岩土工程设计-挡土墙(许强)

岩土工程设计—挡土墙(许强)第一页，共124页。滑坡灾害防治工程阶段划分滑坡工程地质勘察滑坡防治方案设计滑坡防治工程施工滑坡防治竣工验收工程治理搬迁避让监测预警防治方案可行性研究防治方案初步设计防治方案施工图设计6.1绪论第二页，共124页。工程地质条件稳定性评价及推力计算治理工程方案分项设计治理工程方案工程投资估(估、概、预）算施工组织设计治理工程的效益分析设计步骤及设计报告主要内容第三页，共124页。复杂形态和结构的斜坡稳定性分析一般都采用极限平衡条分法。6.2滑坡稳定性及推力计算

第四页，共124页。(1)极限平衡假设：当坡体的强度指标降低Fs倍以后，坡体内存在一达到极限平衡状态的滑面，滑体处于临界失稳状态。其中，Fs为坡体的安全系数。(2)条块刚性假设：对滑体进行剖分后，各条块为刚性块体，只发生整体运动而不产生条块内部的变形。6.2.1极限平衡条分法的基本假设：第五页，共124页。6.2.2极限平衡方程的求解

对于有n个条块的滑体来说，在极限平衡状态下，滑体的未知量有：(1)安全系数Fs，1个；(2)条块底面(滑面)上的法向力Ni，切向力Si及合力作用点，共3n个；(3)条分面上的法向力Ei，切向力Ti及合力作用点，共3n-3个；因此，整个滑体就有6n-2个未知量。

第六页，共124页。NiSiEiTi第七页，共124页。而对于每一个条块而言，可以建立的方程有4个，其中三个为平衡方程：另一个为在滑面上满足摩尔–––库仑准则的破坏方程(极限平衡方程)：4n第八页，共124页。已知量：4n个未知量：6n-2个

2n-2个？

这是一个超静定问题，求解此方程组有两条途径：(1)引入变形协调条件，增加方程数；(2)通过对多余变量或相互之间的关系进行假定，以减少变量数。极限平衡法常采用第二种方法求解，并且一致认可当条块宽度足够小时，可以认为底滑面合力作用点位于底滑面中心，这就减少了n个未知量。目前的极限平衡各种算法的不同之处也就在于对其余n-2个变量的处理上。第九页，共124页。极限平衡条分法对多余变量的简化假定瑞典条分法条块间无作用力斯宾塞法条块间只有水平作用力简化毕肖普法条块间水平(E)与垂直(T)作用力之比为常数江布法假定了条间作用力作用点的位置传递系数法假定了条间作用力的方向萨尔玛法假定条间也满足极限平衡条件，可以任意条分分块极限平衡法假定条间也满足极限平衡条件，但需垂直条分摩根斯坦––普赖斯法条间切向力(T)和法向力(E)之比与水平方向坐标之间存在一函数关系:T/E=Kf(x)常见条分法及其相应的假定第十页，共124页。

1）选择合适的计算剖面：选用位于滑坡主滑带上、方向与滑坡的主滑方向一致，能集中反映滑坡变形破坏集中的的剖面为计算设计剖面(3个以上)。

2）选择合适的计算方法：如滑面已知可选用一般条分、janbu、bishop、不平衡推力等方法，一般需要采用二种以上的方法进行对比计算。

勘察规范要求：圆弧型滑面用一般条分；折线一般采用不平衡推力法。6.2.3斜坡稳定性计算方法选择第十一页，共124页。泄滩滑坡数字化平面图第十二页，共124页。3）没有明确存在滑面的边坡或滑坡，要搜索最危险的滑面，以此来求稳定性系数。附注：(1)求得的稳定性系数要与坡体的变形特点和定量评价相一致。(2)影响滑坡稳定性系数大小的主要因素是：坡体的参数和对地下水作用的考虑。第十三页，共124页。6.2.4常见斜坡稳定性计算手段手工计算采用计算机软件计算I:北京理正软件；II:SlopeCAD

