挡土墙与边坡工程培训讲义

建筑施工现场“八大员”岗位资格考试及技能抽查要求掌握朗肯土压力理论和库仑土压力理论的基本知识，并能将其应用于一般工程问题。学会重力式挡土墙设计的基本知识。教学目标知识目标掌握静止土压力、主动土压力、被动土压力的基本概念。掌握朗肯土压力理论和库仑土压力理论的基本知识。熟悉有超载、成层土、有地下水情况等实际工程中的挡土墙土压力计算。掌握重力式挡土墙计算的基本内容。能力目标能正确计算挡土墙的土压力；能进行简单重力式挡土墙的设计，并指导施工。素质目标通过本模块的学习，培养学生理论联系实践的工程素质。通过本模块的学习，培养学生良好的组织、团队协作和沟通能力。模块四挡土墙与边坡工程§4.1挡土墙的认知与设计§4.2边坡稳定性计算模块四挡土墙与边坡工程

挡土墙是一种用来侧向支撑土体或防止土体下滑的构筑物，在房屋建筑、铁路桥梁以及水利工程等木工程中应用很广，例如，边坡挡土墙、地下室侧墙、重力式码头的岸壁、桥台、散料仓库、板桩墙及地下洞室的侧墙等。§4.1挡土墙的认知与设计4.1.1挡土墙的形式及在工程中的应用

按挡墙结构形式，挡土墙可分为：重力式挡土墙、悬壁式及扶壁式挡土墙、锚杆挡土墙、锚定板挡土墙、加筋土挡土墙及土钉挡土墙等。按墙体结构材料，挡土墙可分为：石砌挡土墙、混凝土挡土墙、钢筋混凝土挡土墙、钢板挡土墙等。建成后的坡间挡土墙挡土墙发生事事故的例子多瑙河码头岸岸墙滑动英国伦敦铁路路挡土墙滑动动图垮塌的重力式式挡墙垮塌的护坡挡挡墙失稳的立交桥加筋土挡土墙墙山体滑坡

峨眉山山体滑滑坡正在抢修修挡土墙后的被被支撑土体作作用于挡土墙墙上的侧向压压力，称为土土压力。E填土面码头桥台E隧道侧墙E§4.1挡土墙的认知知与设计4.1.2土压力计算静止压力被动土压力主动土压力土压力一、土压力类类型1.静止土压力挡土墙在压力力作用下不发发生任何方向向的位移或转转动，墙后填填土处于弹性性平衡状态时时（静止状态态），作用在在挡土墙背的的土压力Eo被动土压力主动土压力静止土压力土压力2.主动土压力在土压力作用用下，挡土墙墙离开土体向向前位移或转转动，墙后土土体达到主动动极限平衡状状态时，作用用在墙背的土土压力3.被动土压力在外力作用下下，挡土墙推推挤土体向后后位移至一定定数值，墙后后土体达到被被动极限平衡衡状态时，作作用在墙上的的土压力滑裂面EaEp滑裂面4.三种土压力之之间的关系-△+△+△-△Eo△a△pEaEoEp对同一挡土墙墙，在填土的的物理力学性性质相同的条条件下有以下规律：：1.Ea＜Eo＜＜Ep2.△p＞＞△a研究土压力的的目的1．设计挡土构构筑物，如挡挡土墙，地下室侧墙，，桥台和贮仓仓等；2．地下构筑物物和基础的施施工、地基处理方面面；3．地基承载力力的计算，岩岩石力学和埋管工程等等领域。影响土压力的的因素挡土墙的土压压力不是一个个常量，其土土压力的性质质、大小及沿沿墙高的分布布规律与很多多因素有关1．挡土墙的位位移方向和位位移量；2．挡土墙的性性质、墙背的的光滑程度和结构形式；；3．墙后填土的的性质，包括括填土的重度、含水量、、内摩擦角和和黏聚力的大小及填土土面得倾斜程程度。hvhvh=0zzzH(a)(b)静止土压力强强度可按半空间直直线变形体在在土的自重作作用下无侧向向变形时的水水平侧向应力力h来计算。