铁路边坡支挡与稳定分析程序设计（可编辑）

铁路边坡支挡与稳定分析程序（可编辑） 西南交通大学 硕士学位论文 铁路边坡支挡与稳定分析程序设计 姓名:王炳锟 申请学位级别:硕士 专业:道路与铁道工程 指导教师:刘昌清 20090401西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 捅 要 在我国铁路工程中,支挡结构的应用非常广泛,支挡结构的设计对整个工程 的好坏起着非常重要的作用。手工计算已经不能满足现在设计工作的需要, 也 达不到较理想的效果。然而借助于计算机,不但可以使设计工作又好又快的 完 成,而且能够节约投资。本文结合玉蒙铁路的科研项目,编制了铁路边坡支挡 与稳定分析程序。 本文主要做了以下工作: .本文归纳边坡支挡结构和稳定分析的相关理论,作为程序编制的理论 基础。 .本文共编制个程序,包括挡土墙程序设计、抗滑桩程序设计以及边坡稳 定分析程序设计。 .挡土墙程序设计,实现了对重力式路肩挡土墙、重力式路堤挡土墙、衡重 式路肩挡土墙和重力式路堑挡土墙进行检算的功能。本程序可以根据不同的墙 型参数、荷载参数以及土体参数自动找出最合理最经济的墙宽。适合于一般地 区、地震地区和浸水地区单线及双线挡土墙的设计计算。本程序除用于铁路挡 土墙设计外,通过对换算土柱的不同处理,还可以考虑公路荷载或其他类型的 荷载。因此,只要稍加修改本程序同时可用于公路、水利、房屋建筑等部门。 .抗滑桩程序设计,实现了对给定滑动面形状反算内摩擦角、给定滑动面 形状进行设计计算、给定滑坡推力进行设计计算以及给定滑动面处弯矩、剪力 进行设计计算的功能。 .边坡稳定分析程序,由边坡稳定分析和沉降固结计算两大模块组成。在边 坡稳定分析程序中,实现了以费伦纽斯法和固结有效应力法的边坡稳定分析与 计算;基于太沙基三向固结理论的固结度计算及基于分层总和法的沉降计算。 .程序基于面向对象的原理,在 操作系统下,采用可视化 程序开发工具 .编写而成。为用户提供了具有友好、方 便的人机交互界面的数据输入环境,更易于操作,界面更加优化。本论文开发 的程序实现了在界面中输入和修改相关参数,数据自动保存等功能,计算结 果 可自动导入格,有利于数据的提取和图设计。 关键词:挡土墙;抗滑桩;边坡稳定;程序设计 ..,., , “ ’. :,.. . , , . ,. , ,. 卜 , . , .,., , . , . ? , ,, , ...西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 ??? 一?, ’ . . ?,.. ?? ’ ,, . , . :? : : : 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明:所呈交的学位论文,是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集 体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体,均己 在 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下: 本文基于 .计算机语言,针对铁路路基工程,开发出挡土墙 辅助设计程序、抗滑桩设计程序以及边坡稳定分析程序。具有良好的人机交 互 界面,方便操作。尤其是挡土墙辅助程序的开发,其程序功能强大,地震、浸 水等不良地质情况也考虑其中,同时经过实践证明,计算准确,有很强的实用 价值。 易砂西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 第章 绪论 .国内外现状 随着我国铁路的发展,支挡结构在铁路建设中发挥着越来越重要的作用。 支挡结构包括挡土墙、抗滑桩、预应力锚索等支撑和锚固结构,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。挡土墙是用来支 承路基填土或山坡土体,防止填土或土体变形失稳的一种构筑物,并且可以用 来稳定路堤和路堑边坡,减少土石方工程量和占地面积,防止水流冲刷路基, 经常用于整治塌方、滑坡等路基病害。在铁路、公路、房屋建筑、水利水电及 桥梁等工程建设中被广泛应用。抗滑桩是一种穿越滑体并在滑床的一定深度处 锚固的构筑物。上部的滑坡推力作用通过抗滑桩传到稳定的滑床,它能有效地 提高滑体的抗滑能力,改善滑坡的稳定性,达到整治滑坡的目的,是滑坡治理 中常用的技术措施之一。由于抗滑桩具有治理效果好,桩位设置灵活,每根桩 的工程量不大,施工中对滑体稳定性影响小等优点,是目前广泛使用的治理滑 坡的有效措施。因此,支挡结构在岩土工程中的使用越来越广泛,特别是在铁 路、公路路基及建筑基础工程中所占的比重也越来越大。 