路基支挡结构

第六章路基支挡结构设计路基支挡结构包括挡土墙、抗滑桩、锚索和锚杆框架等支撑和锚固结构，是用来支撑、加固填土或山坡土体，防止其坍滑以保持稳定的一种建筑物。路基支挡建筑物可用来平衡路基及路基面以上荷载形成的土压力，也可用来承受滑动土体的下滑推力（抗滑建筑物）。第一节概述一、挡土墙结构的分类Ø石砌体Ø片石混凝土1.根据所用材料分类Ø素混凝土Ø钢筋混凝土2.根据挡土墙的位置分类路堑墙路肩墙路堤墙Ø一般地区Ø浸水地区3.根据所处环境分类Ø地震地区E填土Ø重力式挡土墙Ø轻型挡土墙4.根据结构形式分类重力式挡土墙的四种主要形式（1）仰斜墙背式（2）俯斜墙背式仰斜和俯斜式重力式挡土墙的特点：适用范围Ø依靠墙身自重抵御土压力Ø型式简单，取材容易，施工简便Ø产石料地区Ø地基良好，非地震和沿河受水冲刷地区，墙高6m以下可采用干砌；Ø其它情况宜采用浆砌（3）衡重式特点适用范围Ø利用衡重台上部填土的下压作用和全墙重心的后移，增加墙身稳定，节约断面尺寸；Ø墙面陡直，下墙墙背仰斜，可降低墙高，减少基础开挖Ø山区、地面陡峻的路肩墙Ø路堑墙（兼有拦挡坠石作用）或路堤墙（4）折线墙背式由仰斜墙背演变而成，上部俯斜，下部仰斜，可以减小上部的断面尺寸几种常见的轻型挡土墙（1）锚杆挡土墙（2）锚定板挡土墙在平衡土压力方面，锚杆挡土墙的特点是在填土内埋入锚固件，或在稳定土层中插入锚杆利用锚固件的抗拔力，将挡土板拉紧（3）桩板挡土墙在平衡土压力方面，柱板式或桩板式挡土墙的特点是把柱（桩）部分埋入地基内，用柱、板结构挡土，以地基抗力保持柱板稳定（4）加筋土挡土墙在平衡土压力方面，加筋土挡土墙的特点则是利用拉筋与土之间的摩擦力抵抗土压力，并以拉筋与墙面板连接挡土（5）薄壁挡土墙在平衡土压力方面，薄壁挡土墙的特点是依靠墙身自重和墙底板以上土体的重力维持挡土墙的稳定钢筋混凝土挡土墙二、挡土墙的主要作用Ø稳定边坡Ø减少土方Ø防止冲刷Ø拦挡落石Ø整治滑坡等三、挡土墙的设置陡坡路堑边坡薄层开挖、路堤边坡薄层填方地段或为加强路堤本体稳定地段；避免大量挖方、降低边坡高度、加强边坡稳定性的路堑地段；不良地质条件下，为加固地基、边坡、山体、危岩或拦挡落石地段；水流冲刷严重或长期受水浸泡的沿河、滨海路堤地段；为节约用地、减少拆迁或少占农田的地段；为保护重要的既有建筑物、生态环境或其他特殊的地段。第二节挡土墙土压力计算土压力是指挡土墙后的填土因自重或外荷载作用土压力是指挡土墙后的填土因自重或外荷载作用对墙背产生的侧向压力。对墙背产生的侧向压力。ØØ设计挡土墙时首先要确定土压力的设计挡土墙时首先要确定土压力的性质、大小、方性质、大小、方向向和和作用点作用点。。ØØ土压力的计算是个比较复杂的问题。它随挡土墙可土压力的计算是个比较复杂的问题。它随挡土墙可能位移的方向分为能位移的方向分为主动土压力主动土压力、、被动土压力被动土压力和和静止静止土压力土压力。。ØØ土压力的大小还与墙后填土的性质、墙背倾斜方土压力的大小还与墙后填土的性质、墙背倾斜方向等因素有关。向等因素有关。一、土压力的种类静止土压力：当挡土墙静止不动，土体处于弹性平衡状态，土对墙的压力称为静止土压力，一般用E0表示。主动土压力：当挡土墙向离开土体方向偏移至土体达到极限平衡状态时，作用在墙上的土压力称为主动土压力，一般用Ea表示。被动土压力：当挡土墙向土体方向偏移至土体达到极限平衡状态时，作用在挡土墙上的土压力称为被动土压力，用Ep表示。二、静止土压力计算静止土压力：墙体不发生任何位移(即d=0)相当于天然地基土的应力状态（侧限状态或K0应力状态)。zσvσvσhp0=σhzgs=vzKgs0h=zKpgs0h0==20021HKEg=总静止土压力HzzKpg00=H31E0HKg0K0为静止土压力系数；对于侧限应力状态，理论上：K0=ν/(1-ν)；由于土的ν很难确定，K0常用经验公式计算，对于砂土、正常固结粘土：f′-=sin10KWilliamJohnMaquornRankine(1820-1872)土力学热力学英国科学家三、朗肯(Rankine)土压力理论(1857)（一）基本原理30sgs==zkx1sgs==zzmnm’n’m”n”（二）朗肯基本假定假定：1.