挡土墙设计及地基稳定性(2)

6 土压力、地基承载力和土坡稳定
Earth Pressure, Bearing Capacity of Foundation Soil and Soil Slope Stability
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6.1 概述
6.2 作用在挡土墙上的土压力
6.3 Rankine土压力理论
6.4 Coulomb土压力理论
6.5 挡土墙设计
6.6 加筋土挡土墙简介
6.7 地基破坏型式及地基承载力
6.8 地基的极限承载力
6.9 土坡和地基的稳定分析
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6.5 挡土墙设计
6.5.1 挡土墙类型选择
6.5.2 挡土墙的计算
6.5.3 重力式挡土墙的构造措施
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6.5.1 挡土墙类型选择
挡土墙的作用
挡土墙是各类工程建设中常见的支挡结构形式，它具有结构
简单、占地少、施工方便和造价低廉等诸多优点。

目前，不仅广
泛应用于公路、铁路、城市建设，同时应用于水坝建设、河床整
治、港口工程、水土保持、山体滑坡防治等领域。

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挡土墙设计原则与步骤
1．选择挡土墙的形式。

2．根据工程需要和实际情况，按经验和工程类比法确定挡土墙尺寸。

3．验算（满足要求时则可，不满足时重新选定尺寸或采取其它措施）（1）稳定性验算（抗倾覆稳定性验算和抗滑移稳定性验算）；
（2）地基承载力验算；
（3）墙身强度验算。

其中，地基承载力验算的方法及要求见浅基础设计一章；墙身强度验算应根据墙身材料分别按砌体结构、素混凝土结构或钢筋混凝土结构的有关计算方法进行。

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以书架为例
当没有书架的时候，书本很容易向侧边倾倒，这时自然会想到利用重物挡住。

只要重物的自重使桌面与重物间的摩擦力大于书本倾倒的侧向力时，即可达成目标。

重力摩擦力侧向力侧向力
重力
摩擦力6.5.2 挡土墙的计算
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设计挡土墙时，一般先凭经验初步拟定截面尺寸，然后进行验算。

如不满足要求，则应改变截面尺寸或采取其它措施，再重新验算，直到满足要求为止。

选型
依墙背倾斜方向可分为俯斜、直立和仰斜
三种。

衡重式挡土墙(Balance Weight Retaining Wall)：利用衡重台上部填土的重力和墙体重心后移而抵抗土体侧压力的挡土墙。

(1) 墙背仰斜（α<0）主动土压力最小，墙身截面经济，墙背可与开挖的临时边坡紧密贴合，但墙后填土的压实较为困难，因此多用于支挡挖方工程的边坡；
(2) 墙背俯斜（α<0）主动土压力最大，但墙后填土施工较为方便，易于保证回填土质量而多用于填方工程；
(3) 墙背直立（α=0）介于前两者之间，且多用于墙前原有地形较陡的情况，
如山坡上建墙，因此时仰斜墙身较高而入土较浅，俯斜墙则土压力较大。

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1. 挡土墙的高度H
墙后被支挡的填土呈水平时为墙顶的高程。

对长度很大的挡墙，也可使墙顶低于填土顶面，用斜坡连接，以节省工程量。

2. 挡土墙的顶宽
挡墙的顶宽为构造要求确定。

对砌石重力式挡土墙，顶宽应大于0.5m，即2块块石加砂浆。

对砼重力式挡墙顶宽也不应小于0.5m。

至于钢筋混凝土悬臂式或扶壁式挡土墙顶宽不小300mm。

3. 挡土墙的底宽
挡墙的底宽由整体稳定性确定，初定挡墙底宽B≈0.5～0.7H，挡墙底面为卵石、碎石时取小值，墙底为粘性土时取高值。

挡墙尺寸初定后，经挡土墙抗滑稳定与抗倾覆稳定验算。

若安全系数过大，则适当减小墙的底宽；反之，安全系数太小，则适当加大墙的底宽或采取其它措施。

保证挡土墙既安全又经济。

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1. 影响土压力的因素
（1）荷载条件
（2）填土性质对土压力的影响
物理力学性质不同的填土，其土压力也不同。