目前,国内对于路基工程方面的程序开发较多,基于各种语言编写,其中 包括环境下程序编制,语言的开发,基于的程序开发以 及 和 .语言的开发。语言、语言及基于 的程序开发,大多没有良好的用户界面,操作很不方便。虽然有不少 利用 和 .语言开发出良好的用户界面,但是针对铁 路路基工程开发且能够广泛使用的商业化软件不多。 在国内已出现了相当多的关于边坡支护设计的应用软件。北京理正岩土软 件,目前在工程设计单位中使用比较广泛。上海软圣科技发展有限制公司所开 发的,可以进行滑坡稳定性分析和抗滑桩支护设计;成都理工学 .,采用面向对象的程序设计语言和交互式图形处理技 院所开发的. 术开发的,具有交互式建立滑坡体地质模型、对滑坡体进行自动条分、自动采 集各条块稳定性计算时所需参数以及智能化配筋等特点,但仅提供抗滑桩支护 形式;上海同济启明星科技发展有限公司所开发的 .可用于对边坡进行 稳定性分析。福州大学许文达口等采用简化的法,编制了西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 程序进行整体稳定性计算并将计算结果进行图形处理。江苏淮阴工学院朱 军功啪等人研制了基于的重力式挡上墙计算机辅助设计程序,适用于填料 为砂土的直线型墙背的各种边界条件。青岛海洋大学刘展九等人使用抖. 开发了土体边坡稳定性直接评价与辅助设计系统,通过可视化对话方式实现 土 体边坡的开挖、支护等工程的计算机设计,采用基于土体抗剪强度参数折减的 有限元直接评价边坡的稳定性。长安大学赵永平哺羽等人开发了针对路基边坡支 护的挡土墙系统,适合于各种重力式挡土墙、悬臂式挡土墙、加筋土挡墙, 包括土压力计算、稳定性验算及交互式绘图。 综上所述,目前已经开发出比较多工程方面的商业软件,但是大多不是针 对铁路工程,主要用于建筑方面。在铁路路基工程方面,尽管有些设计单位自 主开发一些软件,但可以被广泛使用的商业软件并不多,给设计工作带来了诸 多不便。本文结合科研项目,并且在前人所做的程序开发的基础上,开发边坡 支挡与稳定分析程序,更有实用价值和意义。 。。边坡稳定分析的现状与发展 天然土坡或人工填筑的土坝,在一定的地形、地质条件下,由于各种自然 因素及人为因素的影响,破坏了土体内部应力的平衡,不稳定土体在自重或外 力条件下,沿土中某个面滑动而导致土坡的破坏。这种现象在国内外工程中均 出现过。它严重地影响了铁路、公路、河道的正常运行及其它建筑工程的安全, 因而研究土坡稳定性是很重要的。在铁路路基工程中,边坡的稳定性分析, 根 据不同的地质、地形条件分为三种情况。一是土坡破坏时,不稳定土体沿着土 体中早已存在的软弱面滑动,滑面的形状、位置是由地质及水文条件决定的。 一般地这种土坡破坏规模大,对工程影响严重,整治困难,在工程上称为滑坡 现象。二是在软弱地基上填筑路堤,由于地基的强度不足而导致路基的破坏; 三是一般土坡,包括天然土坡、人工开挖或填筑土坡的稳定性分析即判别已知 土坡的稳定性,通过分析、计算确定安全、经济的土坡高度和坡度。 早期的边坡研究是仅以土体为研究对象的,其方法的显著特点是采用材料 力学和简单的均质弹性、弹塑性理论为基础的半经验半理论性质的研究方法, 并把此方法用于岩质边坡的稳定性研究,但由于其力学机理的粗浅或假设的不 合理,其计算结果与实际差别较大。六十年代后,随着世界经济的发展,采矿、 水利、交通和建筑等工程的大规模建设,所形成的矿山边坡、大坝坝肩和水库 库岸、铁路和公路的路堑边坡等,其规模之大,条件之复杂均是空前的,特别西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 是年法国坝左岸坝肩岩体的崩溃及年意大利坝上 游左岸的库岸边坡滑坡等,使人们清醒地认识到了边坡破坏的力学机理研究不 足,从而促进了边坡稳定性研究向前迈进了一大步。以弹塑性理论为基础和改 进的极限平衡法应用为主的多种方法应运而生,特别是年人们第一次尝试 用有限元研究边坡稳定性问题,给定量评价边坡和稳定性创造条件,并使其逐 步过渡到数值方法,同时,随着大量规模巨大工程的开展,决策要求的提高, 以概率论为基础的可靠度方法已引入边坡稳定性研究中。在这一时期由于我国 边坡工程的不断实践与发展,边坡稳定性分析的原理和方法也获得了不断丰富 与发展。进入八十年代后,由于计算机技术水平的大幅度提高及岩体力学性质 研究的进展,各种复杂的数值计算方法广泛应用于边坡研究,同时,由于学科 之间的相互渗透,这一时期的研究方法各式各样,成果叠出?。 边坡稳定性的分析评价方法多种多样,大体上可以将它们分为确定性分析 方法和不确定性分析方法两类。确定性分析方法主要包括极限平衡理论、塑性 极限分析和模糊极值理论、有限单元法、蒙特卡洛法等,不确定分析方法包括 模糊综合评判方法、灰色分析理论、信息量模型法等,而且软件的开发都是针 对个别工况的开发,比如浸水路基边坡稳定分析、土质边坡的稳定分析等, 不 全面,也不系统,因此使用起来带来太多的不便。 ..挡土墙的现状与发展 由于我国的一些地区石料来源丰富,就地取材方便,再加上施工方法简单, 因此,在过去很长一段时间内,石砌的重力式挡土墙石我国岩土工程中广泛采 用的主要支挡结构。这种挡土墙形式简单,设计一般采用库仑土压力理论。当 墙体向外变形后土体达到主动土压力状态时,假定土中主动土压滑动面为平面 并按滑动土楔的极限平衡条件来求算主动土压力。在土侧向土压力作用下,重 力式挡土墙的稳定性主要依靠墙身的自重来维持,墙身一般采用浆砌片石来砌 筑,有时也用混凝土。世纪年代为适应西南山区地形陡峻的特点,出现了 我国独创的衡重式挡土墙。衡重式挡土墙最初在宝鸡成都铁路广元至略阳 段使用。年,铁道部第二勘测设计院在西安召开的全国塌方滑坡会议上介 绍了这种挡墙新形式,得到大会的赞许,以后在铁路路基工程中逐步推广,又 由铁道部科学研究院、专业设计院、铁二院等单位联合开展了科研攻关,完善 了衡重式挡墙按第二破裂面计算的理论,编制了有关标准图,加快了在铁路系 统的推广。衡重式挡土墙是我国山区铁路应用较广泛的一种挡墙形式,在公 路西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 等其他行业中得到推广运用。 ..抗滑桩的现状与发展 抗滑桩是我国铁路部门世纪年代开发、研究的一种抗滑支挡结构, 年铁道部门第二勘测设计院在成昆铁路沙北号滑坡及甘洛车站号滑坡 中首次采用钢筋混凝土桩来加固稳定滑坡,桩截面为.×.、.× .、..等,桩长为~,桩间距为,锚固深度为桩长的一 半。据统计,成昆线在六处滑坡中采用了根抗滑桩,累计长度为, 抗滑效果良好。这种结构很快在铁路路基工程中迅速推广,世纪年代湘黔 线贵州境内全段采用抗滑桩处理各类问题处,共计根,总延长。 襄樊渝线位于汉江边的赵家塘滑坡,滑坡主轴长、宽,厚度约、 体积约万立方米、滑坡月平均位移最大,如果改线则出现高桥和长 隧,并将延误工期,后采用了根抗滑桩,桩身总延长,最大桩截面 .×.,最大桩长.,稳定了滑坡。襄渝线共采用根抗滑桩,总延 长。其后,枝柳、阳安、太焦等线均积极采用抗滑桩整治滑坡,迅速在 岩土工程的各个领域得到广泛运用。铁二院、铁道部科学研究院西北分院、 西 南交大等单位对抗滑桩的设计及计算理论进行了深入的研究。年,铁二院、 西南交大、成都铁路局等单位在成昆线狮子山滑坡工点进行了抗滑桩的破坏 性 试验,实测桩的弹性曲线、位移、转角、弯矩、土压力等资料,为理论研究提 供了基础数据。抗滑桩设计及计算研究科研项目曾获得铁道部科技进步二等奖, 有关成果已纳入《铁路路基支挡结构设计规范》。世纪年代以来,通过南 昆线软弱破碎岩质深路堑高边坡的结合工程试验,研究开发了分层开挖、分层 稳定、坡脚预加固新技术,抗滑桩与钢筋混凝土挡板、板间挡土墙、土钉墙、 预应力锚索等结构结合组成桩板墙、锚索桩等复合结构,大量使用在路堑边坡 的坡脚预加固工程中。这些复合结构后来在内昆、株六复线、渝怀线等新线建 设工程中,得到推广运用。 .本文的研究目的和主要研究思路 铁路路基工程边坡稳定分析、挡土墙及抗滑桩的设计计算,由于其计算烦 琐、工作量较大,手工计算耗时耗力而且不能达到较理想的结果。计算机的快 速发展为我们顺利解决这个问题提供了可行而且有效的手段。目前,虽然有一 些用,, 等编程工具编写的计算程序,但大多不是针对西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 铁路路基工程的软件,主要是建筑方面的软件。目前的商业软件,如理正公司 挡土墙辅助设计软件,购买费用不但比较昂贵,而且使用不够方便,且针对性 不强。使用过程中经常出现一些问题,而且不能对个别设计进行人性化的修 改, 给设计工作带来诸多不便。 本文结合玉蒙铁路的科研项目,为了解决设计工作中由于手工计算造成的 计算不准确、效率低下以及标准图设计等问题,从而开发铁路边坡支挡与稳定 分析程序。 首先,本程序通过归纳总结传统的设计理论,使之简化以利于减少程序编 制的工作量,同时创新出一些新颖计算的方法。挡土墙辅助设计程序除用于铁 路挡土墙设计外,通过对换算土柱的不同处理,还可以考虑公路荷载或其他类 型的荷载如房屋荷载等。因此,只要稍加修改本程序同时可用于公路、水利、 房屋建筑等部门。挡土墙的设计也包括一些特殊力的影响,可进行浸水和地震 条件下挡墙的设计。抗滑桩程序设计,受荷段按悬臂梁计算,锚固段按地基系 数法计算。可以实现给定滑动面形状反算摩擦角,给定滑动面形状进行设计计 算,给定滑坡推力进行设计计算,给定滑动面处弯矩、剪力进行设计计算。边 坡稳定分析程序,边坡稳定分析主要采用费伦纽斯法和固结有效应力法进行计 算;固结度计算主要依据太沙基提出的三向固结理论进行计算,沉降计算主要 采用分层总和法。 