III:PSSA94IV:其它(AutoCAD、GIS)第十四页，共124页。手工计算参照《岩土工程勘察规范》，斜坡稳定性计算公式(传递系数法)为：第十五页，共124页。Fs:稳定系数；θi:第i条块滑动面与水平面的夹角(度)；Ｒi:作用于第i条块的抗滑力(KN/m);Ni:第i条块滑动面的法向分力(KN/m);Ti:作用于第i条块滑动面上的滑动分力(KN/m),与滑动方向相反时取负值；第i条块的剩余下滑力传至i+1条块时的传递系数第十六页，共124页。参照《建筑地基基础设计规范》，滑坡推力计算公式为：6.2.5滑坡推力计算第十七页，共124页。Ｆn,Fn-1:第n块、第n-1块滑体的剩余下滑力(KN/m)；传递系数滑坡推力安全系数，又称设计安全系数本条块本条块上一条块第十八页，共124页。说明：第i块的滑坡推力实际上是指第i条块对其下一条块(第i+1条块)的推力；整个滑体的推力一般是指滑体最后一个条块的推力大小。当坡体处于极限平衡状态时，滑体的总体推力从理论上讲应为零。设计滑坡推力是指取稳定系数为设计安全系数时计算出的滑坡推力。第十九页，共124页。滑坡防治工程的稳定性设计安全系数可按《滑坡防治工程设计与施工技术规范》选取，或按《建筑边坡工程技术规范（GB50330-2002）》选取。滑坡防治工程设计安全系数推荐表注：（1）工况Ⅰ——自重；（2）工况Ⅱ——自重+地下水；（3）工况Ⅲ——自重+暴雨+地下水；（4）工况Ⅳ——自重+地震+地下水。

6.2.6设计安全系数的取值第二十页，共124页。三峡库区崩塌滑坡与塌岸地质灾害防治工程地质勘查技术要求第二十一页，共124页。重庆市地方标准：地质灾害防治工程设计规范

滑坡推力安全系数Fst，按滑坡在最不利工况下的稳定性系数Fs确定。

1.Fs>=0.8时：安全等级为一级Fst=1.25安全等级为二级Fst=1.15安全等级为三级Fst=1.052.Fs<0.8时：安全等级为一级Fst=2.25-1.25Fs,且不大于1.5安全等级为二级Fst=1.75-0.75Fs,且不大于1.3安全等级为二级Fst=1.25-0.25Fs,且不大于1.1第二十二页，共124页。重庆市地方标准：地质灾害防治工程设计规范

3.若采用削方减载、压脚等措施后，其支挡设计推力安全系数Fst，应按减载、压脚后的滑坡稳定性系数Fs取用。4.考虑地震作用时：安全等级为一级Fst=1.2安全等级为二级Fst=1.10安全等级为二级Fst=1.00第二十三页，共124页。稳定性系数计算式的注意事项：(1)关于对暴雨情况的考虑6.2.7稳定性系数计算时的注意事项正常水位1/3条间高水位全饱水2/3条间高水位第二十四页，共124页。第i条块PwiPwi-1UiFsiFfi两种计算孔隙水压力的方法：水土合算(计算条块边界水压力)：水土分算(计算条块体力)：

第二十五页，共124页。(2)关于对库水位升降情况的考虑y隔水层(a)水位上升浸润线第二十六页，共124页。(2)关于对库水位升降情况的考虑隔水层(b)水位下降浸润线影响系数第二十七页，共124页。浮容重饱和容重天然容重浮容重饱和容重天然容重水位上升对滑坡体稳定性的影响第二十八页，共124页。水位下降对滑坡体稳定性的影响浮容重饱和容重天然容重浮容重饱和容重天然容重第二十九页，共124页。(3)关于对地震因素的考虑P—作用于滑坡体重心的地震水平惯性力(KN/m)Kh—水平地震系数Gs—滑体重力(KN/m)地震设防烈度水平地震系数67890.050.100.200.40C1—地震力计算的综合影响系数，一般取0.25C2—地震力计算的重要性修正系数，一般取0.5~2第三十页，共124页。①

当滑体具有多层滑面时，应分别计算各滑动面的滑坡推力，取最大的推力作为设计控制值，并使每层滑坡均满足稳定要求；②当滑面形状不规则，局部凸起面使滑体较薄时，宜考虑从凸起部位剪出的可能性，可进行分段计算；6.2.8滑坡推力计算时的注意事项第三十一页，共124页。第三十二页，共124页。第三十三页，共124页。④在计算条块划分时，不宜将最下部条块分得太小，以致使计算结果不能客观地反映滑坡的整体稳定状态。

