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文档简介

挡土墙上的土压力建工用第1页/共119页挡土墙

Retainingwall土压力Earthpressure土压力Earthpressure土第2页/共119页为什么破坏?怎么评价、预测?第3页/共119页§5.1概述----土压力§5.2朗肯(Rankine)土压力理论§5.3库仑(Coulomb)土压力理论§5.4几种常见主动土压力计算第五章挡土结构物上的土压力库仑C.A.Coulomb(1736-1806)W.J.M.Rankine1820-1872Scotland第4页/共119页§5.1概述什么是挡土结构物Retainingstructure什么是土压力

Earthpressure影响土压力的因素

概述第5页/共119页挡土结构物及其土压力

§5.1概述支撑天然斜坡E地下室侧墙E填土E填土堤岸挡土墙拱桥桥台ERigidwall第6页/共119页一、挡土结构物(挡土墙)支撑天然斜坡E拱桥桥台E为防止土体坍塌而修建的挡土结构。用来支撑天然或人工斜坡不致坍塌以保持土体稳定性,或使部分侧向荷载传递分散到填土上的一种结构物。

§5.1概述第7页/共119页古月堂西侧的挡土墙挡土墙的存在限制了土体的移动,对墙后土体来讲,是一个约束,因而墙后土体对挡土墙的墙背要产生一个约束反力:土压力二、挡土结构物上的土压力

§5.1概述第8页/共119页三、挡土墙类型(按刚度及位移方式):

刚性挡土墙柔性挡土墙锚杆板桩板桩变形

§5.1概述第9页/共119页刚性挡土墙T型预应力刚性加筋圬工式L型扶壁

§5.1概述第10页/共119页古月堂西侧的挡土墙-浆砌块石挡土墙形式-刚性挡土墙

§5.1概述第11页/共119页挡土墙形式-刚性挡土墙

§5.1概述第12页/共119页护坡桩形成的挡土结构挡土墙形式-刚性挡土墙

§5.1概述第13页/共119页混凝土挡土墙及复合排水管完工完工挡土墙形式-刚性挡土墙

§5.1概述第14页/共119页土工格栅加筋建成5~6.5m高的加筋挡土墙挡土墙形式-刚性挡土墙

§5.1概述第15页/共119页挡土墙形式-刚性挡土墙

§5.1概述第16页/共119页加筋土挡墙挡土墙形式-刚性挡土墙

§5.1概述第17页/共119页上海市外环过江隧道岸埋段基坑支撑挡土墙形式-刚性挡土墙

§5.1概述第18页/共119页柔性支护结构柔性支护结构锚杆板桩板桩变形板桩上土压力实测计算板桩锚杆基坑支撑上的土压力变形土压力分布

§5.1概述第19页/共119页地下建筑物发生在土体内部或者与土相邻的结构物上的压力竖向土压力新填土B外土柱内土柱等沉面沟埋式上埋式§5.1概述-地下建筑物第20页/共119页本章要讨论的中心问题刚性挡土墙上土压力性质及土压力计算:土压力的大小、方向、分布及合力作用点。排水管排水孔混凝土墙土工织物反滤第21页/共119页3.被动土压力Passiveearthpressure四、墙体位移和土压力性质§5.1概述-土压力类型1.静止土压力Earthpressureatrest2.主动土压力Activeearthpressure岩石拱桥桥台第22页/共119页本章要讨论的中心问题刚性挡土墙上土压力性质及土压力计算:土压力的大小、方向、分布及合力作用点。被动土压力主动土压力第23页/共119页五、挡土墙上的土压力的影响因素土的性质挡土墙的移动方向墙和土的相对位移量土体与墙之间的摩擦挡土墙类型第24页/共119页墙体位移对土压力的影响1.墙体位移的方向和相对位移量决定着所产生的土压力的性质和土压力的大小。2.挡土墙所受土压力的大小并不是一个常数,而是随位移量的变化而变化。3.三种特定情况下的土压力,即静止土压力、主动土压力和被动土压力。§5.1概述-土压力类型三种土压力第25页/共119页1.静止土压力§5.1概述-土压力类型H+-=H土压力EEpE0Ea-H1~5%1~5%od=D/H=0