其次,在 操作系统下,利用 .开发平台,制作 出具有良好的人机交互的界面系统。在数据输入的方面,采用人性化的设计, 可根据不同的条件选择输入不同的数据,每一个数据输入窗口都有默认值,如 果要修改参数值,只需在上面直接修改参数值即可;在数据保存和读取方面, 计算结果可以保存到相关的文件中,方便数据的提取。西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 第章 挡土墙设计 .概述 挡土墙是用来支撑陡坡以保持土体稳定性的一种建筑物。它所承受的主要 是土压力。 在铁路、公路、航运、水利、矿山及建筑部门的土木工程中,挡土墙的应 用是十分广泛的。当山区地面横坡过陡,常在下侧边坡设置挡土墙,或在靠山 侧,由于刷坡过多,不仅土石方工程数量大,而且破坏了天然植被容易引起灾 害,因此设置路堑挡土墙以降低路堑高度。在平原地区多良田,为了节约土地, 往往也在路基一侧或两侧设置挡土墙。在滨河地段或其他建筑物时,修建挡土 墙可以收回坡脚,以避免冲刷威胁或避开建筑物。当高路堤、深路堑土石方数 量大取弃土困难时,也可设置挡土墙以减小土石方数量。此外,挡土墙经常用 来整治崩塌、滑坡等路基灾害。 在考虑设置挡土墙时,应与其他建筑物如栈桥、隧道或明洞、路基墙等 进方案比较,在技术经济合理时,方采用挡土墙方案。 目前,我国多采用重力式挡土墙图?。这种挡土墙在土压力作用下的 即前端称为墙趾。 图?重力式挡土墙 属于重力式挡土墙范畴的另一种型 式是衡重式挡土墙,它由上墙和下墙组成图?,上下墙间有一平台,称为衡 重台,它除墙身自重外,还增加了衡重台以上的填土重量来维持墙身的稳定 性, 节省一部分墙身圬工。由于墙胸胸坡较陡一般为:.,因而在地面横坡第页 西南交通大学硕士研究生学位论文 较大时,可减少墙的高度。同时由于墙背坡度仰斜,基础宽度较重力式挡土墙 要小,因而减少了施工开挖的土石方数量。 近几十年来,随着新型结构的发展,出现了许多新型支挡建筑物,采用钢筋 混凝土构件组成轻型挡土墙,如钢筋混凝土 ?一‘一““ 嘉荔至雾圭薹:雾曩霎蠢掌耄蔷僦衡重式挡 加筋土挡土墙、对拉式挡土墙以 及带卸荷板 式挡土墙等,这类结构一般均具有圬工省、 造价低、便于拼装化施工等特点,深受现场 欢迎。 根据墙背的倾斜方向,挡土墙可分为俯 斜、仰斜和垂直三种。根据挡土墙在路基横 图?衡重式挡土墙 断面的位置,可分为路肩墙、路堤墙及路堑 墙。当墙顶置于路肩时,称为路肩式挡土墙; 若挡土墙支撑路堤边坡,墙项以上尚有一定的填土高度,则称为路堤式挡土 墙: 如挡土墙用于稳定路堑边坡,称为路堑式挡土墙。 挡土墙是用来支撑路基填土或山体,防止填土或土体变形失稳的一种构造 物。挡土墙可用以稳定路堤和路堑边坡、减少土石方工程量和占地面积、防 止 水流冲刷路基,并用于整治坍方、滑坡等路基病害。 在以下情况下常考虑修建挡土墙: 陡坡地段 岩石风化的路堑边坡地段 为避免大量挖方及降低边坡高度的路堑地段 可能产生坍方、滑坡的不良地质地段 高填方地段 水流冲刷严重或长期受水浸泡的沿河路基地段 为节约面积、保护重要建筑物,生态环境的地段 各类挡土墙的适用范围取决于墙的高度、墙趾地形、工程地质、建筑材料、 墙的用途、施工方法、技术经济条件及当地的经验等因素,另外还有美观约束 条件。 挡土墙在我国交通、铁路和城建部门应用十分广泛,然而,由于挡土墙土 压力计算理论和挡土墙结构设计计算理论有待完善,施工水平和质量有待提高, 随着挡土墙大量应用,失败工程也日益增加。因此,要保证挡土墙设计的安全、西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 经济和合理性,减少对设计者经验的过分依赖,适应我国建设事业高速发展的 需要,有必要对挡土墙计算理论和设计方法进行较深入的探讨,利用先进的计 算机技术建立更可靠的挡土墙智能优化设计方法。 工程中挡土墙土压力的计算一直沿用古老的库仑理论,但当墙背填料为粘 性土通常只得采用等值内摩擦角方法近以估算,这种做法无法较精确反映土的 实际特性,因此导致“低墙保守,高墙危险”的情况出现。同时对于填料为粘 性土的挡墙,当其达到主动土压力状态时,土体拉裂深度的确定问题一直没有得 到很好的解决,另外由于库仑土压力理论分布与实际的偏差,尤其是合力作用 点的不准确,有时会在实际工程中导致严重后果。 在工程实际中,挡土墙设计程序一般分二步:第一步是根据墙的基本要求、 工程的场地条件、地质条件等确定挡土墙的选用类型。第二步是进行挡土墙的 技术设计。其中第一步依赖于工程设计人员的经验及偏好,对设计人员的经验 要求较高,而且常由于设计人员的偏好导致设计结果不合理或不经济,第二步 中寻找挡土墙最大土压力时的破裂面的计算方法多为试算法,其计算工作量大, 重复劳动多,造成了人力资源的大量浪费,并且其结果存在着结构上的不平衡。 