支挡结构讲义

主讲：刘昌清电话：[e-mail]参考资料李海光：新型支挡结构设计与工程实例易思蓉：铁道工程第一章前言铁路组成：线路工程（线路、路基、轨道、桥梁、隧道）车站（车站、编组站、车辆维修段）机车（牵引动力、机车车辆）第一章前言铁路路基：路基本体（路堤、路堑）路基防护和加固建筑物路基排水设施路基基础（地基处理）支挡结构是用来支撑陡坡以保持土体稳定性的一种建筑物。支挡结构包括重力式支挡结构、轻型支挡结构和抗滑支挡结构等几种形式。在土木工程中，支挡结构的应用是十分广泛。第一章前言第一章前言土压力是作用在支挡结构上的主要力系。正确求解作用在墙背上的土压力(包括土压力的大小、方向与压力分布规律)是支挡结构设计的关键。第一章前言支挡结构的设计应保证支挡结构具有足够的强度和稳定性。即应当保证：在结构自重和外力作用下保证结构的外部稳定性（整体稳定性）和内部稳定性（自身稳定性）如对于重力式挡土墙：不发生全墙的滑动和倾覆，并保证墙身每一截面和基底应力与偏心距均不超过容许值。第一章前言一、支挡结构的作用（1）当山区地面横坡过陡时，常在路基下侧边坡设置挡土墙，或在靠山侧设置路堑挡土墙以降低路堑高度，这样可以减少土石方工程数量同时避免由于破坏天然植而引起灾害；（2）在平原地区，为了节约用地，往往也在路基一侧或两设置挡土墙；第一章前言一、支挡结构的作用（3）在滨河地段或有建筑物时，修建挡土墙可以收回坡脚，以避免冲刷威协或避开建筑物；（4）当高路堤、深路堑土石方大、取弃土困难时，也可设置挡土墙以减小土石方数量；（5）挡土墙还经常用来整治崩坍、滑坡等路基病害。第一章前言一、支挡结构的作用在考虑设置支挡结构时，应与其他建筑物（如桥梁、隧道或明洞等）进行方案比较，在技术经济合理时，才考虑采用支挡结构方案。第一章前言二、支挡结构的分类（1）按结构形式分类重力式支挡结构轻型支挡结构第一章前言二、支挡结构的分类重力式支挡结构：这种支挡结构在土压力的作用下的稳定性主要靠结构的自重及墙顶的恒载来维持。又分为重力式挡土墙和衡重式挡土墙两种。重力式和衡重式挡土墙第一章前言第一章前言轻（新）型支挡结构：采用钢筋混凝土构件组成的轻型挡土墙。钢筋混凝土悬臂式挡土墙加筋土挡土墙锚定板挡土墙锚杆（索）挡土墙对拉式挡土墙卸荷板式挡土墙第一章前言轻（新）型支挡结构轻型支挡结构的特点圬工省造价低便于拼装化施工第一章前言二、支挡结构的分类（2）根据建筑材料的不同分类石砌挡土墙混凝土挡土墙钢筋混凝土挡土墙第一章前言二、支挡结构的分类（3）根据墙背的倾斜方向分类俯斜式挡土墙仰斜式挡土墙垂直挡土墙第一章前言二、支挡结构的分类（4）根据在路基横断面上的位置路肩式挡土墙路堤式挡土墙路堑式挡土墙第一章前言二、支挡结构的分类（5）其他形式抗滑挡土墙车站内的站台墙拦石等第一章前言三、重力式挡土墙的构造1墙身构造重力式挡土墙由墙身、基础和墙帽三部分组成第一章前言三、重力式挡土墙的构造墙胸坡度对墙高的影响第一章前言三、重力式挡土墙的构造沉降缝与伸缩缝为避免因地基不均匀沉陷而引起墙身开裂，根据地基地质条件的变异和墙高、墙身断面的变化设置沉降缝。为了防止圬工砌体因收缩硬化和温度变化而产生裂缝，应设置伸缩缝，一般在设计时将沉降缝和伸收缝合并设置。第一章前言三、重力式挡土墙的构造沉降缝与伸缩缝第一章前言三、重力式挡土墙的构造2．排水措施挡土墙排水措施的作用在于疏干墙后土体和防止地表水下渗后积水。排水措施包括：（1）设置地面排水沟，截引地表水；（2）夯实回填土顶面和地表松土，防止雨水和地面水下渗，必要时可加设铺砌；（3）设置一排或数排泄水孔第一章前言三、重力式挡土墙的构造泄水孔泄水孔的尺寸一般为0.05m×0.10m、0.10m×0.10m、0.15m×0.20m的方孔或直径为0.05m～0.10m的圆孔。孔眼间距一般为2m～3m，上下左右交错设置。最下一排泄水孔应高出地面；如为路堑挡土墙，应高出侧沟内的水位0.30m；浸水挡土墙则应高出常水位0.3m。