地下室

E=E0地下室侧墙E填土墙土间无位移,墙后填土处于弹性平衡状态,此时墙背上的土压力称为静止土压力,记为Eo

。第26页/共119页2.主动土压力墙体外移,土压力逐渐减小,当土体破坏,达到极限平衡状态时所对应的土压力最小§5.1概述-土压力类型EH+土压力EEpE0Ea-H=H1~5%1~5%o在土压力作用下,挡土墙发生离开土体方向的位移,墙后填土达到极限平衡状态,此时墙背上的土压力称为主动土压力,记为Ea

。第27页/共119页3.被动土压力墙体内移,土压力逐渐增大,当土体破坏,达到极限平衡状态时所对应的土压力最大§5.1概述-土压力类型土压力EEpE0Ea-H=H1~5%1~5%o-在外力作用下,挡土墙发生挤向土体方向的位移,墙后填土达到极限平衡状态,此时墙背上的土压力称为被动土压力,记为Ep。第28页/共119页1~5%1~5%oEp土压力E三种土压力在数量上的关系第29页/共119页可按土体处于侧限条件下的弹性平衡状态进行计算。

静止土压力计算§5.1概述-土压力类型Zsvshshzsv第30页/共119页静止土压力对于侧限应力状态:

p0=sh

=K0sv=u/(1-u)sv=u/(1-u)gz

K0=n/(1-n)svshshzsv由于土的泊松比n很难确定,K0常用经验公式计算,对于砂土、正常固结粘土:K0

≈1-sinf’

填土面§5.1概述-土压力类型第31页/共119页小结挡土墙土压力土压力性质影响因素静止土压力计算如何计算主动和被动土压力?第32页/共119页一.半无限土体中极限平衡应力状态和朗肯土压力§5.2朗肯(Rankine)土压力理论半无限土体内各点的应力从弹性平衡状态发展为极限平衡状态的条件PaK0vv45o+/290o-svshz半无限土体主动极限平衡状态第33页/共119页被动极限平衡应力状态5.2朗肯土压力理论1fv=zK0vs1s345-f/2Pp第34页/共119页朗肯土压力理论基本条件和假定条件墙背光滑墙背垂直填土表面水平假设墙后各点均处于极限平衡状态§5.2朗肯土压力理论第35页/共119页§5.2朗肯土压力理论二.主动土压力PaK0vv=

γ

zc0令:或第36页/共119页(H-z0)/3§5.2朗肯土压力理论二.主动土压力Eaz0主动区45o+/2Hγ主动土压力分布图第37页/共119页§5.2朗肯土压力理论三、被动土压力被动土压力分布vHγPpEp第38页/共119页§5.2朗肯土压力理论填土为砂土

45+/2主动土压力分布墙后破裂面形状填土面Hγ第39页/共119页45-/290+三.被动土压力被动土压力分布墙后破裂面形状填土面Hγ§5.2朗肯土压力理论第40页/共119页一.填土面上有均布大面积荷载四、几种情况下的朗肯土压力计算§

5.2朗肯土压力理论13HqKaZ第41页/共119页H一.填土面上有均布大面积荷载四、几种情况下的朗肯土压力计算§

5.2朗肯土压力理论第42页/共119页二、填土面上有局部荷载--朗肯土压力理论45o+/245o+/2四、几种情况下的朗肯土压力计算HqqKa§

5.2朗肯土压力理论第43页/共119页三.成层填土g1

φ1c1g2

φ2c2CAH2H1B填土面选用所在层的c、φ值进行计算,界面点分别计算.§

5.2朗肯土压力理论第44页/共119页B四.有地下水填土面地下水g1

1c1H1H2g2

2c2§

5.2朗肯土压力理论1.水土分算原则水压力、土压力分别计算,对浸水土体受到水浮力时,土压力计算取用有效重度γ'

。第45页/共119页gwH2水压力CBAg

φg

φH2H1B不透水层墙基不透水(gH1+gH2)gH1土压力KaKa四.有地下水§

5.2朗肯土压力理论第46页/共119页B四.有地下水填土面地下水g1

φ1c1H1H2g2

φ2c2§

5.2朗肯土压力理论2.水土合算原则仅计算土压力,不单独计算水压力,对浸水土体土压力计算时取用饱和重度γsat

。第47页/共119页四.填土中有水u=0孔压gsatH2gH1垂直有效应力=总应力Ka(gH1+gsatH2)KagH1土压力填土渗透系数比地基土小得多H2H1透水地基可考虑绘制流网或计算确定孔压后计算§