⑤当滑体前部较缓，或出现反倾段时，下滑力可能出现负值，此时应视滑坡为稳定状态；当最前部条块稳定系数不能较好地反映滑坡的整体稳定性时，可采用倒数第二条块的稳定性系数，或最前部2个条块稳定性系数的平均值。第三十四页，共124页。

该剖面计算得到的稳定性系数为1.28,但若取1.25的设计安全系数，则不必进行推力计算时，否则可能会出现意想不到的结果。坡体的剩余下滑力达10000KN／m？？。第三十五页，共124页。6.3.1.1基本概念支挡结构：为保持结构物两侧的土体、物料有一定的高差的结构。支挡结构刚性支挡结构柔性支挡结构挡土墙板桩墙、内支撑挡土墙：用来支承填土或山坡土体(土压力)，防止填土或土体变形失稳的一种构造物。6.3.1挡土墙的分类6.3挡土墙的设计与计算

第三十六页，共124页。墙踵墙趾墙面墙顶墙背墙底EpEaβδ1:m1:n1nβ:地面倾角δ:墙背摩擦角，即墙背与填土间的摩擦角墙背(面)倾斜度：单位墙高与其水平长度之比(坡比、坡率)。墙背(面)倾角：墙背(面)与竖直面的夹角Ea:主动土压力Ep:被动土压力α描述挡土墙的基本术语顶宽底宽墙高第三十七页，共124页。6.3.1.2挡土墙的分类按断面的几何形状及受力特点：挡土墙重力式挡土墙悬臂式挡土墙扶壁式挡土墙锚杆式挡土墙锚定板式挡墙加筋土式挡墙板桩式挡土墙地下连续墙重力式挡土墙衡重式挡土墙半重力式挡墙锚杆式挡土墙竖向预应力锚杆挡土墙薄壁式挡土墙土钉式挡土墙各类挡土墙的适用范围取决于墙趾地形、工程地质、水文地质、建筑材料、墙的用途、施工方法、技术经济条件及当地的经验等因素。第三十八页，共124页。重力式第三十九页，共124页。第四十页，共124页。攀枝花市建筑开挖边坡第四十一页，共124页。半重力式多用混凝土灌注，在墙背设少量钢筋；墙趾展宽，或基底设凸榫，以减薄墙身，节省圬工，适用于地基承载力低，缺乏石料地区；第四十二页，共124页。第四十三页，共124页。衡重式第四十四页，共124页。第四十五页，共124页。第四十六页，共124页。悬臂式第四十七页，共124页。扶壁式第四十八页，共124页。宜宾五粮液酒厂铜锣湾挡土墙第四十九页，共124页。宜宾五粮液酒厂铜锣湾挡土墙第五十页，共124页。第五十一页，共124页。加筋土挡墙第五十二页，共124页。攀枝花机场边坡加筋土挡土墙墙面板拉筋第五十三页，共124页。第五十四页，共124页。锚杆式第五十五页，共124页。奉节新城边坡防护使用的锚杆式挡土墙第五十六页，共124页。第五十七页，共124页。攀枝花机场边坡锚杆式挡土墙第五十八页，共124页。攀枝花机场边坡锚杆式挡土墙第五十九页，共124页。锚定板式第六十页，共124页。肋柱挡板拉杆第六十一页，共124页。竖向预应力锚杆式第六十二页，共124页。土钉式第六十三页，共124页。第六十四页，共124页。第六十五页，共124页。板桩式第六十六页，共124页。桩板式挡土墙第六十七页，共124页。(1)在地下挖狭长深槽，灌注混凝土(配筋或不配筋)、浇筑水下钢筋混凝土墙；(2)依靠墙体自身强度或横撑抵抗土压力；(3)适用于大型地下开挖工程，较板桩墙可得到更大的刚度、更大的深度。