一般说来，填土的内摩擦角和粘聚力愈大，主动土压力愈小，被动土压力(可将部分荷载传递分散到填土上)愈大。

反之，则主动土压力愈大，被动土压力愈小。

土和墙之间的摩擦角愈大，主动土压力愈小，被动土压力愈大。

填土的容重值愈大，主动土压力愈大。

填土表面倾斜时，较填土表面水平时主动土压力增大。

（2）墙背形状
重力式挡土墙墙背按倾斜情况可分为仰斜、直立、俯斜三种形式，用相同的计算方法和计算指标进行计算，其主动土压力以仰斜为小，直立居中，俯斜最大。

（4）挡土墙结构形式和刚度
6.5.3 重力式挡土墙的构造措施
2. 降低主动土压力的措施
（1）选择墙后所填土料
由土压力计算公式和影响土压力的因素分析可知，填土的内摩擦角值愈大，土压力值愈小，因此，选择内摩擦角大的土体作为填料，无疑起着降低主动土压力的作用。

如挡土墙后填粗砂、砾、块石等都起着较好的效果。

（2）严格控制填土的填筑质量
控制填土质量是减小主动土压力的有效方法，填土质量愈好，土的抗剪强度愈高，主动土压力愈小，反之，填土质量愈差，主动土压力愈大。

故对粘性土，应在最优含水率下碾压回填，可取得良好的降低主动土压力的效果。

（3）改变挡土墙断面的形状
埋墙（墙面上作用被动土压力）、采用卸荷台（平台上的土压力不能传递到平台以下）有降低土压力的显著效果。

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3. 墙后回填土的选择
卵石、砾石、粗砂、中砂的内摩擦角大。

主动土压力系数小，
作用在挡土墙上主动土压力小，为挡土墙后理想的回填土。

细砂、粉砂、含水量接近最优含水率的粉土、粉质粘土和低塑
性粘土为可用的回填土。

软粘土、成块的硬粘性土、膨胀土和耕植土，因性质不稳定，
在冬季冰冻时或雨季吸水膨胀都将产生额外的土压力，对挡土墙的
稳定性产生不利影响，故不能用作墙后的回填土。

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4. 沉降缝和伸缩缝
由于墙高、墙后土压力及地基压缩性的差异，挡土墙宜设置沉降 缝；为了避免因混凝土及砖石砌体的收缩硬化和温度变化等作用引起 的破裂，挡土墙宜设置伸缩缝。

沉降缝与伸缩缝实际上是同时设置的，可把沉降缝兼作伸缩缝， 一般每隔10~20m设置一道，缝宽约2cm，缝内嵌填柔性防水材料。

5. 排水设施
为防止雨水渗入墙后土体中，使土的重度增大、内摩擦角降 低，导致墙背压力的增大，所以在挡土墙上应设有排水孔。

通常排水孔直径为5~10cm，间距2~3m，排水孔应在墙身的适当 高度布置。

当墙后填土表面倾斜时还应开挖截水沟。

A. 地面排水可设置地面排水沟，引排地面水；夯实回填土顶面 和地面松土，防止雨水和地面水下渗，必要时可加设铺砌。

B. 墙身排水主要是为了迅速排除墙后积水。

浆砌挡土墙应根据 渗水量在墙身的适当高度处布置泄水孔。

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墙后排水措施
滤水层 泄水孔
粘土夯实 截水沟
粘土夯实
粘土夯实
泄水孔
设置倾斜基底 采用凸榫形基础
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6.6 加筋土挡土墙简介 6.6.1 面板 6.6.2 筋带 6.6.3 填料 6.6.4 加筋土的设计计算
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加筋土挡土墙
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刚性筋式 ：用加筋带或刚性大的土工格栅作加筋
加筋土挡土墙
柔性筋式：用土工格栅或土工织物作加筋建成
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土工格栅 用聚丙烯、聚氯乙烯等高分子聚合物经热塑或模压而成的二维网格 状或具有一定高度的三维立体网格屏栅,当作为土木工程使用时,称为土 工格栅。