5.2朗肯土压力理论第48页/共119页小结问题:朗肯土压力理论的基本条件和假定给出主动和被动土压力分布及计算公式§5.2朗肯土压力理论第49页/共119页小结基本条件和假定极限应力分析破坏形式主动和被动砂土和粘性土主动土压力系数被动土压力系数静止土压力系数vPpPa§5.2朗肯土压力理论第50页/共119页如果墙背倾斜,具有倾角;墙背粗糙,与填土摩擦角为;墙后填土面任意。如何计算挡土墙后的土压力?第51页/共119页墙后填土假设:是均匀的砂土平面滑裂面假设:滑裂面为平面刚体滑动假设:破坏土楔为刚体假设条件:主动极限平衡状态§5.3库仑土压力理论§5.3库仑土压力理论C.A.Coulomb(1776)ABABcGCH一、主动土压力第52页/共119页ABcG1.土楔体自重G垂直于板面方向取1m长为计算单元进行研究,G=γ.ΔABC的面积,γ——墙后填土容重。设AD为三角形BC边上的高A=90o-ε+β,B=90o-θ+ε,在三角形ABC中,各角度值分别为:C=180o-90o+ε-β-90o+θ–ε=θ-β,则:AD=H.sin(90o-θ+ε)/cosε,D§5.3库仑土压力理论一、主动土压力第53页/共119页由正弦定理得:BC=H.sin(90o-ε+β)/[sin(θ-β).cosε]ΔABC的面积=AD.BC/2,即:§5.3库仑土压力理论一、主动土压力2.滑动面BC上的作用力R主动状态,墙向前移动,土楔体下滑,摩擦力向上,BC面上总的摩擦力与法向力之和为R,按物理学:f=μ.Nμ—为摩擦系数,ABcGNFR第54页/共119页BC面上,两种介质相同,均为土,按库仑定律律,土与土之间的摩擦系数为tanφ,所以,f/N=tanφ,据此知:R位于N的下方,与N的作用线成φ角,ABcGNFR与G的作用线成:§5.3库仑土压力理论一、主动土压力3.墙背AB面上的作用力E与BC面一样,墙背上作用有法向力和摩擦力,该面上总的摩擦力与法向力之和为E,若设墙、土间的摩擦角为δ,E则:E必位于N的下方,与N的作用线成δ角第55页/共119页主动极限平衡状态ABHE§5.3库仑土压力理论一、主动土压力ABcGFREEE与G作用线之间的夹角90°-δ-εGER解三角形得:将前面G的表达式代入得:第56页/共119页由于θ角代表的BC面是假设的滑动面,真正的滑动面是所有可能的θ值中最容易使土体滑动的那个,由于墙体是向前移动,所以最容易滑动的是E值最大的那个面,由上式知:θ=φ,E=0,θ=90°+ε,E=0,所以在θ=φ~90°+ε之间,E有最大值,求该极值:其中:—库仑主动土压力系数,应用时,查表。§5.3库仑土压力理论一、主动土压力第57页/共119页Ea沿深度呈三角形分布,其合力位于墙背法线上方,与墙背法线成δ角,其作用点距墙底H/3具体如图土体一定,Ka常数,Ea沿深度分布的EaE§5.3库仑土压力理论一、主动土压力第58页/共119页被动极限平衡状态§5.3库仑土压力理论二、被动土压力HABRABc求解方法类似主动土压力,变化,

使E最小,dE/d=0,求得:第59页/共119页HEpHKpH/3Ep土压力分布§5.3库仑土压力理论二、被动土压力第60页/共119页三、库仑理论应用中的几个问题1.关于δ的取值δ值与墙后填土的性质、填土含水量及墙背的粗糙程度变化于0~φ之间,实用中,常取δ=2/3~1/3φ,2.当墙后填土为粘性土时为了得到确切的解析解,库仑理论假设墙后填土为无粘性土,当用粘性土回填时,在BC面上各力合成时,将出现粘聚力之和C=c.BC弧长,由于BC弧长度是变量,故无法得其确切解析解;θABCGRNFφCC参与合成后,C、N和F三者之和设为RD,RD§5.3库仑土压力理论第61页/共119页由图知:RD