第六十八页，共124页。尼泊尔色迪河桥基加固工程剖面布置示意图地下连续墙开挖回填预应力锚索底部易冲蚀层清除坡顶第六十九页，共124页。路肩式挡土墙路基上边坡防护建筑物地基边坡防护第七十页，共124页。第七十一页，共124页。路基下边坡防护第七十二页，共124页。高填方地段的挡土墙第七十三页，共124页。第七十四页，共124页。浆砌片(块)石护坡墙挂网喷射混凝土护坡第七十五页，共124页。第七十六页，共124页。奉节新城多种支挡结构复合的形式进行边坡防护桩板式挡土墙锚杆式挡土墙重力式挡土墙浆砌块石护坡拦石墙(缓冲墙)第七十七页，共124页。巫山库岸防护工程第七十八页，共124页。巫山库岸防护工程第七十九页，共124页。三峡库区的库岸防护(巴东)第八十页，共124页。6.3.2挡土墙设计概述挡土墙可能破坏的形式有哪几种？6.3.2.1挡土墙的常见破坏形式第八十一页，共124页。EaEa滑动破坏墙体抗滑稳定性验算力的平衡原理第八十二页，共124页。倾倒(覆)破坏墙体抗倾覆稳定性验算力矩平衡原理第八十三页，共124页。沉陷破坏软弱下卧层基底承载能力验算力的平衡原理第八十四页，共124页。墙体差异沉降基底承载能力验算Ea∑nePmax第八十五页，共124页。剪切破坏滑面墙身截面抗剪能力验算第八十六页，共124页。截面偏心受压、受拉破坏截面偏心压缩承载力、弯曲承载力验算Ea∑nePmaxII第八十七页，共124页。6.3.2.2挡土墙设计所参考的主要规范(1).《砌体结构设计规范》(GB50003-2001);(2).《建筑地基基础设计规范》(GB50005-2002)(3).《混凝土结构设计规范》(GB50010-2002)(4).《建筑结构荷载规范》(GB50009-2001)(5).《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)第八十八页，共124页。6.3.2.3作用在挡土墙上的力系永久荷载(permanentload)：在规定的设计状态一定出现。在结构使用期间，其值不随时间变化，或其变化与平均值相比可忽略不计，或其变化是单调的并能趋于限值的荷载。一般以标准值作为代表值。可变荷载(variablelaod):在规定的设计状态不一定出现。在结构使用期间，其值随时间变化，且其变化与平均值相比不可忽略不计的荷载。一般以常遇值或永久值作为代表值。偶然荷载(accidentload):在设计考虑的时间内不一定出现。在结构使用期间不一定出现，一旦出现，其值很大且持续时间很短的荷载。偶然荷载的代表值由有关规范规定或参照有关资料和工程经验综合分析确定。6.3.2.3.1基本概念第八十九页，共124页。6.3.2.3.2作用于挡土墙上的永久荷载挡土墙自重G；由于填土作用于墙背的主动土压力Ea；由于墙前土体作用于墙面的被动土压力Ep(一般设计时不予考虑，当有条件保证墙前土体永远存在方可考虑)；填土中的地下水压力或常水位时的静水压力与浮力；填土上其他工程超载引起的土压力；由以上荷载引起的基底的竖向反力；基底的摩擦力；