土工格栅的作用机理 1）格栅表面与混合料的摩擦作用。

2）混合料对格栅筋肋条和节点的被动阻抗力作用。

3）格栅上的孔眼对混合料的锁定作用。

土工织物 又称土工布，它是由合成纤维通过针刺或编织而成的透水性土工合 成材料。

成品为布状，一般宽度为4-6米，长度为50-100米。

土工布分为 有纺土工布和无纺土工布。

土工布具有优秀的过滤、隔离、加固防护作用、抗拉强度高、渗透 性好、耐高温、抗冷冻、耐老化、耐腐蚀。

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加筋土挡土墙特点
1．可以做成很高的垂直填土，从而减少占地面积，这对不利于 开挖的地区、城市道路以及土地珍贵地区而言，有着很大的经济效益。

2．面板、筋带可以在工厂中定形制造、加工，在现场可以用机 械分层施工。

这种装配式施工方法简便快速，并且节省劳动力和缩短 工期。

3．加筋土是柔性结构物，能够适应地基较大的变形，因而可用 于较软的地基上。

同时，由于加筋土结构所特有的柔性能够很好地吸 收地震的能量，故其抗震性能好。

4．造价低廉，据国内部分工程资料统计，与重力式挡土墙相 比，一般可降低造价25-60％。

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加筋土挡土墙是填土、拉筋、面板三者的结合, 填土和拉筋之间的 摩擦力改善了土的物理力学性质, 而使得填土与拉筋为一个整体。

在这 个整体中起控制作用的是填土与拉筋之间的摩擦力。

面板的作用是阻挡 墙后填土挤出, 迫使填土与拉筋结合为整体。

加筋土挡土墙属于柔性结 构,对地基变形适应性大,建筑高度大,具有省工、省料、施工方便、快 29 速等优点。

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加筋挡土墙的土压力 qs
H
W
V
qs K a
γHKa
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土工合成材料：土工布、 土工带、土工格栅 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。

τ
加筋土
②
Δc
①
σ3
③
σ1 加筋土中的土
Δ σ3
素土
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6.6.1 面板
面板的主要作用是防止端部土体从拉筋间挤出。

一般规定 (1) 面板设计应满足坚固、美观、运输方便和易于安装等要求。

(2) 面板一般采用混凝土预制件，其强度等级不应低于C20，厚度不 应小于8cm。

(3) 面板上的筋带结点，可采用预埋钢拉环、钢板锚头或顶留穿筋 孔等形式。

钢拉环应采用直径不小于10mm的I级钢筋；钢板锚头应采用 厚度不小于3mm的钢板。

露于混凝土外部的钢拉环、钢板锚头应做防 锈处理，聚丙烯土工带与钢拉环的接触面应做隔离处理。

(4) 面板四周应设企口和相互连接的装置。

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6.6.2 筋带
拉筋的主要作用是与填料产生摩擦力，并承受结构内部的拉力。

因此，拉筋必须具有以下特性： 具有较高的抗拉强度，受力后变形小；较好的柔韧性；表面粗 糙，能与填料产生足够的摩擦力；抗腐蚀性和耐久性好；加工、接 长和与面板的连接简单。

筋带可采用钢带、钢筋混凝土带和聚丙烯土工带三种。

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6.6.3 填料
填料是加筋土工程的主体材料，对填料的一般要求如下： 易压实；能与拉筋产生足够的摩擦力；满足化学和电化学标准； 水稳定性好。

有一定级配的砾类土、砂类土，与拉筋之间的摩擦力大，透水性 好，应优先选用；碎石土、中低液限粘质土和稳定土也可采用；腐 质土、冻结土等影响拉筋和面板使用寿命的应禁止采用。

