建筑地基基础设计方法及实例分析08-挡土墙

建筑地基基础设计方法及实例分析（八）2019年度注册结构师继续教育4.1

基本要求4.2

重力式挡土墙4.3悬臂式挡墙和扶壁式挡墙

4.4地下室挡墙4.5常见问题与案例1挡土墙应用挡土墙的设计归属问题：目前通常做法，与建筑物有关的挡土墙设计由注册结构师完成；对特别重要的挡土墙设计，建议由注册岩土工程师完成或者由两者共同完成。2挡土墙类型按材料分类毛石、砖、混凝土和钢筋混凝土。按结构形式分类重力式挡墙悬臂式挡土墙扶壁式挡墙地下室挡墙板桩式挡墙锚定板或锚杆式挡墙加筋土挡土墙3挡土墙类型选择

考虑土层构成、地下水情况、地基承载力和压缩性、施工条件、经济和美观。

4挡土墙平面布置

增强结构的空间刚度

弧线型，转折墙

挡土墙与建筑结构形成空间结构5挡土墙墙背填土选择颗粒材料

力学性质稳定，渗透性好

优先

黏性土

与含水量相关，透水性差

禁止高塑性土

细粒土

易冻胀，渗透性小

非寒冷区，排水措施6挡土墙土压力

土压力是挡土墙的主要荷载

根据墙的位移情况和墙后土体所受的应力状态分为：主动土压力，被动土压力，静止土压力

影响因素：填土性质、填土过程、墙的刚度和形状、墙的位移。

特殊情况，考虑水压力、超载房屋车辆引起的附加应力、地震力（F=kG）一、

土压力的类型根据挡土墙的模型试验，发现土压力在挡土墙向前移动、向后移动或静止不动时的大小不同，由此根据挡土墙可能移动的方向，将土压力分为三种类型：3.被动土压力1.静止土压力2.主动土压力1.静止土压力

挡土墙在土压力作用下，处于静止不动的状态即位移为零时，墙后土体处于弹性平衡状态，此时墙所受的土压力称为静止土压力，用E0表示。2.主动土压力墙体外移或外倾，作用于墙上的土压力逐渐减小，当位移达一较小值时，墙后土体开始破坏，达到主动极限平衡状态时所对应的土压力称为主动土压力，用Ea表示。3.被动土压力墙体向填土方向移动（内移或内倾），作用于墙上的土压力逐渐增大，当位移达一较大值时，墙后土体开始破坏，达到被动极限平衡状态时所对应的土压力称为被动土压力，用Ep表示。挡土墙位移与土压力的关系三种土压力大小的比较相同条件下：Ep>E0>Ea三种土压力位移的比较被动土压力：密实砂土Δ≈5%H密实粘土Δ≈10%H主动土压力：密实砂土Δ≈0.5%H密实粘土Δ≈2%H静止土压力：

Δ=0基本原理表面水平的地基内某一深度z处M点的应力状态:σ1=σcz=γzσ3=σcx=k0γz此时该点处于弹性平衡状态。朗金假设用一个墙背垂直光滑的刚性挡土墙取代M点的左半部，据墙背光滑假定，土单元无剪应力，应力状态不变主动土压力

a

cx

cz

主动极限平衡状态

当挡土墙向前移动，M点的σcz保持不变，水平应力σcx

逐渐减小，直至达最小值σcx=σa，此时墙后土体处于主动极限平衡状态，极限应力圆与强度包线相切，土中形成一组滑裂面，滑裂面与水平面的夹角为α=45˚+

／2。45˚＋

/245˚－/2被动极限平衡状态被动土压力当挡土墙向后移动挤压土体，M点的σcz仍然不变，水平应力σcx

逐渐增大并超过σcz

成为σ1

,直至达最大值σcx=σp此时σcz=σ3,墙后土体处于被动极限平衡状态，极限应力圆与强度包线相切，土中形成一组滑裂面，滑裂面与水平面的夹角为α=45˚-

／2。

σczσcxσp被动极限平衡应力状态:被动土压力主动极限平衡应力状态:主动土压力EaK0

v

v

Ep

a

p

v

vKa=tan2(45

-f/2)Ka----主动土压力系数Kp=tan2(45

+f/2)Kp----被动土压力系数1.无粘性填土（c=0）HH/3

HKa主动土压力分布45˚＋/2令Ka=tan2（45˚-

／2）--主动土压力系数总的主动土压力为：Ea作用点滑裂面方向主动土压力的计算2.粘性填土（c≠0）HKaHKa-2cKaZ0Ea2cKa(H-Z0)/3主动区粘性土主动土压力分布z<z0

