或外傾，作用于墻上的土壓力逐漸減小，當位移達一較小值時，墻后土體開始破壞，達到主動極限平衡狀態(tài)時所對應的土壓力稱為主動土壓力，用Ea表示。3.被動土壓力墻體向填土方向移動（內(nèi)移或內(nèi)傾），作用于墻上的土壓力逐漸增大，當位移達一較大值時，墻后土體開始破壞，達到被動極限平衡狀態(tài)時所對應的土壓力稱為被動土壓力，用Ep表示。擋土墻位移與土壓力的關(guān)系三種土壓力大小的比較相同條件下：Ep>E0>Ea三種土壓力位移的比較被動土壓力：密實砂土Δ≈5%H密實粘土Δ≈10%H主動土壓力：密實砂土Δ≈0.5%H密實粘土Δ≈2%H靜止土壓力：

Δ=0基本原理表面水平的地基內(nèi)某一深度z處M點的應力狀態(tài):σ1=σcz=γzσ3=σcx=k0γz此時該點處于彈性平衡狀態(tài)。朗金假設用一個墻背垂直光滑的剛性擋土墻取代M點的左半部，據(jù)墻背光滑假定，土單元無剪應力，應力狀態(tài)不變主動土壓力

a

cx

cz

主動極限平衡狀態(tài)

當擋土墻向前移動，M點的σcz保持不變，水平應力σcx

逐漸減小，直至達最小值σcx=σa，此時墻后土體處于主動極限平衡狀態(tài)，極限應力圓與強度包線相切，土中形成一組滑裂面，滑裂面與水平面的夾角為α=45?+

／2。45?＋

/245?－/2被動極限平衡狀態(tài)被動土壓力當擋土墻向后移動擠壓土體，M點的σcz仍然不變，水平應力σcx

逐漸增大并超過σcz

成為σ1

,直至達最大值σcx=σp此時σcz=σ3,墻后土體處于被動極限平衡狀態(tài)，極限應力圓與強度包線相切，土中形成一組滑裂面，滑裂面與水平面的夾角為α=45?-

／2。

σczσcxσp被動極限平衡應力狀態(tài):被動土壓力主動極限平衡應力狀態(tài):主動土壓力EaK0

v

v

Ep

a

p

v

vKa=tan2(45

-f/2)Ka----主動土壓力系數(shù)Kp=tan2(45

+f/2)Kp----被動土壓力系數(shù)1.無粘性填土（c=0）HH/3

HKa主動土壓力分布45?＋/2令Ka=tan2（45?-

／2）--主動土壓力系數(shù)總的主動土壓力為：Ea作用點滑裂面方向主動土壓力的計算2.粘性填土（c≠0）HKaHKa-2cKaZ0Ea2cKa(H-Z0)/3主動區(qū)粘性土主動土壓力分布z<z0

拉應力，開裂z>z0

粘性填土HKa

HKa-2cKaZ0Ea2cKa(H-Z0)/3總主動土壓力:作用點距墻底：（H–z0）／345－/2被動土壓力的計算1.無粘性填土（c=0）滑裂面方向令Kp

=tan2（45?+

／2）--被動土壓力系數(shù)HH/3HKpEp總的被動土壓力為：作用點粘性土被動土壓力分布2.粘性填土（c≠0）令Kp

=tan2（45?+

／2）--被動土壓力系數(shù)Ep1Ep2總的被動土壓力為：作用點在梯形形心處。45－/2滑裂角朗金主動土壓力分布形式無粘性土：主動土壓力大小與深度成正比沿擋土墻高為三角形分布粘性土：主動土壓力由兩部分組成：一部分由土體自重引起沿擋土墻高為三角形分布一部分由粘聚力引起的拉力沿擋土墻高為矩形分布與深度無關(guān)實際土壓力為三角形分布粘性土無粘性土朗金被動土壓力分布形式無粘性土：被動土壓力大小與深度成正比沿擋土墻高為三角形分布粘性土：被動土壓力由兩部分組成：一部分由土體自重引起沿擋土墻高為三角形分布一部分由土粘聚力引起沿擋土墻高為矩形分布與深度無關(guān)實際土壓力為梯形分布無粘性土粘性土