第一章前言三、重力式挡土墙的构造反滤层若墙后填料的透水性不良，为了防止孔道淤塞，应在最低一排泄水孔至墙顶以下0.5m高度以内，填筑不小于0.3m厚的砂砾石或无砂混凝土块板或土工织物作反滤层。第一章前言三、重力式挡土墙的构造泄水孔与反滤层第一章前言三、重力式挡土墙的构造3．基础埋置深度墙趾埋入斜坡地面的最小尺寸（m）岩层类别hL嵌入示意图较完整的坚硬岩层0.250.25～0.5一般硬质岩层0.600.6～1.5软质岩层1.001.0～2.0土≥1.001.5～2.5第二章支挡结构设计中的土压力计算经典土压力理论库伦土压力理论及其在铁路挡土墙中的应用大俯斜墙背的主动土压力━━第二破裂面法折线型墙背土压力计算粘性土土压力计算土压力计算中存在的问题一、经典土压力理论—概论土压力，是土体作用在支挡建筑物上的侧压力的简称。支挡建筑物设计的关键是土压力的计算，包括土压力的大小、方向与压力分布规律等。土压力的计算是一个十分复杂的问题。它涉及到填料、墙身以及地基三者之间的共同作用。土压力不仅与墙身的几何尺寸、墙背的粗糙度以及填土的物理、力学性质、填土的顶面形状和顶部的外荷载有关，而且还与墙及地基的刚度、墙后填土的施工方法有关。第二章支挡结构设计中的土压力计算第二章支挡结构设计中的土压力计算一、经典土压力理论—概论土压力的计算方法1733年：法国库伦（C.A.Coulomb）提出的库伦理论1857年：英国朗金（W.J.Rankine）提出的朗金理论。这两种理论均基于土体的极限平衡条件来确定土压力，计算较为简单，并能在一定范围内求得较为符合实际的结果。第二章支挡结构设计中的土压力计算一、经典土压力理论—概论由于经典土压力理论未涉及土体本身的应力～应变关系，因而无法计算出结构的变形情况，同时由于它们均以松散介质为假定前提，在应用到粘性填土上时，虽然后人进行了若干修正和补充，到目前仍未得到很满意的解答。而对于轻型结构，由于墙型的特点，其受力状态不能完全用主动极限状态或被动极限状态来描述，因而计算方法比较混乱。土压力计算方法的研究，仍然是当前迫切需要解决的问题之一。第二章支挡结构设计中的土压力计算一、经典土压力理论（一）极限平衡理论土压力的大小与墙身位移的方向和大小有关，一般变化于两个极限值之间。古典的土压力理论，主要是研究三个限界土压力，即静止土压力，主动土压力，被动土压力。后两种土压力是极限状态下的土压力。一、经典土压力理论土压力与墙身位移的关系第二章支挡结构设计中的土压力计算第二章支挡结构设计中的土压力计算一、经典土压力理论1．静止土压力E0原状的天然土体中，土体处于静止的弹性平衡状态，这时的土压力为静止土压力。在无侧向变形的弹性平衡半无限体中，如果顶面为水平，则任一水平面和铅垂面均为主平面。如铅垂面的一侧为支挡建筑物,则这个铅垂墙面并不改变半无限体的应力状态。第二章支挡结构设计中的土压力计算一、经典土压力理论在任一深度h处，土的铅垂方向：水平侧压力：式中：静止侧压力系数；侧向膨胀系数或泊松比；填土容重，kN/m3。hZ1hhKKZX1003K0第二章支挡结构设计中的土压力计算一、经典土压力理论静止侧压力系数由试验得到。但目前试验测定的设备和方法都还不够完善，所得结果还不能令人满意。许多学者用一些半经验公式来近似地计算静止侧压力系数，但均有其局限性，目前在设计中一般采用雅基（Jaky）公式，即K001sin第二章支挡结构设计中的土压力计算一、经典土压力理论2．主动土压力当挡土墙在侧压力作用下，向离开土体方向产生一个微小的位移（平移或转动），土体出现向下向外滑动的趋势，土体及墙背逐渐增大的抗剪力抵抗这一滑动的产生，土体侧压力逐渐减小。当位移达到某一数值，土的抗剪强度完全发挥，土体中即将出现滑动面，土压力减小到最小值，土体便处于极限平衡状态，称为主动极限平衡状态，其土压力称为主动土压力。