填料的设计参数包括容重、计算内摩擦角和摩擦系数等，应由试 验或当地经验数据确定。

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6.6.4 加筋土的设计计算 6.6.4.1 加筋土体的内部稳定性计算
内部稳定性：由于筋带被拉断或筋土间摩擦力不足致使加筋土结构破坏。

6.6.4.2 加筋土的整体稳定性
整体稳定性：加筋土外部失稳引起的加筋土结构破坏，包括地基承载力、 地基沉降、抗滑移、滑坡稳定性验算。

P139-141
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6.7 地基破坏型式及地基承载力 6.7.1 地基的破坏型式 6.7.2 地基承载力
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地基破坏
地基承受建筑物荷载作用后，一方面附加应力引起地基内土体变形，造 成建筑物沉降。

若引起基础过大的沉降或者沉降差，会使上部结构倾斜、开 裂以致毁坏或失去使用价值。

另一方面，引起地基内土体的剪应力增加。

当某一点的剪应力达到土的抗剪强度时，土就处于极限平衡状态。

若土 体中某一区域内各点都达到极限平衡状态，就形成极限平衡区（塑性区）。

如荷载继续增大，地基内极限平衡区的范围不断增大，局部塑性区发展 成为连续贯穿到地表的整体滑动面。

这时，基础下一部分土体将沿滑动面产生整体滑动，称为地基失去稳定。

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均布条形荷载和均布方形荷载下的附加应力σz、σx和τxz比较
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加拿大特朗斯康谷仓地基整体破坏 1913年9月装谷物，10月17日倾覆
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事故分析
特朗斯康谷仓由65个圆柱形筒仓组成，高31m，宽23.5m，其下为钢
筋混凝土筏板基础，由于事前不了解基础下埋藏有厚达16m的软粘土层，
谷仓建成后初次贮存谷物达27000t后，发现谷仓明显下沉，结果谷仓西侧
突然陷入土中7.3m，东侧上抬1.5m，仓身倾斜近27o。

后查明谷仓基础底面单位面积压力超过300kPa，而地基中的软粘土层
极限承载力才约250kPa，因此造成地基产生整体破坏并引发谷仓严重倾斜。

该谷仓由于整体刚度极大，因此虽倾斜极为严重，但谷仓本身却完好
无损。

后于土仓基础之下做了70多个支承于下部基岩上的混凝土墩，使用
了388个50t千斤顶以及支撑系统才把仓体逐渐扶正，单其位置比原来降低
了近4.0m。

这是地基产生剪切破坏，建筑物丧失其稳定性的典型事故实例。

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地基承载力：地基土单位面积上承受荷载的能力。

极限承载力（Ultimate Bearing Capacity）：地基发生剪切破坏（即将丧失稳定性时）的承载力。

容许承载力：地基稳定有足够的安全度并且变形控制在建筑物容许范围内时的承载力。

影响地基极限承载力的因素：地基土的性质，基础的埋置深度、宽度、形状等。

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地基破坏型式
Ground Failure Modes
地基临界荷载
Critical Loading of Foundation Soil
地基极限承载力
Ultimate Bearing Capacity of Foundation Soil
地基承载力特征值
Characteristic Value of Subsoil Bearing Capacity
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6.7.1 地基的破坏型式
在地基承载力研究中，把地基土当成理想弹塑性体，即当应力
小于破坏应力时，或者是应力状态达到极限平衡条件之前，土为线
弹性体，而在达到破坏应力后，或达到极限平衡条件后，则当成理
想的塑性体。

试验研究表明，在荷载作用下，建筑物地基的破坏通常是由于
承载力不足而引起的剪切破坏。

地基剪切破坏的型式：整体剪切破坏、局部剪切破坏和冲剪破坏。

地基破坏型式与土的压缩性有关：
坚硬或密实土：整体剪切破坏；
松软土：局部剪切破坏、冲剪破坏
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地基的破坏型式可通过现场载荷试验或室内模型试验研究
载荷试验
载荷板的尺寸较实际基础小;（一般约
0.25-1.0m2）
逐级施加荷载;
测定各级荷载下载荷板沉降量及周围土
位移，直到地基土破坏;
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