工程中幾種常見情況的主動土壓力計算一.填土上有連續(xù)均布荷載二.成層填土情況三.填土中有地下水

1=gz+q

a=

3=qKa+gzKaHZ

1

3qKaHKaq1)填土上有連續(xù)均布荷載無粘性填土主動土壓力由兩部分組成:一部分由土的自重產(chǎn)生,沿墻高呈三角形分布；一部分由均布荷載產(chǎn)生,沿墻高呈矩形分布；二者疊加成梯形分布圖形

總主動土壓力為：作用點在梯形形心處2)填土中有地下水當填土中有地下水時，墻背上作用有土壓力和水壓力。計算時假定水位上下

值相同，地下水位下采用有效重度γ′，則土壓力分布在地下水位處發(fā)生“轉(zhuǎn)折”。無粘性填土總土壓力:KagH1+KagH2gwH2KagH1總壓力為土壓力與水壓力之和:

E=Ea

+Ew水壓力土壓力CBAg1

1g2

2H2H12)成層填土

2

>

1:Ka1>Ka2

2

<

1:Ka1

<

Ka2

A點:σ1=0σa=0B點上下土壓力系數(shù)不同B點上:σ1=γ1H1σa=γ1H1Ka1

B點下:σ1=γ1H1σa=γ1H1Ka2C點:σa=(γ1H1+γ2H2)Ka2無粘性填土小結(jié):

成層填土由于不同土層的

值不同，主動土壓力系數(shù)不同，故土壓力分布在層面處有“突變”。1)墻后填土為無粘性土；

2)滑動面為通過墻踵的平面；

3)破壞土楔ABC視為剛體，不考慮土楔內(nèi)部的應力與變形基本假定θβＡＢＣε基本原理θθ主動極限平衡狀態(tài)被動極限平衡狀態(tài)根據(jù)擋墻向前或向后位移,滑動土楔向下或向上移動時,土體達極限平衡狀態(tài),由楔體靜力平衡條件求解主動或被動土壓力。應用范圍1)墻背傾斜，傾角為ε；

2)墻背粗糙，與填土間的摩擦角為δ（外摩擦角）；

3)填土表面傾斜傾角為β。θβＡＢＣε主動土壓力擋土墻向前移動土體達主動極限平衡狀態(tài)時，滑動楔體ABC向下滑動，作用在土楔上的力有：1）楔體ABC的重量W

方向垂直向下，大?。篧=0.5γ×BC×AD2)滑動面BC上的反力R

大小:未知方向:在BC面法線下方,

與法線夾角為

θβＡＢＣεDWRE

δH3)墻背AB面對滑動楔體的反力E大小:未知方向:在AB面法線下方,與法線

夾角為δ主動土壓力θβＡＢＣεDWRE

δH滑動土楔在三力作用下處于平衡狀態(tài)，構(gòu)成的力三角形必然閉合。已知重力Ｗ的大小和方向以及反力Ｅ和Ｒ的方向，可由三角形的正弦定理求解WRE（θ-

）

ψ

=（90?-δ-ε）主動土壓力

上式中滑動面BC的傾角θ未知，當假設的滑動面位置不同，θ、Ｗ和Ｅ都將隨之而改變，因此Ｅ是θ的函數(shù)，取若干滑動面θi，可通過微分學中求極值的方法確定理論破裂角θcr：θβＡＢＣεDWRE

δHθcr式中:ε——墻背與垂直線的夾角，以垂直線為準，順時針為負，逆時針為正；δ——墻背面與填土之間摩擦角；β——填土表面與水平面的夾角。ε+δ作用點:

H/3Ea方向：與水平面成（ε+δ）角當b=d=a=0時，即：墻背光滑垂直，填土表面水平時與朗金土壓力理論一致由庫侖土壓力公式可知：主動土壓力與墻高H（z）成正比?？蓪a對z求導，得到土壓力的分布：Eaε+δ由此可見：主動土壓力為三角形分布