aEEa第二章支挡结构设计中的土压力计算一、经典土压力理论3.被动土压力当挡土墙受外力作用挤向土体方向产生一个位移（平移或转动），土体出现向上向内滑动的趋势，同样土体及墙背逐渐增大的抗剪力阻止这一滑动的产生土体侧压力逐渐增大，当位移增大到某一数值，土的抗剪强度完全发挥，土体中即将出现滑动面，土压力增大到最大值，土体便处于被动极限平衡状态，其土压力称为被动土压力。pEpE第二章支挡结构设计中的土压力计算一、经典土压力理论由于墙身位移不同的影响，土体的应力应变状态不同，使土压力的大小和方向产生变化。主动土压力是最小极限值，而被动土压力是最大极限值，静止土压力介于两者之间，即。支挡结构中，可以按照上述概念，依据外力作用下可能出现的位移情况来判断所产生的土压力属于那一种。paEEE0第二章支挡结构设计中的土压力计算一、经典土压力理论多数结构可用上述三种限界土压力来进行计算。如重力式挡土墙，墙身有被土体向外挤动的可能，墙背承受的是主动土压力，一般桥台亦是如此。隧道、地下洞室、涵洞等的侧墙不会产生位移的建筑物，承受的是静止土压力。拱桥桥台，挡土墙趾前部，由于系挤压土体，承受的则是被动土压力。第二章支挡结构设计中的土压力计算一、经典土压力理论在实际工程设计中，由于以不同的方式考虑了一定的安全系数，因此，墙后土体实际上是不会达到主动极限状态的，墙背实际承受的土压力并不是主动土压力，而是介于主动土压力和静止土压力之间的某一数值，但这并不影响以主动土压力作为设计挡土墙荷载的合理性，因为挡土墙稳定破坏前，墙身必定产生相当的位移，此时墙后土体的应力状态趋近于主动极限状态。第二章支挡结构设计中的土压力计算一、经典土压力理论一些轻型支挡结构，如加筋土挡土墙、锚杆挡土墙、对拉挡土墙等的墙面系与其后填料之间，以及衡重式挡土墙上墙墙背与填料之间，它们的相对位移均很微小，始终不可能达到极限状态所需的位移，因此，其土压力较主动土压力大，即为介于主动土压力与静止土压力之间的某一土压力值，因而采用主动极限状态时的主动土压力是不合适的。这可从大量的试验和现场实测资料中得到证明。这类土压力的计算方法是当前急需解决的问题，因为它的大小与位移有直接的关系，而经典理论是无法通过产生的位移量来计算土压力的，目前许多人都在研究这一课题。第二章支挡结构设计中的土压力计算一、经典土压力理论除采用一些经验方法外，目前较多的是采用有限元法来计算，从所取得研究成果来看，有限元方法不失为一种好的方法。第二章支挡结构设计中的土压力计算一、经典土压力理论根据研究途径的不同，有关极限平衡状态下的土压力理论，可以分成两类：（1）库伦理论（2）朗金理论第二章支挡结构设计中的土压力计算一、经典土压力理论（1）库伦理论：假定破裂面形状，依据极限状态下破裂棱体的静力平衡条件来确定土压力，这是研究土压力的一种简化理论，计算简便，能适用于各种复杂的边界条件，而且在一定的范围内能得出比较满意的解答，因此应用很广泛。第二章支挡结构设计中的土压力计算一、经典土压力理论（2）朗金理论：假定土为松散介质，依据土中一点的极限平衡条件确定土压力强度和破裂面方向。朗金理论较为严谨，但它只能考虑比较简单的边界条件，在应用上受到很大限制。第二章支挡结构设计中的土压力计算二、库伦土压力理论1．库伦土压力理论的基本假定（1）墙后填料系粗粒土；（2）当墙产生微小位移（移动或转动）时，墙后土体中形成破裂棱体，并沿墙背和土中出现的破裂面滑动，土中的破裂面为一平面；（3）墙身及破裂棱体均视为刚体，在外力作用下无压缩或膨胀变形；（4）土压力的方向，与墙背法向成角（墙背与填土间的摩擦角），破裂面反力R与破裂面法线成角，并均偏向阻止棱体滑动的一侧。第二章支挡结构设计中的土压力计算二、库伦土压力理论2．库伦主动土压力公式第二章支挡结构设计中的土压力计算二、库伦土压力理论根据上述假定，将破裂棱体作为分离体，棱体上作用三个力Ea，G，R及作用方向如图，当棱体为刚体并处于极限平衡状