一定位于R的下方,即RD与N之间的夹角φD一定大于R与N之间的夹角φ,鉴于此,实用中,可考虑将粘性土的φ值适当增大,用增大后的Δφ来近似考虑c值对土压力的影响。θABCGRNFφCRDφD3.库仑理论和朗肯理论间的差异库仑理论是利用土楔体在极限状态的静力平衡条件求解,朗肯理论应用的是半空间应力状态下的极限平衡关系式。即朗肯理论可以看成是库仑理论当δ=0、ε=0、β=0时的特例两者的出发点不同;在库仑公式中,若δ=0(墙背光滑)、ε=0(墙背垂直、β=0(填土面水平),则库仑理论的Ka=tan2(45o-φ/2),三、库仑理论应用中的几个问题§5.3库仑土压力理论即:===0,即墙背垂直光滑,填土面水平,与朗肯理论等价

第62页/共119页4.关于滑动面的形状三、库仑理论应用中的几个问题§5.3库仑土压力理论理论推导时,假设滑动面BC是平面,而实际上是一曲面;主动状态墙向前移,真正的滑动面接近于圆弧(筒)面,当半径较大时,基本上可以看成是平面,因而,按平面计算,其误差相对较小,约为2~10%,尚可以满足工程要求;故工程上,主动土压力一般可以按库仑土理论计算;而在被动状态,墙挤向土体,土中滑动面接近于对数螺线面,根本就不是平面,此时,再按平面计算,无疑会产生很大的误差;其误差随着φ值的增大而增大,甚至达到2~3倍,以致工程上无法直接应用。第63页/共119页5.计算误差由于实际滑裂面不一定是平面主动土压力偏小不一定是最大值被动土压力偏大不一定是最小值滑动面滑动面三、库仑理论应用中的几个问题§5.3库仑土压力理论——库伦土压力理论第64页/共119页计算误差--与理论计算值比较=0c=0滑裂面是直线,Ka,Kp与理论值相同0Ka

朗肯偏大10%左右,工程偏安全 库仑偏小一些(可忽略);

Kp

朗肯偏小可达几倍 库仑偏大可达几倍实际工程问题中,土压力计算非常复杂三、库仑理论应用中的几个问题§5.3库仑土压力理论第65页/共119页计算误差---与理论计算值比较三、库仑理论应用中的几个问题§5.3库仑土压力理论第66页/共119页计算误差---与理论计算值比较三、库仑理论应用中的几个问题§5.3库仑土压力理论第67页/共119页朗肯和库仑土压力理论的比较(1)分析方法

极限平衡状态区别朗肯库仑土体内各点均处于极限平衡状态刚性楔体,滑面处于极限平衡状态极限应力法滑动楔体法§5.3库仑土压力理论第68页/共119页(2)应用条件朗肯库仑1墙背光滑垂直填土水平墙背、填土无限制粘性土一般用图解法2坦墙坦墙3墙背垂直填土倾斜三、库仑理论应用中的几个问题§5.3库仑土压力理论第69页/共119页计算误差--朗肯土压力理论郎肯主动土压力偏大郎肯被动土压力偏小墙背垂直填土水平墙与填土摩擦系数

d>

0填土为砂土c=0

E库仑RWE朗肯E库仑RWE朗肯三、库仑理论应用中的几个问题§5.3库仑土压力理论第70页/共119页lHWABCqREaWGREaEa’qKaHKa三角形相似§5.3库仑土压力理论四.填土面上有大面积均布荷载时的土压力计算第71页/共119页填土面倾斜时如图:BCAε90o-β90o+β-ε