下图表示半无无限土体中深深度为z处土单元的应应力状态：二、静止土压压力计算设想用一挡土土墙代替单元元体左侧的土土体，挡土墙墙墙背光滑，，则墙后土体体的应力状态态并没有变化化，仍处于侧侧限应力状态态。竖向应力为自自重应力：z=z水平向应力为为原来土体内内部应力变成成土对墙的应应力，即为静静止土压力强强度p0：0=h=K0zK0HH3E0(c)zpf=c+tg(d)h=0zzH(b)静止土压力力沿墙高呈呈三角形分分布，作用用于墙背面面单位长度度上的总静止土压压力：E0的作用点位位于墙底面面往上1/3H处，单位[kN/m]。（d）图是处在在静止土压压力状态下下的土单元元的应力摩摩尔圆，可可以看出，，这种应力力状态离破破坏包线很很远，属于于弹性平衡衡应力状态态。E0H静止土压力力的分布朗肯土压力力简介土的极限平衡条件半空间的应力状态土压力的计计算方法三、郎肯土土压力理论论朗肯土压力力理论是根根据半无限限土体内的的应力状态态和土的极极限平衡条条件得出的的土压力计计算方法。。朗肯将上述述原理应用用于挡土墙墙的土压力力计算中，，设想用墙墙背竖直且且光滑的挡挡土墙代替替半无限土土体左边的的土，则墙墙背与土的的接触面上上满足剪应应力为零的的边界应力力条件以及及产生主动动或被动朗朗肯状态的的边界变形形条件，由此可推导导出主动和和被动土压压力的计算算公式。朗朗肯土压力力理论的假假设：1.挡土墙墙背面竖直直2.墙背光光滑3.墙后填填土面水平平0zK0z弹性平衡状状态时的莫莫尔圆自重应力竖直截面上上的法向应应力朗肯土压力力类型1.土体在水平平方向伸展展单元体在水水平截面上上的法向应应力z不变，而竖竖直截面上上的法向应应力x却逐渐减小，直至满足足极限平衡衡条件（称称为主动朗肯状状态）。0zK0za主动朗肯状状态时的莫莫尔圆2.土体在水平平方向压缩缩单元体在水水平截面上上的法向应应力z不变而竖直直截面上的的法向应力力x却逐渐增大，直至满足足极限平衡衡条件（称称为被动朗肯状状态）。0zK0zp被动朗肯状状态时的莫莫尔圆0zK0zap三种状态时时的莫尔圆圆pappfzK0zf=c+tan

土体处于弹弹性平衡状状态主动极限平平衡状态被动极限平平衡状态水平方向均匀压缩伸展压缩主动朗肯状状态被动朗肯状状态水平方向均匀伸展处于主动朗朗肯状态，，σ1方向竖直，，剪切破坏坏面与竖直直面夹角为为45o-/245o-/245o＋/2处于被动朗朗肯状态，，σ3方向竖直，，剪切破坏坏面与竖直直面夹角为为45o＋/21.无粘性性土（一）土体体的极限平平衡状态朗肯土压力力计算公式式2.粘性土土1.无粘性性土（二）主动动土压力计计算EaH无粘性土的的主动土压压力强度分分布图2.粘粘性性土土临界界深深度度EaH粘性性土土的的主主动动土土压压力力强强度度分分布布图图adebc（三三））被被动动土土压压力力计计算算1.无无粘粘性性土土Ep无粘粘性性土土的的被被动动土土压压力力强强度度分分布布图图H2.粘粘性性土土Ep粘性性土土的的被被动动土土压压力力强强度度分分布布图图库仑仑土土压压力力简简介介土的的极极限限平衡衡状状态态滑动动楔楔体体静力力平平衡衡条条件件土压压力力的的计计算算方方法法库伦伦土土压压力力理理论论的的基基本本假假设设：：1.