拉应力，开裂z>z0

粘性填土HKa

HKa-2cKaZ0Ea2cKa(H-Z0)/3总主动土压力:作用点距墙底：（H–z0）／345－/2被动土压力的计算1.无粘性填土（c=0）滑裂面方向令Kp

=tan2（45˚+

／2）--被动土压力系数HH/3HKpEp总的被动土压力为：作用点粘性土被动土压力分布2.粘性填土（c≠0）令Kp

=tan2（45˚+

／2）--被动土压力系数Ep1Ep2总的被动土压力为：作用点在梯形形心处。45－/2滑裂角朗金主动土压力分布形式无粘性土：主动土压力大小与深度成正比沿挡土墙高为三角形分布粘性土：主动土压力由两部分组成：一部分由土体自重引起沿挡土墙高为三角形分布一部分由粘聚力引起的拉力沿挡土墙高为矩形分布与深度无关实际土压力为三角形分布粘性土无粘性土朗金被动土压力分布形式无粘性土：被动土压力大小与深度成正比沿挡土墙高为三角形分布粘性土：被动土压力由两部分组成：一部分由土体自重引起沿挡土墙高为三角形分布一部分由土粘聚力引起沿挡土墙高为矩形分布与深度无关实际土压力为梯形分布无粘性土粘性土

工程中几种常见情况的主动土压力计算一.填土上有连续均布荷载二.成层填土情况三.填土中有地下水

1=gz+q

a=

3=qKa+gzKaHZ

1

3qKaHKaq1)填土上有连续均布荷载无粘性填土主动土压力由两部分组成:一部分由土的自重产生,沿墙高呈三角形分布；一部分由均布荷载产生,沿墙高呈矩形分布；二者叠加成梯形分布图形

总主动土压力为：作用点在梯形形心处2)填土中有地下水当填土中有地下水时，墙背上作用有土压力和水压力。计算时假定水位上下

值相同，地下水位下采用有效重度γ′，则土压力分布在地下水位处发生“转折”。无粘性填土总土压力:KagH1+KagH2gwH2KagH1总压力为土压力与水压力之和:

E=Ea

+Ew水压力土压力CBAg1

1g2

2H2H12)成层填土

2

>

1:Ka1>Ka2

2

<

1:Ka1

<

Ka2

A点:σ1=0σa=0B点上下土压力系数不同B点上:σ1=γ1H1σa=γ1H1Ka1

B点下:σ1=γ1H1σa=γ1H1Ka2C点:σa=(γ1H1+γ2H2)Ka2无粘性填土小结:

成层填土由于不同土层的

值不同，主动土压力系数不同，故土压力分布在层面处有“突变”。1)墙后填土为无粘性土；

2)滑动面为通过墙踵的平面；

3)破坏土楔ABC视为刚体，不考虑土楔内部的应力与变形基本假定θβＡＢＣε基本原理θθ主动极限平衡状态被动极限平衡状态根据挡墙向前或向后位移,滑动土楔向下或向上移动时,土体达极限平衡状态,由楔体静力平衡条件求解主动或被动土压力。应用范围1)墙背倾斜，倾角为ε；