墙背垂直2.墙背光滑3.填土表面水平图中:σv、σh为主应力，且σv=gzHzsvsh土压力强度计算公式：)245(2)245(2jjg-°⋅--°=tgcztgpa)245(2)245(2jjg+°⋅++°=tgcztgpp1、朗肯主动土压力计算1）无粘性土)2/45(2fg-⋅⋅=otgzpaaazplg⋅⋅=)2/45(2fl-=otga总主动土压力221HEaagl=Hpaagl=2/2HEaagl⋅=H31（三）土压力计算s145°+f/2pa=s3z其中：λa为朗肯主动土压力系数2）粘性土主动土压力强度aaaczpllg2-⋅⋅=45°+f/2z0－z0aczlg20=aaaczpllg2-⋅⋅=0=apzz0zz0)2/45(2fl-=otga式中：如右图：总主动土压力gllgllg2202221))(2c-(21ccHHzHHEaaaaa+-=-=aaacHpllg2-=H)(310zH-Ea－z0aczlg20=2、朗肯被动土压力计算1）无粘性土被动土压力强度)2/45(2fg+⋅⋅=otgzppppzplg⋅⋅=)2/45(2fl+=otgp总被动土压力221HEppgl=45°-f/2pp=s1s3zHpppgl=2/2HEppgl⋅=H31式中λp为朗肯被动土压力系数：2）粘性土被动土压力强度pppczpllg2+⋅⋅=Hpglpcl2EpH总被动土压力pppcHHEllg2212+=)2/45(2fl+=otgp式中：四、库仑土压力理论1776年,法国工程师库伦通过研究挡土墙后土体（滑动楔体）的静力平衡,提出了滑动楔体理论，亦称库伦理论。1、挡土墙是刚性的，墙后的填土是理想的散粒体（粘聚力c=0）；2、滑动破坏面为一通过墙踵的平面。3、滑动楔体为刚体。库伦基本假定库仑理论假设墙后土楔体处于极限平衡状态时滑动面为平面滑动土楔体为刚体墙后填土为砂性土在AB和BC滑动面上抗剪强度均已充分发挥墙后地面为任意平面时库仑主动土压力计算图1、库伦主动土压力计算RGEaBAC当挡土墙墙背AB受力向前移动，将出现破坏楔体ABC，当其处于极限平衡时，由力三角形abc据正弦定理可得：式中δ为墙背摩擦角φ为墙后土体内摩擦角θ为破裂面BC与铅垂线之夹角α为墙背倾角β为墙后土面与水平面之夹角，称土面倾斜角G)sin()cos()sin()90sin(adjqjqadjqjq-+++=-++--°⋅=QQEaGGR将G代入得主动土压力)sin()cos()cos()sin()cos(sec2122adjqjqqaqaag-+++⋅+-+=iiHEa由式可知，当参数γ、φ、δ、α、i为定值时，Ea是θ的函数，可随破裂面不同而变化。因此，假定因此，假定不同的滑动面可以得出一系列相应的土压力不同的滑动面可以得出一系列相应的土压力EE值。值。EE的最大值的最大值EEmaxmax即为墙背的主动土压力。其所对应的即为墙背的主动土压力。其所对应的滑动面即是土楔最危险的滑动面。滑动面即是土楔最危险的滑动面。)sin()cos()sin()90sin(adjqjqadjqjq-+++=-++--°⋅=QQEaGG故在式中，将Ea对θ求导，并令0=qddEa则可导得222cos()sin()sin()coscos()[1]cos()cos()aiifalfdfadadaa+=+--+-+式中λa—库仑主动土压力系数aaHElg221=q墙后地面为任意平面时库仑主动土压力计算图上述计算是据图示得出的，墙背俯斜时的α为正值，如果墙背仰斜，α应改为负值进行计算墙背仰斜和俯斜时主动土压力分解在挡土墙设计中为检算方便，常将Ea分解为水平力和竖直力，则墙背仰斜时cos()xaEEda=-sin()yaEEda=-为了