被動土壓力

擋土墻向后移動土體達被動極限平衡狀態(tài)時，滑動楔體ABC向上滑動，作用在土楔上的力有：1）楔體ABC的重量W

方向垂直向下，大?。篧=0.5γ×BC×AD2)滑動面BC上的反力R

大小:未知

方向:在BC面法線上方,

與法線夾角為

θβＡＢＣεDWRE

δH3)墻背AB面對滑動楔體的反力E

大小:未知

方向:在AB面法線上方,與法線

夾角為δ求解方法類似主動土壓力,根據(jù)構(gòu)成的力三角形閉合求E。取若干滑裂面

不同,求極值令dE/d

=0，求得

cr

，得到：被動土壓力土壓力分布合力作用點：距墻底（1/3）H處。合力方向：與水平面成（δ-ε）角被動土壓力

土壓力計算的討論庫侖土壓力公式中當b=d=a=0時，即：墻背光滑垂直，填土表面水平時與朗金土壓力理論一致所以,朗金土壓力理論是庫侖理論的特例*朗金和庫侖土壓力理論的比較#分析方法區(qū)別朗金庫侖

極限平衡狀態(tài)土體內(nèi)各點均處于極限平衡狀態(tài)剛性楔體,滑面上處于極限平衡狀態(tài)極限應力法滑動楔體法#應用條件朗金庫侖1墻背光滑垂直填土水平墻背、填土無限制粘性土一般用圖解法2坦墻坦墻3墻背垂直填土傾斜#計算誤差--朗金土壓力理論墻背垂直實際

d>0朗金主動土壓力偏大朗金被動土壓力偏小#計算誤差--庫侖土壓力理論由于實際滑裂面不一定是平面主動土壓力偏小一點不一定是最大值被動土壓力偏大不一定是最小值#計算誤差---與理論計算值比較#計算誤差---與理論計算值比較#計算誤差--與理論計算值比較

=0滑裂面是直線，三種理論計算Ka,Kp相同

0Ka

朗金偏大10%左右，工程偏安全 庫侖偏小一些（可忽略)；

Kp

朗金偏小可達幾倍； 庫侖偏大可達幾倍;在實際工程問題中，土壓力計算是比較復雜的。高大擋土墻實際土壓力將大于理論計算值，且其分布情況與理論分布也大有區(qū)別。高大擋土墻的土壓力總是接近于靜止土壓力值。

k0=1－sinφ

擋土墻上土壓力的修正φ一般在10o～30o之間，則1+sinφ實質(zhì)上為1.2～1.5之間

擋土墻后回填土土壓力分布墻身水平位移控制擋土墻的穩(wěn)定性驗算設計：擋土墻的穩(wěn)定性驗算主要受滑動穩(wěn)定控制現(xiàn)實：傾覆穩(wěn)定出現(xiàn)的事故又占有很大的比例主要原因：土壓力實際上不是線形分布的計算的傾覆力矩較實際值小原規(guī)范取1.5的安全系數(shù)，實際上只有1.2左右解決方案方案1：將土壓力分布改成上圖中虛線的分布圖式，即上面高度一半處為三角形分布，下面為矩形分布；方案2：將安全系數(shù)適當提高，由原來的1.5增大成1.6。（現(xiàn)規(guī)范采用方案）4有限填土條件下的土壓力陡竣的巖石邊坡，其坡角θ大于庫侖破裂面的傾角（45o+φ/2），此時墻后填土稱為有限填土。有限填土條件下的土壓力，一般都大于主動土壓力，介于主動土壓力與靜止土壓力間?？刹捎眯w極限平衡條件求得。4有限填土條件下的土壓力5樁（肋柱）間擋板的土壓力計算3構(gòu)造設計