由图中的三角形相互关系得:然后,以CD为墙背,按H+h为墙高进行计算,但这种计算仅在墙高范围内有效。ADCBqHhF§5.3库仑土压力理论第72页/共119页§5.4几种工程中常见的主动土压力计算一.坦墙>cr=45o-/2填土表面水平(1)假设垂直墙面CD上主动土压力Ea’(2)作用在真实墙面AC上的土压力E朗肯理论crEABDC45o-/2B’朗肯Ea’WEWEa’第73页/共119页§5.4几种工程中常见的主动土压力计算(1)求解假设墙面CB上主动土压力Ea(2)作用在真实墙面AC上的土压力E库仑理论RdEaWbacrCABB一.坦墙填土表面倾斜EWEaE第74页/共119页§5.4几种工程中常见的主动土压力计算二.墙背形状有变化带卸荷台的挡土墙土压力H1H245o+/2(H1+H2)KaH1KaABDCEC’E’第75页/共119页墙背形状有变化CABDdEa1ADEa2CB§5.4几种工程中常见的主动土压力计算第76页/共119页三、库尔曼图解法确定主动土压力当填土表面不规则时,用公式计算很困难,此时可采用图解法确定。比较常用的应属库尔曼(C.Culmann.1875)图解法,步骤如下:1.过墙脚B作水平线BH;ABH2.过B点作φ线,与水平线成φ角;φ3.过B点作ψ线,与φ线成ψ=90o-ε-δ角;ψ4.任选一试算的滑动面BC1,C1它与水平线成θ1角,计算滑楔体ABC1的重力G1,φ线θ1ψ线第77页/共119页ABHφψ=90o-ε-δC1θ1

Ψ线按适当的比例尺在φ线上画出Bd1代表G1

,d1G1过d1点作直线与ψ线平行,交φ线于e1

点,e1则d1e1线段的长度就是土楔体ABC1对墙背的作用力E1,E1Gθ-φ90°+δ+ε-θ+φERφ线90°-ε-δψ第78页/共119页5.重复上述步骤,假定n个滑动面,可得n个E值ABHφψ=90o-ε-δC1θ1

Ψ线d1G1e1E1φ线C2G2e2E2第79页/共119页ABHφψ=90o-ε-δC1θΨ线d1G1e1E1φ线C2G2e2E2G3C3e3E3第80页/共119页ABHφψ=90o-ε-δC1θΨ线e1E1φ线C2e2C3enCnE线或库尔曼线作直线平行于φ线并与E线相切Ea=EmaxG1G2G4第81页/共119页土压力作用点的位置:ABHC形心G过形心作BC的平行线δEa墙背法线θ第82页/共119页四、粘性土土压力的图解法如果墙体不受约束,当位移很大,墙后填土的抗剪强度充分发挥时,填土顶面Zo深度处将出现拉力裂缝,按朗肯理论:裂缝深度内,内聚力c=0。1.假设滑动面BC1,BAC1D2.计算土楔体ABC1D的重力G1,3.作力多边形G1第83页/共119页BAC1DG1G1CCaRECCa墙背法线滑动面法线REC~BC1面上的粘聚力,C=c*BC1的长度,沿BC1面方向作用,阻止土楔体下滑,方向向上。Ca