墙墙后后的的填填土土是是理理想想的的散散粒粒体体（（粘粘聚聚力力c=0）；；2.滑动动楔楔体体为为刚体体；3.楔体体沿沿着着墙墙背背及及一一个个通通过过墙踵踵的平平面面滑滑动动。。四、、库库伦伦土土压压力力理理论论（一一））主主动动土土压压力力按库库伦伦理理论论求求主主动动土土压压力力作用用于于土土楔楔上上的的力力：：1.土楔体的的自重；；2.破坏面上上的反力R；3.墙背对土楔体体的反力E；由土楔体的静力平衡条件件得：作用在墙背上上的土压力库伦主动土压压力的一般表表达式：或Emax所对应的挡土土墙后填土的的破坏角cr，即为真正滑动动面的倾角。。库伦主动土压压力强度沿墙墙高呈三角形分布，主动土压力力的作用点在在距墙底H/3处。当墙背垂直、、光滑，填土土面水平时，，库伦主动土土压力的一般般表达式与朗朗肯公式相同同。（二）被动土土压力按库伦理论求求被动土压力力按求主动土压压力同样的原原理可求得被被动土压力的的库伦公式为为：或库伦被动土压压力强度沿墙墙高呈三角形分布，被动土压力力的作用点在在距墙底H/3处。当墙背垂直、、光滑，填土土面水平时，，库伦被动土土压力的一般般表达式与朗朗肯公式相同同。五、土压力计计算方法的一一些问题——朗肯理论与库库伦理论的比比较1.朗肯土压压力理论：（1）依据：：半空间的应应力状态和土土的极限平衡衡条件（2）概念明确、、计算简单、、使用方便（3）理论假设条条件（4）理论公式直直接适用于粘粘性土和无粘粘性土（5）由于忽略了了墙背与填土土之间的摩擦擦，主动土压压力偏大，被动动土压力偏小小。2.库伦土压压力理论：（1）依据：：墙后土体极极限平衡状态态、楔体的静静力平衡条件（2）理论假假设条件（3）理论公式仅仅直接适用于于无粘性土（4）考虑了墙背背与土之间的的摩擦力，并并可用于墙背背倾斜，填土面面倾斜的情况况。但库伦理理论假设破裂面是一平面面，与按滑动动面为曲面的的计算结果有出入。六、几种常见见情况的土压压力计算1.填土表面作用用均布荷载填土表面深度度z处竖向应力为为(q+z)相应主动土压压力强度A点土压力强度度（以无粘性土土为例）B点土压力强度度z＋qhABzq利用重力等效效原理假设填土为无无粘性土墙顶主动土压压力的强度：：墙底主动土压压力的强度：：主动土压力分分布图为梯形总主动土压力力等于梯形的面面积作用点：通过过梯形的形心作用在墙背上上2.墙后填土分层层情况（以无粘性土土为例）1，12，23，3Pa1上Pa1下pa2上Pa3上pa2下Pa3下挡土墙后有几几层不同类的的土层，先求求竖向自重应应力，然后乘乘以该土层的主动土压力力系数，得到到相应的主动动土压力强度度h1h2h3说明：合力大小为分分布图形的面面积，作用点点位于分布图图形的形心处处3.墙后填土存在在地下水（以无粘性土土为例）ABC(h1+