近几十年来,人工智能与优化技术有了充分的发展,并且在航空、航天、机械、 建筑行业领域内得到了广泛的应用,显出强大的生命力、优越的经济性和结果 的合理性及优化性。 .土压力设计理论 ..土压力的概念 各种形式的挡土墙,都以支撑土体使其保持稳定为目的,所以这类构造物 的主要荷载就是土体的侧向压力,简称土压力。为了使挡土墙的设计经济合理, 关键是正确地计算土压力,其中包括土压力的大小、方向、分布等。 土压力的计算是一个复杂的问题,它涉及到填土、墙身以及地基三者之间 的共同作用。土压力不仅与墙身的几何尺寸、墙背的粗糙度以及填土的物理和 力学性质、填土的项面形状和顶部的外荷载有关,而且还与墙和地基的刚度、 以及填土的施工方法有关。现在国内外土压力计算仍采用古典的极限平衡理论, 它是对上述复杂问题进行诸多假定和简化而得出的。 挡土墙一般都是条形建筑物,它的长度远较其高度大,且其断面在相当长 的范围内是不变的。因此,土压力的计算可取延长米的挡土墙来进行分析,西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 即将土压力的计算当平面问题来处理。土压力问题的理论研究于世纪末已开 始。依据研究途径的不同,可以把有关极限状态下的土压力理论大致分为两类。 假定破裂面形状,依据极限状态下破裂棱体的静力平衡条件来确定土压 力,这类土压力理论最初是由法国的库仑..于年提出的,称 为库仑理论。 假定土体为松散介质,依据土中一点的极限平衡条件来确定土压力强度 和破裂面方向,这类土压力理论是由英国的朗金..于年提出 的,称为朗金理论。在上述两类经典土压力理论中,朗金理论基于散体一点的 极限应力状态推出,在理论上较为严谨。但是,由于它只能考虑比较简单的边 界条件,在应用上受到很大限制。库仑理论计算简便,能适用于各种复杂的边 界条件,而且在一定范围内能得出比较满意得解答,因此应用很广。 ..土压力的分类 在影响挡土墙土压力大小及其分布规律的诸多因素中,挡土墙的位移方向 和位移量是计算中要考虑的特殊因素。根据挡土墙的位移和墙后土体所处的 应 力状态,土压力有以下三种类型。 .静止土压力 如果挡土墙的刚度很大,在土压力作用下,墙体不发生变形和任何位移移 动或转动,如图所示。墙背后土体处于弹性平衡状态,此时墙背所受土 压力称为静止土压力,并以孱表示。实际上,使挡土墙保持静止的条件是:墙 身尺寸足够大、墙身与基础牢固地联结在一起、地基不产生不均匀沉降等。 .主动土压力 如果挡土墙在土压力作用下向前离开土体产生一微小的移动或转动,如 图所示,从而使墙对土体的侧向应力它与土压力大小相等、方向相反 逐渐减小,土体便出现向下滑动的趋势。这时土中逐渐增大的抗剪力抵抗着 这 一滑动的产生。当墙的侧向应力减小到某一数值,且土的抗剪强度充分发挥 时, 土压力减小到最小值,土体便处于极限平衡状态,即主动平衡状态。与此相应 的土压力称为主动土压力,以符号表示。达到主动极限平衡状态时墙的移动 或转动位移量是较小的,如表?所示。 .被动土压力 如果挡土墙在外力作用下,移动或转动方向是推挤土体,如图?所示, 从而逐渐增大墙对土体的侧向应力,这时土体便出现向上滑动的趋势,而土 中西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 逐渐增大的抗剪力阻止着这一滑动的产生。当墙对土体的侧向应力增大到某一 数值,使土的抗剪强度充分发挥时,土压力增大到最大值,土体便处于另一极 限平衡状态,即被动极限平衡状态。与此相应的土压力称为被动土压力,以符 号。表示。达到被动极限平衡状态时墙的移动或转动位移量,比产生主动土压 力所需的位移量要大得多。 由于土的应力一应变状态不同,土压力的大小和方向也是变化的。被动土 压力和主动土压力是土压力的最大与最小的极限值;而静止土压力介于其间如 图所示,即。。在挡土墙设计中,应根据它在外力作用下可能。 的位移方向,来判断是主动土压力还是被动土压力。土拱桥桥台在荷载和自重 作用下,有向土体移动的趋 墙的缱移 墙的位移 势,为台背土压力所阻止, / 故台背所受的土压力应为 被动土压力。而对一般的挡 一口 土墙,则墙身有被土体向外 炙 / ‖/ 雾‖ 挤动的可能,墙背承受的是主动土压力。按主动土压力 设计挡土墙,是考虑到挡土 图?土压力的分类 墙失稳或基底破坏前,墙身 必定会产生相应的位移,于是墙后土体的应力状态趋近于主动极限状态。因此, 以主动土压力作为挡土墙的设计荷载是合理的。 .库伦土压力理论 库仑理论是多年前提出的计算土压力的一种经典理论。随着生产和科 学技术的不断发展,这个理论在很大程度上得到了丰富和发展。 