预加应力；墙背与第二破裂面之间的有效荷载Wr。墙顶上的有效荷载W0。第九十页，共124页。6.3.2.3.3作用于挡土墙上的可变荷载设计水位的静水压力和浮力；车辆荷载引起的土压力(公路)；水位退落时的动水压力(库岸)；波浪压力；冻胀力和冰压力；温度荷载主要可变荷载附加可变荷载6.3.2.3.4作用于挡土墙上的偶然荷载地震荷载；施工及临时荷载、如起吊机、人群、堆载等撞击力第九十一页，共124页。6.3.2.3.5荷载组合主要组合：永久荷载与可能发生的主要可变荷载组合；附加组合：永久荷载与主要可变荷载和附加可变荷载组合；偶然组合：永久荷载、主要(附加)可变荷载与一种偶然荷载组合。

一般情况下，不同组合情况下，设计安全系数的取值是不一样的。且主要组合、附加组合、偶然组合的稳定性系数依次减小。第九十二页，共124页。6.3.2.4挡土墙验算方法验算方法容许应力法极限状态法(采用总安全系数)(采用分项安全系数)承载力极限状态正常使用极限状态第九十三页，共124页。将结构材料视为理想的弹性体，在荷载作用下产生的应力和变形不超过规定的容许值。R：材料的极限强度(材料抗力)；S：容许应力(设计荷载)；K:(计算)安全系数(稳定性系数)。[K]:设计(目标)安全系数6.3.2.4.1容许应力法第九十四页，共124页。结构设计的目的是使所设计的结构能满足各种预定的功能要求。建筑结构应具备的功能要求是安全性、适用性和耐久性。上述功能要求称为结构的可靠性(度)，即：结构在规定的时间内(如设计基准期50年)，在规定的条件下(正常设计、正常施工、正常使用和维护)，完成预定的功能的能力(概率)。极限状态法的理论基础是概率论和结构可靠性分析。6.3.2.4.2极限状态法第九十五页，共124页。6.3.3.1概述重力式挡土墙是以自身重力来维持挡土墙在土压力作用下的稳定。它是我国目前最常用的一种挡土墙形式。重力式挡土墙多用浆砌片(块)石砌筑，缺乏石料或力学上有特殊要求时混凝土预制块作为砌体，也可直接用混凝土浇筑，一般不配筋或只在局部范围内配置少量钢筋。常规的重力式挡土墙的墙高一般不超过6m，否则应使用半重力式、衡重式以及其它形式的挡土墙。6.3.2挡土墙设计概述第九十六页，共124页。(4)以墙背的倾角及形态来划分,重力式挡土墙可划分为以下几种类型。第九十七页，共124页。6.3.3.2.1墙身构造重力式挡土墙的墙背坡度一般采用1：0.20~1：0.3。仰斜墙背坡度不宜缓于1：0.3,一般为1：0.25；俯斜墙背坡度一般为1：0.25~1:0.4；衡重式或凸折式挡土墙下墙墙背坡度多采用1：0.25~1:0.30仰斜，上墙墙背坡度一般采用1：0.25~1:0.45。重力式挡土墙墙面坡度一般为1：0.05~1:0.20,一般不得缓于1：0.35。仰斜式挡土墙墙面一般与墙背坡度一致或缓于墙背坡度。衡重式挡土墙墙面坡度一般采用1：0.05，且其上墙与下墙高度之比一般采用4：6较为经济合理。墙面墙背坡度6.3.3.2重力式挡土墙的构造第九十八页，共124页。46第九十九页，共124页。混凝土和石砌的挡土墙，墙顶宽度不宜小于0.5m;整体灌注的混凝土挡墙，墙顶宽度不宜小于0.4m；钢筋混凝土挡墙顶宽不宜小于0.2m.通常顶宽约为H/12，而墙底宽约为(0.5~0.7)H。挡土墙墙顶应根据需要(公路路肩挡土墙)以粗石料或C15混凝土作帽石,厚度不小于0.4m,宽度不小于0.6m，突出墙顶外的帽檐宽为0.1m。如不设帽石，可选用大块片石置于墙顶用砂浆抹平。墙顶第一百页，共124页。(1)当墙身高度超过一定限度时，基底应力往往成为控制截面尺寸的重要因素。为了使地基压应力不超过地基承载力和提高墙体抗倾覆能力，可在墙底加设墙趾台阶。(2)墙趾的高度与宽度比，应按圬工的刚性角确定。要求墙趾台阶连线与竖直线之间的夹角θ，对于石砌圬工不大于35▫，对于混凝土圬工不大于45▫。墙趾(3)一般墙趾的宽度不大于墙高的1/20，也不应小于0.1m。墙趾的高度应按刚性角确定，但不宜小于0.4m。第一百零一页，共124页。挡土墙墙身及基础，采用混凝土不低于C15；采用砌石、石料的抗压强度一般不小于Mu30,寒冷及地震区，石料的重度不小于20KN/m3,经过25次冻融循环，应无明显破损。挡土墙高小于6m，砂浆采用M5；超过6m时宜采用M7.5，在寒冷及地震地区应选用M10。墙身材料第一百零二页，共124页。(1)为避免因地基不均匀沉降而引起墙身开裂，根据地基地质条件的变化和墙高、墙身断面的变化情况需设置沉降缝。(2)为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。(3)沉降缝和伸缩缝一般可以合并设置，间距为10-25m。缝宽20~30mm。缝内沿墙的前、后、顶三边填塞沥青麻筋或沥青木板，填塞深度不应小于0.2m。(4)当墙背后岩石边坡或墙背填料为石料，且为冻害不严重地区，也可不填塞，即设置空缝。(4)干砌挡土墙可以不设沉降缝和伸缩缝。沉降缝和伸缩缝第一百零三页，共124页。6.3.3.2.2排水措施作用：疏干墙后土体地下水和防止地表水下渗后积水，以免墙后积水致使墙身承受额外的静水压力；减少季节性冰冻地区填料的冻胀压力；消除粘性土填料浸水后的膨胀压力。常见排水措施:(地表排水+墙身排水)设置地表排水沟和截水沟；