h2)Kawh2挡土墙后有地地下水时，作作用在墙背上上的土侧压力力有土压力和水压力两部分，地下水位以下下的采用浮重重度计算。作用在墙背的的总压力为土土压力和水压压力之和，作作用点在合力力分布图形的的形心处A点B点C点土压力强度水压力强度B点C点h1h2h七、《规范》法计计算土压力《建筑地基基础础设计规范GB50007-2011》规定，对土质质边坡，边坡坡主动土压力力应按式（4-19）进行计算。。当填土为无无粘性土时，，主动土压力力系数可按库库伦土压力理理论确定。当当支挡结构满满足朗肯条件件时，主动土土压力系数可可按朗肯土压压力理论确定定。粘性土或或粉土的主动动土压力也可可采用楔体试试算法图解求求得。《规范》主动土压力计计算简图§4.1挡土墙墙的认认知与与设计计4.1.3挡土墙墙的计计算与与构造造一、挡挡土墙墙形式式的选选择挡土墙墙选型型主要要从以以下原原则上上考虑虑：1）挡土土墙的的用途途，高高度与与重要要性；；2）建筑筑场地地的地地形与与地质质条件件；3）尽量量就地地取材材，因因地制制宜；；4）挡墙墙结构构型式式安全全而经经济。。1.重重力式式挡土土墙截截面尺尺寸设设计二、重重力式式挡土土墙设设计挡土墙墙的截截面尺尺寸一一般按按试算算法确确定，，即先先根据据挡土土墙所所处的的工程程地质质条件件、填填土性性质、、荷载载情况况以及及墙身身材料料、施施工条条件等等，凭凭经验验初步步拟定定截面面尺寸寸。然然后逐逐项进进行验验算。。如不不满足足要求求，修修改截截面尺尺寸，，或采采取其其他措措施。。挡土土墙截截面尺尺寸一一般包包括：：1）挡土土墙高高度2）挡土土墙的的顶宽宽和底底宽2.重力力式挡挡土墙墙的计计算1）抗滑滑稳定定验算算抗滑稳稳定条条件EaEanEatdGGnGtaa0O挡土墙墙在土土压力力作用用下可可能沿沿基础础底面面发生生滑动动m为基底底摩擦擦系数数，根根据土土的类类别查查表得得到重力式式挡土土墙的的计算算内容容包括括稳定定性验验算、、墙身身强度度验算算和地地基承承载力力验算算。2）抗倾倾覆稳稳定验验算zfEaEazEaxGaa0d抗倾覆稳定定条件挡土墙在土土压力作用用下可能绕绕墙趾O点向外倾覆覆Ox0xfbz3）整体滑动动稳定验算算可采用圆弧弧滑动法计计算，见下下节。4）地基承载载力验算满足的条件件：5）挡土墙墙身材料强度度验算墙身任意断面面上的法向向应力应小小于墙身材材料的抗压压强度；剪剪应力小于于墙身材料料抗剪强度度。f为地基承载载力设计值值3.重力式挡土土墙的构造造在设计重力力式挡土墙墙时，为了了保证其安安全合理、、经济，除除进行验算算外，还需需采取必要要的构造措措施。主要要从基础埋埋深、墙背背的倾斜形形式、墙面面坡度选择择、基底坡坡度、墙趾趾台阶、伸伸缩缝、墙墙后排水措措施及填土土质量要求求等几个方方面考虑。。1）基础埋深深重力式挡墙墙的基础埋埋置深度，，应根据地地基承载力力、水流冲冲刷、岩石石裂隙发育育及风化程程度等因素素进行确定定。在特强强冻涨、强强冻涨地区区应考虑冻冻涨的影响响。在土质质地基中，，基础埋置置深度不宜宜小于0.5m；在软质岩岩地基中，，基础埋置置深度不宜宜小于0.3m。3.重力式挡土土墙的构造造2）墙背的倾倾斜形式E1仰斜E2直立E3俯斜三种不同倾倾斜形式挡挡土墙土压压力之间关关系E1＜E2＜E3重力式挡土土墙按墙背背倾斜方向向分为仰斜、直立立和俯斜三种，应根根据使用要要求、地形形和施工情情况综合确确定。3.重力式挡土土墙的构造造2）墙面坡度度选择当墙前地面面陡时，墙墙面可取1：0.05-1׃0.2的仰斜坡度度，亦采用用直立墙面面。当墙前前地形较为为平坦时，，对中、高高挡土墙，，墙面坡度度可较缓，，但不宜缓缓于1׃0.4。