库仑理论是一种计算土压力的简化方法,它具有计算简便,能适用于各种 复杂情况和计算结果比较接近实际等优点。因此,目前仍被工程界所广泛应用, 铁路挡土墙所承受的土压力,一般按库仑理论计算。 ..基本原理 库仑土压力理论是从研究墙后宏观土体的滑动出发的,这和朗金理论先求第 页 西南交通大学硕士研究生学位论文 得土压力有所不同。当墙后破裂棱体产生滑动时,土体处于极限平衡状态,根 据破裂棱体的静力平衡条件,求得墙背主动土压力和被动土压力。库仑理论 在 分析土压力时,基于下述基本假定: 墙后土体为均质散粒体,粒间仅有内摩擦力而无粘聚力; 当墙产生一定位移移动或转动时,墙后土体将形成破裂棱体,并沿墙 背后破裂面滑动下滑或上移; 破裂面为通过墙踵的一平面; 当墙后土体开始滑动时,土体处于极限平衡状态,破裂棱体在其自重 ‖,墙背反力它的反作用力即为土压力和破裂面反力尺的作用下维持静力 平衡。由于破裂棱体与墙背及土体间具有摩擦阻力,故与墙背法线成万角、 与破裂面法线成矽角,并均偏向阻止棱体滑动的一侧; 挡土墙及破裂棱体均视为刚体,在外力作用下不发生变形。 库仑理论可以计算砂性土填料、挡土墙墙背倾斜、填土表面倾斜、墙背粗 糙、与填土间存在摩擦角等各种情况下的土压力。根据《铁路路基支挡结构 设 计规范》所述,重力式挡土墙墙背上的主动土压力,可按库仑理论计算。因此 在本章详细介绍库仑主动土压力的计算。 ..主动土压力 如图所示,为挡土墙墙背,为破裂面,与竖直方向的夹角 目为破裂角,即为破裂棱体。这个棱体上作用着三个力,即破裂棱体自重矿, 主动土压力的反力、破裂面上的反力尺。其中的方向与墙背法线成万角, 且偏于阻止棱体下滑的方向,尺的方向与破裂面法线成角,同样偏于阻止棱 体下滑的方向。由于棱体处于极限平衡状态,因此,力三角形必须闭合,如图 所示。从力三角形中可得: 呈 :二皇二翌 :形 一 口妒万一口 但是,破裂角是未知的,由式和图?可知,面的位置不同即秒不 同,形和都将随之改变。当臼一妒时,与渺重合,:当秒口时, 破裂面与墙背重合,,;当日口时,随口增加而增大;当秒等 于某一定值时,值达最大,而后又逐渐减小,至秒。一妒时变为零。的 最大值即为主动土压力,相应的面即为主动状态最危险破裂面,占称为主动 状态破裂角。第 页 西南交通大学硕士研究生学位论文 根据上面分析,是目的函数,且存在最大值。因此,利用微分学中极值 原理,将式对口求导,并令: ? 臼 由此即可求得主动状态时破裂角,然后将目代入式一求得值,这就 是库仑理论求算的各种图解法和数解法的依据。 。争一 一图?主动土压力计算图 当填土表面为倾斜平面时,如图所示,依据上述方法所得的主动土 压力的表达式为: ? 仃忑磊面。孺磊 ? 或 丢日 ? 疋五面,而丽面 。口?。万一口?言萎未;三专蠲 式中:一库仑主动土压力系数; 一填土的容重/; 日一墙背高度; 够一填土的内摩擦角。;西南交通大学硕士研究生学位论文 第 页 万一墙背摩擦角; ‖一填土表面的倾角; 口一墙背倾角,当墙背俯斜时。值为正,仰斜时为负。 沿墙高的土压应力吒,可通过对求导而得到: ? :冬: “ 由上式可见,主动土压应力沿墙高呈三角形分布,土压力的作用点离墙踵 的高度为/,方向与墙背的法线成万角,或与水平方向成够口,如图? 所示。 ..第二破裂面计算方法 在挡土墙设计中,有时会遇到墙背俯斜很缓,即墙背倾角较大的情况, 如衡重式挡土墙的上墙或大俯角墙背挡土墙,见图?所示。当墙身向外移动, 土体达到主动极限平衡状态,破裂土楔体将并不沿墙背滑动,而是沿着出 现在土中的相交于墙踵的两个破裂面滑动,即沿图?中所示的和月 破裂面滑动。此时称远墙的破裂面为第一破裂面,近墙的为第二破裂 面。工程上常把出现第二破裂面的挡土墙称为坦墙.把出现第二破裂面时计 算 土压力的方法称为第二破裂面法。按照库仑土压力假设,直接采用库仑理论 的 一般公式来计算坦墙所受的土压力是不合适的。虽然滑动土楔体.处于极 限平衡状态,但位于第二破裂面与墙背之间的土楔体尚未达到极限平衡状 态。在这种情况下,可将它暂时视为墙体的一部分,贴附于墙背上与墙一 起移动。首先求出作用于第二破裂面上的土压力,再计算出三角形土体 彳腿的自重力,最终作用于墙背上的主动土压力就是上述两个力的合力 向量和。应注意的是,由于第二破裂面是存在于土中的,土体间的滑动是土 与土之间的摩擦,因此,作用在第二破裂面上的土压力与该面法线的夹角 是土的内摩擦角够而不应该是墙背与土的摩擦角万。 产生第二破裂面的条件应与墙背倾角、、缈以及填土面坡角‖等因数 有关。一般可用临界倾斜角口,,来判别:当口,,时,认为会出现第二破裂面, 应按坦墙进行土压力计算;否则认为不会出现第二破裂面。经研究表明,临界 倾斜角与万、、‖有关。可以证明当万伊时,临界倾斜角用下式计算: ? 口.,:。一里旦一土??