2)墙背粗糙，与填土间的摩擦角为δ（外摩擦角）；

3)填土表面倾斜倾角为β。θβＡＢＣε主动土压力挡土墙向前移动土体达主动极限平衡状态时，滑动楔体ABC向下滑动，作用在土楔上的力有：1）楔体ABC的重量W

方向垂直向下，大小：W=0.5γ×BC×AD2)滑动面BC上的反力R

大小:未知方向:在BC面法线下方,

与法线夹角为

θβＡＢＣεDWRE

δH3)墙背AB面对滑动楔体的反力E大小:未知方向:在AB面法线下方,与法线

夹角为δ主动土压力θβＡＢＣεDWRE

δH滑动土楔在三力作用下处于平衡状态，构成的力三角形必然闭合。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）主动土压力

上式中滑动面BC的倾角θ未知，当假设的滑动面位置不同，θ、Ｗ和Ｅ都将随之而改变，因此Ｅ是θ的函数，取若干滑动面θi，可通过微分学中求极值的方法确定理论破裂角θcr：θβＡＢＣεDWRE

δHθcr式中:ε——墙背与垂直线的夹角，以垂直线为准，顺时针为负，逆时针为正；δ——墙背面与填土之间摩擦角；β——填土表面与水平面的夹角。ε+δ作用点:

H/3Ea方向：与水平面成（ε+δ）角当b=d=a=0时，即：墙背光滑垂直，填土表面水平时与朗金土压力理论一致由库仑土压力公式可知：主动土压力与墙高H（z）成正比。可将Ea对z求导，得到土压力的分布：Eaε+δ由此可见：主动土压力为三角形分布

被动土压力

挡土墙向后移动土体达被动极限平衡状态时，滑动楔体ABC向上滑动，作用在土楔上的力有：1）楔体ABC的重量W

方向垂直向下，大小：W=0.5γ×BC×AD2)滑动面BC上的反力R

大小:未知

方向:在BC面法线上方,

与法线夹角为

θβＡＢＣεDWRE

δH3)墙背AB面对滑动楔体的反力E

大小:未知

方向:在AB面法线上方,与法线

夹角为δ求解方法类似主动土压力,根据构成的力三角形闭合求E。取若干滑裂面

不同,求极值令dE/d

=0，求得

cr

，得到：被动土压力土压力分布合力作用点：距墙底（1/3）H处。合力方向：与水平面成（δ-ε）角被动土压力

土压力计算的讨论库仑土压力公式中当b=d=a=0时，即：墙背光滑垂直，填土表面水平时与朗金土压力理论一致所以,朗金土压力理论是库仑理论的特例*朗金和库仑土压力理论的比较#分析方法区别朗金库仑

极限平衡状态土体内各点均处于极限平衡状态刚性楔体,滑面上处于极限平衡状态极限应力法滑动楔体法#应用条件朗金库仑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#计算误差--朗金土压力理论墙背垂直实际

d>0朗金主动土压力偏大朗金被动土压力偏小#计算误差--库仑土压力理论由于实际滑裂面不一定是平面主动土压力偏小一点不一定是最大值被动土压力偏大不一定是最小值#计算误差---与理论计算值比较#计算误差---与理论计算值比较#计算误差--与理论计算值比较

=0滑裂面是直线，三种理论计算Ka,Kp相同

0Ka

朗金偏大10%左右，工程偏安全 库仑偏小一些（可忽略)；

Kp

朗金偏小可达几倍； 库仑偏大可达几倍;在实际工程问题中，土压力计算是比较复杂的。高大挡土墙实际土压力将大于理论计算值，且其分布情况与理论分布也大有区别。高大挡土墙的土压力总是接近于静止土压力值。

k0=1－sinφ

挡土墙上土压力的修正φ一般在10º～30º之间，则1+sinφ实质上为1.2～1.5之间

挡土墙后回填土土压力分布墙身水平位移控制挡土墙的稳定性验算设计：挡土墙的稳定性验算主要受滑动稳定控制现实：倾覆稳定出现的事故又占有很大的比例主要原因：土压力实际上不是线形分布的计算的倾覆力矩较实际值小原规范取1.5的安全系数，实际上只有1.2左右解决方案方案1：将土压力分布改成上图中虚线的分布图式，即上面高度一半处为三角形分布，下面为矩形分布；方案2：将安全系数适当提高，由原来的1.5增大成1.6。（现规范采用方案）4有限填土条件下的土压力陡竣的岩石边坡，其坡角θ大于库仑破裂面的倾角（45º+φ/2），此时墙后填土称为有限填土。有限填土条件下的土压力，一般都大于主动土压力，介于主动土压力与静止土压力间。可采用楔体极限平衡条件求得。4有限填土条件下的土压力5桩（肋柱）间挡板的土压力计算3构造设计