夯实回填土顶面和地表松土表面，防治下渗在墙体中设置泄水孔；在墙后设置排水层；在填土层中修建盲沟及集水管；在临水面设置防水层(防止冻害和水对墙身的腐蚀)第一百零四页，共124页。泄水孔为0.05~0.2m的方孔或圆孔第一百零五页，共124页。第一百零六页，共124页。6.3.3.3重力式挡土墙抗滑稳定性验算6.3.3.3.1挡土墙的抗滑稳定性验算挡土墙的抗滑稳定性是指墙体在土压力和其它外荷载的作用下，基底摩擦阻力抵挡挡土墙滑移的能力，用抗滑稳定性系数Kc表示。考虑基本组合(主要组合)时抗滑稳定系数不应小于1.3;考虑附加组合时不应小于1.2;考虑偶然组合时，不应小于1.1。挡墙高超过12m时应适当提高kc值。第一百零七页，共124页。(1)水平基底挡土墙的抗滑稳定性验算G：挡土墙每延米的自重(包括墙顶上的有效荷载、墙背与第二破裂面之间的有效荷载)Ex,Ey:主动土压力的水平向和竖直向的分量；Ep:墙前被动土压力；μ：基底摩擦系数(tg)。Ea第一百零八页，共124页。(2)倾斜基底挡土墙的抗滑稳定性验算G:挡土墙每延米自重；

a0：挡土墙基底倾角；a:挡土墙墙背倾角；δ：土对挡土墙墙背的摩擦角u:土对挡土墙基底的摩擦系数墙背俯斜EpEpnEpt第一百零九页，共124页。(3)仰斜挡土墙的抗滑稳定性验算G:挡土墙每延米自重；

a0：挡土墙基底倾角；a:挡土墙墙背倾角；δ：土对挡土墙墙背的摩擦角u:土对挡土墙基底的摩擦系数墙背仰斜GEaEpEpnEptGnGtEanEat第一百一十页，共124页。6.3.3.3.2挡土墙的抗倾覆稳定性验算挡土墙的抗倾覆稳定性是指墙体抵抗墙身绕墙趾向外转动倾覆的能力，用抗倾覆稳定系数K0表示。∑My:稳定力系对墙趾的总力矩；∑M0:倾覆力系对墙趾的总力矩。考虑基本组合(主要组合)时，抗倾覆稳定系数不应小于1.5（新规范为1.6）;考虑附加组合时不应小于1.3;考虑偶然组合时，不应小于1.1。挡墙高超过12m时应适当提高k0值。第一百一十一页，共124页。(1)水平基底挡土墙的抗倾覆稳定性验算墙背俯斜第一百一十二页，共124页。(2)倾斜基底挡土墙的抗倾覆稳定性验算z：土压力作用点离墙踵的高度x0:挡土墙重心离墙趾的水平距离；b:基底的水平投影宽度墙背俯斜EpZp第一百一十三页，共124页。GEaz：土压力作用点离墙踵的高度x0:挡土墙重心离墙趾的水平距离；b:基底的水平投影宽度墙背仰斜(3)仰斜挡土墙的抗倾覆稳定性验算EpZpEaxEaz第一百一十四页，共124页。当挡土墙的抗滑稳定性满足要求，而抗倾覆稳定性不满足要求时，可适当展宽墙趾，以增大稳定力矩的力臂。展宽部分一般用与墙身相同的材料砌筑。基础展宽可分级设置成台阶(墙趾台阶)，每级的宽度和高度的关系应符合刚性