// “ 矽西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 若填土水平,‖,口。。一詈 图第二破裂面 产生第二破裂面的条件证实以后,即可将蛆当作墙背,万伊,按库 仑土压力理论计算其主动土压力了。各种边界条件下的第二破裂面数解公式 详 见铁路工程设计技术手册《路基》。 ..力多边形法 计算折线墙背下墙土压力的力多边形法是依据极限平衡条件下破裂棱体的 实际力多边形来推求下墙土压力的。 它不借助于任何假想墙背,因而不存 在自总应力图形中截取下墙土压力的 问题。这个方法避免了延长墙背法所 带来的两种误差。 按力多边形法求算折线墙背下墙 土压力可采取数解法。现以填土表面 为一平面的情况为例,说明数解法公 式的推导过程。图?示出破裂棱 图?力多边形法求下墙土压力 体的力多边形,其中为上墙土压力, 墨为上墙破裂面上的反力,它们均可事先算出。自点引,自点引 ,由正弦定 //,则钯。若设‖,则矿岛丝。在 理可得第 页 西南交通大学硕士研究生学位论文 ? :暇型:二旦二盟 ‘ 。妒一% 而在?嘭中,有 墅旦二鱼 ? 丝:尺, ‘驴一口 此外,下部破裂棱体重量嘭为 吸叫尝鬻吲 其中的常数 “加』磁壶丑~川. % % 。 :三研』骅堕丛生盟 ‘‘倪 代入式得 易【三粼一鼠】?;鬲爹蔫一只?品乏万歹;两 由上式可知,下墙土压力毛计算值是试算破裂角的函数。为求乏的最大值, 可令等:,则得 吵】. 一 式中:% 缈色一一 。丽瞰”嘲吣篙, 由式可得破裂角。将求出之代入式即可求得下墙土压力易。 各种边界条件下折线墙背下墙土压力的力多边形计算公式,见铁路工程设 计手册《路基》一书。 ..地震作用下的土压力 发生地震时,地表连同建筑物受地震加速度产生振动。因而建筑物包括填 土便承受了与地震加速度方向相反的惯性力作用,其数值等于。这里为西南 交通大学硕士研究生学位论文 第 页 建筑物的质量,而为最大地震加速度。这个惯性力便是地震力。地震力既然 是一种动力作用,那么它的分布便与建筑物的质量分布有关;同时还可以用 加 速度的大小、变化规律与分布情况来衡量建筑物所承受地震力大小、变化规 律 与分布情况。 地震加速度可分解为水平与竖直两个分量。由于一般结构物在竖向有较大 的强度储备,故在多数情况下可忽略竖向地震加速度的影响,认为建筑物的 破 坏主要是由于水平方向的地震力引起的。因此,在分析土压力时,也只考虑水 平地震加速度的影响。 目前,在挡土墙的动力特性方面,还缺乏实测和试验资料,因之挡土墙和 路基一样,其抗震强度和稳定性的检算仍采用静力法。 按静力法惯性力法求算地震土压力,与求算地震区土压力的不同之点在 于多考虑一个由破裂棱体自重引起的水平地震力。这个地震力作用于棱体重 心, 它的大小按式确定;其方向水平,并朝向墙后土体滑动的方向。 ? 只巴?%?彬 式中:一一作用于第条土块重心的水平地震力; 一一综合影响系数,表示实际建筑物的地震反应与理论计算间的 差异; 一一水平地震系数,为地震时地面最大水平加速度的统计平均值 与重力加速度的比值; 彬一一计算土条的重量,其中包括列车及轨道的换算重量。 表?水平地震系数设计烈度度 . . . 水平地震系数% 如图所不,地震力尸与破裂棱体重力形的合力暇应为: 彬:旦 ? ‘ 式中:为棱体重力与地震力合力偏离铅垂线的角度,称为地震角。 ? 叩:. 式中:一一综合影响系数,采用三;西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 %一一水平地震系数,查表一。 ..浸水作用下的土压力 土体浸水时,一方面因水的浮力作用使土的自重减小;另一方面,细粒土 的抗剪强度会发生显著的降低。此外,当墙后土体中出现水的渗流时,还应计 入水压力的影响。 .砂性土假设浸水后够值不变,只考虑浮力影响时的土压力计算; .细粒土考虑浸水后够值降低时的土压力计算; .考虑动水作用时的土压力计算 .挡土墙稳定性检算 对于挡土墙,墙的整体稳定性往往是设计中的控制因素。挡土墙的稳定性 包括滑动稳定性与倾覆稳定性两方面。 ..滑动稳定性检算 挡土墙的滑动稳定性是指在土压力和其他外力作用下,基底摩阻力抵抗挡 土墙滑移的能力,用滑动系数艮表示,即作用于挡土墙的最大可能的抗滑力 与 实际下滑力之比。在一般情况下,有 .:?笪?墨 。 占。 式中:?一一挡土墙自重、墙背主动土压力的竖直分力弓、墙顶上的有效 荷载%及衡重台上有效荷重彬之和,其值为: ? ?甄形 一一墙背主动土压力的水平分布 厂一一基底摩擦系数,其数值可通过现场试验确定,如无试验值,可 参考表?。西南交通大学硕士研究生学位论文 第 页 表?基底摩擦系数 地基类别 .?. 硬塑粘土 .?. 砂粘土、粘砂土、半干硬的粘土 .?. 砂类土 .?. 碎石质土 .?. 软质土 .一. 硬质土 沿基底滑动稳定系数髟不应小于.,考虑到附加力时,尽不应小于.。 