4）基底坡度度为增加挡土土墙身的抗抗滑稳定性性，重力式式挡土墙可可在基底设设置逆坡，，但逆坡坡坡度不宜过过大，以免免墙身与基基底下的三三角形土体体一起滑动动。对于土土质地基，，基底逆坡坡坡度不宜宜大于1:10；对于岩质质地基，基基底逆坡坡坡度不宜大大于1:5。5）墙趾台阶阶当墙高较大大时，为了了提高挡土土墙抗倾覆覆能力，可可加设墙趾趾台阶（图图4-25）。墙趾台台阶的高宽宽比可取。3.重力式挡土土墙的构造造6）设置伸缩缩缝重力式挡土土墙应每间间隔10m～20m设置一道伸伸缩缝。当当地基有变变化时宜加加设沉降缝缝。在挡土土结构的拐拐角处，应应采取加强强的构造措措施。7）墙后排水水措施挡土墙因排排水不良，，雨水渗入入墙后填土土，使得填填土的抗剪剪强度降低低，对产生生挡土墙的的稳定不利利的影响。。当墙后积积水时，还还会产生静静水压力和和渗流压力力，使作用用于挡土墙墙上的总压压力增加，，对挡土墙墙的稳定性性更不利。。3.重力式挡土土墙的构造造8）填土质量量要求挡土墙后填填土应尽量量选择透水水性较强的的填料，如如砂、碎石石、砾石等等。因这类类土的抗剪剪强度较稳稳定，易于于排水。当当采用粘性性作填料时时，应掺入入适当的碎碎石。在季季节性冻土土地区，应应选择炉碴碴、碎石、、粗砂等非非冻结填料料。不宜采采用淤泥、、耕植土或或膨胀土等等作为填料料。具有倾斜表表面的土体体称为土坡。当土质均均匀，坡顶顶和坡底都都是水平且且坡面为同同一坡度时时，称为简单土坡。土坡根据其其成因可分分为两种：：天然土坡；人工土坡。由于土坡表表面倾斜，，它在自身身重力或外外部荷载作作用下，有有从高处向向低处滑动的趋势势。一旦由于于设计、施施工或管理理不当，或或者由于地地震、暴雨雨等不可预预估的外部部因素，都都将可能使使土体内部部某个面上上的剪应力达到到并超过该该面上的抗抗剪强度，稳定平衡衡遭到破坏坏，造成土土坡中的一一部分土体体相对于另另一部分土土体向下滑滑动，这种种现象称为为滑坡。§4.2边坡稳定性性分析4.2.1边坡稳定的的意义与影影响因素天然土坡人工土坡由于地质作作用而自然然形成的土土坡在天然土体体中开挖或或填筑而成成的土坡山坡、江河河岸坡路基、堤坝坝坡底坡脚坡角坡顶坡高土坡稳定分析问题1．天然土土坡江、河、、湖、海海岸坡2．人工土土坡¤挖方：沟沟、渠、、坑、池池露天矿2．人工土土坡¤填方：堤堤、坝、、路基、、堆料小浪底土石坝一部分土土体在外外因作用用下，相相对于另另一部分分土体滑滑动滑坡：简单土坡坡土坡的顶顶面和底底面都是是水平的的，并伸伸至无穷穷远，土土坡由均均质土组组成。影响土坡坡稳定的的因素有有多种，，包括土土坡的边边界条件件、土质质条件和和外界条条件。（1）土坡坡度度。土坡坡坡度可用用坡度角角的大小小来表示示，也可可用土坡坡高度与与水平尺尺度之比比来表示示。坡度度角越小小，土坡坡的稳定定性越好好。（2）土坡高度度。土坡坡高度指指坡脚至至坡顶之之间的垂垂直距离离。在其其他条件件相同时时，坡高高越小，，土坡的的稳定性性越好。。（3）土的性质质。土的性性质越好好，土坡坡的稳定定性越好好。（4）气象条条件。天天气晴朗朗时土坡坡处于干干燥状态态，土的的强度大大，土坡坡稳定性性好。若若连续大大雨使大大量雨水水入渗，，土的强强度降低低，可能能导致土土坡滑动动。（5）地下水渗渗透。当土坡坡中存在在于滑动动方