1）高度，小于8m2）埋深，基底逆坡（土1:10，岩1:5）3）宽度，“挡土墙不用算，宽是高之半”4）伸缩缝、沉降缝5）排水措施4设计建议减少土压力：填料、填筑质量、墙背形式、减压平台、排水措施。提高抗滑能力：基底逆坡，墙趾锯齿台阶，扩大底宽，

基础底面夯填碎石

提高抗倾覆：改变墙胸墙背坡度，墙背衡重台，增大底宽

提高地基承载力：设置墙趾台阶增大底宽，地基处理，桩基悬臂式和扶壁式挡墙的设计要点和建议1、属于高度较大的挡土墙，用于比较重要的位置，结构设计时应采用合理的结构重要性系数γ0和土压力增大系数Ψc。2、结构计算建议采用电算或者按《建筑结构静力计算手册》计算，简化计算可在初步设计时估算。3、按《手册》计算时，取混凝土的泊松比为1/6，注意扶壁的计算跨度，适当考虑墙板的塑性内力重分布。4、结构内力计算时考虑荷载效应基本组合，乘1.35，一般按永久荷载控制的组合验算；挡墙稳定及地基承载力计算时取荷载效应标准组合。地下室挡土墙的土压力分布（1）在基础、楼层和地下室顶板处的挡土墙侧向位移受到约束，此处可取静止土压力系数k0

（2）土压力系数曲线如图，可简化为两端k0，中间ka地下室挡土墙的设计要点及建议

1、静止土压力的确定，k0=0.5适用于填土较好情况；如果考虑墙体中部的平面外变形，土压力系数可以适当减小。2、地下室外墙设计时，通常需考虑消防车道汽车轮压等特殊荷载，需考虑轮压的合理扩散，与覆土厚度有关。3、地下室外墙设计，应采用考虑塑性内力重分布的方法，进行截面配筋、构件的抗裂和挠度验算。4、相邻地下室挡墙之间的有限土压力问题，建议仍取k0。一、地下室外墙设计时，消防车荷载取值不正确1．原因分析1）占地面积按规范规定最小间距考虑2）消防车荷载为直接作用在楼板上的等效均布荷载3）土对车轮压的扩散作用具有空间扩散的特点2．设计建议1）应考虑对车轮压的扩散作用2）车轮压对地下室外墙的荷载分布为上大下小、扩散面积为上小下大的立体体积（图8.4.5）3）覆土厚度足够时，按表8.4.4中平均重量计算土压力4）外轮廓线平齐时，考虑消防车作业时与建筑物实际距离二、地下室外墙设计时，未考虑永久性护坡桩对减小土压力的有利影响1．原因分析永久性护坡桩能减小地下室外墙土压力2．设计建议1）考虑两者共同作用时，按静止土压力系数的2/3计算土压力2）对边坡支挡结构，考虑共同作用，土压力系数乘以2/3计算土压力三、地下室外墙设计时，当墙高超过5m时，仍按边坡支挡结构的要求采用土压力放大系数1．原因分析1）边坡支挡结构采用放大土压力系数的方法进行弥补2）地下室外墙采用静止土压力2．设计建议地下室外墙高超过5m时，不放大土、水压力，一般土压力系数取0.5

四、地下室挡土墙基础设计时，未考虑土压力的影响

1．原因分析1）既承受竖向荷载又承受土压力引起的弯矩2）布置基础时应考虑竖向荷载和墙底弯矩的共同作用2．设计建议1）条基加防水板基础，基础的中心点与合力作用点重合2）墙下筏板基础，筏板考虑竖向荷载和墙底弯矩的共同作用

五、抗震设计的地下室永久性抗震