1）高度，小于8m2）埋深，基底逆坡（土1:10，巖1:5）3）寬度，“擋土墻不用算，寬是高之半”4）伸縮縫、沉降縫5）排水措施4設計建議減少土壓力：填料、填筑質(zhì)量、墻背形式、減壓平臺、排水措施。提高抗滑能力：基底逆坡，墻趾鋸齒臺階，擴大底寬，

基礎底面夯填碎石

提高抗傾覆：改變墻胸墻背坡度，墻背衡重臺，增大底寬

提高地基承載力：設置墻趾臺階增大底寬，地基處理，樁基懸臂式和扶壁式擋墻的設計要點和建議1、屬于高度較大的擋土墻，用于比較重要的位置，結(jié)構(gòu)設計時應采用合理的結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0和土壓力增大系數(shù)Ψc。2、結(jié)構(gòu)計算建議采用電算或者按《建筑結(jié)構(gòu)靜力計算手冊》計算，簡化計算可在初步設計時估算。3、按《手冊》計算時，取混凝土的泊松比為1/6，注意扶壁的計算跨度，適當考慮墻板的塑性內(nèi)力重分布。4、結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算時考慮荷載效應基本組合，乘1.35，一般按永久荷載控制的組合驗算；擋墻穩(wěn)定及地基承載力計算時取荷載效應標準組合。地下室擋土墻的土壓力分布（1）在基礎、樓層和地下室頂板處的擋土墻側(cè)向位移受到約束，此處可取靜止土壓力系數(shù)k0

（2）土壓力系數(shù)曲線如圖，可簡化為兩端k0，中間ka地下室擋土墻的設計要點及建議

1、靜止土壓力的確定，k0=0.5適用于填土較好情況；如果考慮墻體中部的平面外變形，土壓力系數(shù)可以適當減小。2、地下室外墻設計時，通常需考慮消防車道汽車輪壓等特殊荷載，需考慮輪壓的合理擴散，與覆土厚度有關(guān)。3、地下室外墻設計，應采用考慮塑性內(nèi)力重分布的方法，進行截面配筋、構(gòu)件的抗裂和撓度驗算。4、相鄰地下室擋墻之間的有限土壓力問題，建議仍取k0。一、地下室外墻設計時，消防車荷載取值不正確1．原因分析1）占地面積按規(guī)范規(guī)定最小間距考慮2）消防車荷載為直接作用在樓板上的等效均布荷載3）土對車輪壓的擴散作用具有空間擴散的特點2．設計建議1）應考慮對車輪壓的擴散作用2）車輪壓對地下室外墻的荷載分布為上大下小、擴散面積為上小下大的立體體積（圖8.4.5）3）覆土厚度足夠時，按表8.4.4中平均重量計算土壓力4）外輪廓線平齊時，考慮消防車作業(yè)時與建筑物實際距離二、地下室外墻設計時，未考慮永久性護坡樁對減小土壓力的有利影響1．原因分析永久性護坡樁能減小地下室外墻土壓力2．設計建議1）考慮兩者共同作用時，按靜止土壓力系數(shù)的2/3計算土壓力2）對邊坡支擋結(jié)構(gòu)，考慮共同作用，土壓力系數(shù)乘以2/3計算土壓力三、地下室外墻設計時，當墻高超過5m時，仍按邊坡支擋結(jié)構(gòu)的要求采用土壓力放大系數(shù)1．原因分析1）邊坡支擋結(jié)構(gòu)采用放大土壓力系數(shù)的方法進行彌補2）地下室外墻采用靜止土壓力2．設計建議地下室外墻高超過5m時，不放大土、水壓力，一般土壓力系數(shù)取0.5

四、地下室擋土墻基礎設計時，未考慮土壓力的影響

1．原因分析1）既承受豎向荷載又承受土壓力引起的彎矩2）布置基礎時應考慮豎向荷載和墻底彎矩的共同作用2．設計建議1）條基加防水板基礎，基礎的中心點與合力作用點重合2）墻下筏板基礎，筏板考慮豎向荷載和墻底彎矩的共同作用

五、抗震設計的地下室永久性抗震