确定土压力作用点或求挡土墙某一截面所受的土压力，常需做土压应力图，若沿墙高H以变量h代替，则得深度h处的主动土压应力σh为：aahrhdhhdEls==)(aaHElg221=σh是h的一次函数，土压应力的方向平行于的方向，土压应力图的面积等于Ea，即aarHEl221=土压应力图的形心位置距墙底距离HZx31=即为土压力作用点土压应力图2、库伦被动土压力计算222])cos()cos()sin()sin(1)[cos(cos)(cosbadabjdjdaaajl-⋅-+⋅++-⋅+=pppHElg221=其中式中λp—库伦被动土压力系数作用点在离墙底H/3处，方向与墙背法线的夹角为d。土楔ABC向上滑动，并处于被动极限平衡状态。此时土楔ABC在其自重W和反力R和E的作用下平衡，R和E的方向都分别在BC和AB面法线的上方。采用与求主动土压力同样的原理，可求得被动土压力的库伦公式为：五、库伦土压力理论的应用在道路工程中，挡土墙墙后填土表面不规则，而且在路面上作用有列车或汽车荷载，这时可根据库伦理论，建立各种不同情况下的库伦主动土压力公式。HabKABD图为仰斜的路堤墙，破裂面交于荷载分布范围内。由图可知，破裂楔体ABCGFED的面积为：路堤墙土压力计算h0OCEFG[]2000011()(())(())()()22111(2)()()(22)()222SaHtgtgbatgaaHtgHtgbKhaHhaHtgabbKhHHahtgqaaqaqa=++--+-+++⋅---=+++--++++-1.破裂面交于荷载中间令))(2(2100HahHaA+++=00011()(22)22BabbKhHHahtga=++-++则00BtgAS-=q由此，破裂楔体的重量：[]2000011()(())(())()()22111(2)()()(22)()222SaHtgtgbatgaaHtgHtgbKhaHhaHtgabbKhHHahtgqaaqaqa=++--+-+++⋅---=+++--++++-00()GAtgBgq=-令adjy-+=得到00cos()()*sin()aErAtgBqjqqy+=-+………………（）))((00ABtgctgtgtgtg++±-=yjyyq求出θ后，代入式(*)即可得主动土压力sin(90)cos()sin(())sin()aEGGqjqjqjdaqjda°--+=⋅=+++-++-48HabKCFGABDh0O2.破裂面交于荷载内侧211()(tantan())(tan())22SaHbaaqaa=++--+-2111()tan(2)tan222aHabHHaqa=+-++－49ABDHabKCFGh0O3.破裂面交于荷载外侧20011()(tantan)(tan)22SaHbaalhqaa=++-++－－200111()tan(2)tan222aHablhHHaqa=+-+++－Ea的作用点位置，可由墙背上的侧压力应力分布图形的形心来求得。当填土为平面、无荷载时，应力与深度成正比，为线性分布，即应力分布图形为三角形边界条件复杂时，首先绘制出土压力应力图形，根据土压力应力图形可以很容易的求得该图形的几何形心距墙底的高度，这就是水平土压力作用点的位置各种边界条件下主动土压力大小、作用点、方向及主动土压力系数、破裂角，《铁路工程设计技术手册－路基》中均制成图表Ea可以表示为高度H的函数；根据Ea和的物理意义，可以绘制出土压力应力图形墙背土压力应力图形aadEdHs=as当墙后破裂面交于规则地面时：当墙后破裂面交于不规则地面时：aaadEhdHsgl==gg0()aaadEahhdHsgl==++gcos()()sin()atgtgqjlqaqjda+=++++当h=0时00,0ah==11()ahasgl=+g当h=h1时,a由0~a1()/()hbatgtgtgqqa=-+g当h=h2时,a为常数，h0为0或h02/()hdtgtgqa=+1212120