~AB面上的粘聚力,Ca=ca*AB的长度,沿AB面方向作用,阻止土楔体下滑,方向向上,ca为墙背与土之间的粘聚力。第84页/共119页粘性土的图解法W中包括BCDEEaz0WBCDACADCAEREWEaRCAECAD第85页/共119页土压力的确定:BC1AGCCaRφREE1E2E3EnEa=Emax最危险滑动面第86页/共119页例题:图示挡土墙,墙背光滑、垂直,填土面水平,其它指标见图,求作用在墙背上的主动土压力和被子动土压力的值。解:主动土压力第87页/共119页123第88页/共119页123zo根据三角形相似比:Ea1Ea2被动土压力第89页/共119页12369.39Ep1Ep2本题中:Ep/Ea=2072.01/157.63=13.14可见:被动土压力大大大于主动土压力。第90页/共119页§5.5挡土墙设计一、挡土墙的类型1.重力式挡土墙在土压力作用下,墙要向前倾覆或移动,而墙身自重对抗倾覆和抗移动都是有利的;为了增加墙身自重,这类挡土墙通常由素混凝土、毛石等自重较大的材料作成,如图。这样的一类挡墙通常称为重力式挡土墙。重力式挡土墙2.悬臂式挡土墙墙身用钢筋混凝土制作,内配受拉钢筋,墙身稳定性靠墙趾上的土体自重来维持。适用于墙高为10.0m左右的挡土墙。G支撑天然斜坡E由于依靠自身的重力来抵抗倾覆或移动,当墙高较大时,为满足稳定需要的墙身断面过大,不经济,因此,重力式挡墙的适宜高度以不超过6.0m为宜。第91页/共119页3.扶壁式挡土墙在悬臂式挡土墙的基础上,沿纵向每隔1~2m加设一道胁板,以增加立板的刚度——扶壁式挡土墙。4.锚板式挡土墙理论滑裂面挡土墙验算包括地基承载力验算、墙身承载力验算和墙身稳定性验算三部分§5.5挡土墙设计第92页/共119页5.加筋挡土墙§5.5挡土墙设计第93页/共119页Ds3=2Dctg(45o-φ/2)1土工合成材料 土工布 土工带 土工格栅2原理:筋材在拉应变方向,提供拉力,对土体产生压力,从而提高土的抗剪强度加筋土中的土加筋土31c素土35.加筋挡土墙§5.5挡土墙设计第94页/共119页二、墙身稳定性验算工程中的挡土墙,为了增加其基底的抗滑移性能,常做成基底逆坡的形式;其失稳破坏有两种形式:一为沿基底的滑移,另一为绕墙趾A点的转动,作用在挡土墙上的力有土压力Ea,墙体自重G,1.倾覆稳定验算GEa取x、z轴,将各力向坐标轴上投影xzαEax=Easin(α-δ)Eaz=Eacos(α-δ)αoxobδzfz所有各力对A点取矩,要求:xfA§5.5挡土墙设计第95页/共119页2.滑移稳定验算tnGn=G.cosαo,Gt=G.sinαoEat=Ea.sin(α-αo-δ)Ean=Ea.cos(α-αo-δ)要求:其中:G——挡土墙每延米自重;αo——挡土墙基底倾角;α——挡土墙墙背倾角;δ——土对挡土墙墙背的摩擦角;μ——土对挡土墙基底的摩擦系数;GEaααoxobδzfzxfA沿着基度方向取为轴t,其垂直方向取为n轴,将各力向坐标轴上投影§5.5挡土墙设计第96页/共119页挡土设计中的几个名词墙顶

墙面

墙背墙底—墙背倾角—填土面倾角墙趾墙踵§5.5挡土墙设计第97页/共119页三、重力式挡土墙构造要求1.墙背倾斜方式<0>0墙背仰斜墙背垂直墙背俯斜Ea值最小Ea值居中Ea值最大适用于墙前平坦地面适用于墙前倾斜地面适用于填土筑墙墙背的倾斜形式应根据使用要求、地形和施工情况综合确定。2.墙面坡度选择墙前地面较陡时,墙面坡度可取1:0.05~1:0.2,亦可直立。§5.5挡土墙设计第98页/共119页墙前地面较缓时,对中、高挡土墙,墙面坡度可适当放缓,但不宜缓于1:0.4,以免增加墙身高度或开挖宽度。仰斜墙墙背越缓,主动土压力越小,但为了避免施工困难,仰斜墙墙背坡度一般不宜缓于1:0.25,墙面坡尽量与墙背坡平行。3.基底逆坡为了增加基底的抗滑移性,常将基底做成逆坡;但逆境坡坡度过大,破坏面常不在墙土接触面上,而是发生在土中;因此,设计时逆坡坡度不宜过大。在土质地基中,可取n:L=0.1:1,在岩石地基中,可取n:L=0.2:1nL4.墙趾台阶和墙顶宽度为增加承压面积,满足地基承载力要求,可在墙趾设置台阶,对重力式挡土墙,墙趾台阶宽度不小于200mm,且墙趾台阶高宽比可取h:a=2:1。§5.5挡土墙设计第99页/共119页墙顶宽度采用毛石时,不应小于500mm,混凝土挡土墙,可为200~400。同时,基底法向力的偏心距应小于等于b1/4。5.排水措施墙后积水时,要产生水压力,若土粒受到水浮力,虽使自重减轻,土压力减小;但此时水压力和土压力之和却比无水时的土压力大;且土体浸水后软化,强度降低,很容易导致墙体失稳、破坏;特别是在季节性冻土地区,浸水后的冻胀作用非常严重,设计上难以计算,是造成挡土墙失稳破坏的重要原因。因此,正常使用中墙后不允许存水——排水、隔水。i=5%排水沟排水孔反滤层(500mm)隔水层隔水层§5.5挡土墙设计第100页/共119页i=5%排水孔排水沟排水孔反滤层(500mm)隔水层隔水层隔水层§5.5挡土墙设计第101页/共119页6.墙后回填土的

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