架桥机等运架设备临时荷载作用下,疋不应小于.。但设计墙高大于~ 时,应注意加大,值,以保证挡土墙的抗滑稳定性。 当挡土墙倾覆稳定已满足而受滑动稳定控制时,可采用倾斜基底以增加抗 滑稳定性。基底倾斜度,一般地区挡土墙不大于.:;浸水地区挡土墙:当 厂.时,不宜设置倾斜基底;当.?.厂.时,可设.:的斜坡;当厂. 时,可设.:的斜坡。 增加滑动稳定性的另一种方法是采用凸榫基础,凸榫基础就是在基础底设 置一个与基础连成整体的榫状凸块。利用榫前土体所产生的被动土压力,可 以 增加挡土墙的滑动稳定性。 ..倾覆稳定性检算 挡土墙的倾覆稳定性是指它抵抗墙身绕墙趾向外转动倾覆的能力,用倾覆 稳定系数表示,即对墙趾的稳定力矩之和与倾覆力矩之和的比值,表达式为: ?四 蚝瓷 式中: ???多力系对墙趾的稳定力矩之和; ?%??各力系对墙趾的倾覆力矩之和。第页 西南交通大学硕士研究生学位论文 ? ?。?乙 倾覆稳定系数不应小于.。考虑附加力时不应小于.。架桥机等运架设 备临时荷载作用下,凰不应小于.。当墙高大于~时,应注意加大值, 以保证挡土墙的倾覆稳定性。当滑动稳定性满足,挡土墙受倾覆稳定控制时, 可增设台阶基础。台阶基础可增大稳定力矩的力臂,是增强倾覆稳定的常用方 法。台阶一般用与墙身的材料砌筑,不宜过宽。重力式挡土墙的台阶宽度不宜 大于墙高的%;衡重式挡土墙的台阶宽度不宜大于墙高的%。台阶可分级设 置,每级的宽度和高度关系应符合刚性角的要求即基础台阶的斜向连线与竖直 线的夹角,对于石砌圬工不大于;对于混凝土圬工不大于。如超过时, 则应采用钢筋混凝土基础板。 ..基底应力与偏心距检算 为了保证挡土墙的基氐应力小超过地基的吞讦承载力,应进仃基底应力检 算;为了使挡土墙墙型结构合理和避免发生显著的不均匀沉陷,还应控制作用 于挡土墙基底的合力偏心距。若作用于基底合力的法向分力为?,它对墙趾 的力臂为?,即 乙迭产 ?? 式中: ?鸭??对墙趾的稳定力矩之和; ?呜??对墙趾的倾覆力矩之和; 则合力偏心距为::昙一?。 当为倾斜基底时,作用于其的总垂直力为:第页 西南交通大学硕士研究生学位论文 ??‘??倪?? 基底的合力偏心距,要求在土质地基上,?/,在不易风化的岩石地基 上,?/。 基底两边缘点,即趾部和踵部的法向压应力、仃:为: 仉:卫?竺? 式中: ???各力对中性轴的力矩之和; 形??基底截面模量; ??基底面积。 由于挡土墙基础为带状,检算为延长米,因而 / : 二,二? :坠?与 、 ’ 故 ? 基底压应力不得大于地基的容许承载力】,当考虑主力和附加力组合时, 地基容许承载力可提高%。当按主力计算时,墙踵的基底压应力可超过地基 的容许承载力,一般地区最大不得超过%。 当/时,基底的一侧将出现拉应力,考虑到一般情况下地基于基础 间不能承受拉力,故不计拉力而按应力重分布计算基底最大压应力。 设置倾斜基底时,倾斜基底的宽度’,由磊硒南高得 垒竺竺 日: 口。一口 ?第页 西南交通大学硕士研究生学位论文 式中: %??基底对水平面的夹角; 口??墙背对竖直面的夹角。 倾斜基底法向力为: ??‘??。% 口。 它对墙趾的力臂为,即 乙:紫 倾斜基底的合力偏心距为’为 出等一东 这时,基底的法向应力为: ? 当悱删,?:擎雌》 洲删时一警 ..墙身截面强度检算 已经破坏的挡土墙中,墙身破坏所占的比重是不小的,因此不能忽视墙身 截面的检算。 对于重力式挡土墙,应选取一、二个薄弱截面,如襟边以上截面进行检算。 对于衡重式挡土墙,还应特别注意衡重台附近的截面检算。 墙身截面强度检算包括法向应力和剪应力检算。 .检算截面的合力偏心矩’: 当按主力计算时: ?.‘第页 西南交通大学硕士研究生学位论文 当按主力附加力计算时: ?.‘ 式中:曰’一一墙身截面宽度 。检算截面的法向压应力,不应大于所有材料的容许压应力。当计算的最 小应力为负值时,应小于所用材料的容许抗弯曲拉应力,并应检算不计 材料所承受拉力时受压区应力重新分布的最大压应力,其值不得大于容 许压应力。 .必要时墙身截面应作剪应力检算。第页 西南交通大学硕士研究生学位论文 第章抗滑桩设计 .概述 抗滑桩又称锚固桩。我国年首次用于整治滑坡工点获得成功,它是近 二十多年来获得广泛应用的一种新型抗滑支挡结构物。抗滑桩是桩埋于稳定滑 床中,依靠桩与桩周岩土体的相互牵制作用把滑坡推力传到稳定层,利用 稳定地层的锚固作用和被动抗力,使滑坡得到稳定。桩可改善滑坡状态,促使 滑坡向稳定状态转化。抗滑桩的埋置情况如图?所示。 图?抗;孝眭 从桩的材料和施工方法来看,抗滑桩与一般用于基础的桩并无显著区别。 目前,我国铁路部门所采用的抗滑桩均是人力挖孔就地灌注的钢筋混泥土矩形 板。按桩的变形条件,抗滑桩可分为刚性桩、弹性桩两种。刚性桩在侧向推力 作用下,桩身的挠曲变形很小,可略而不计,桩在土中产生的整体转动位移, 桩的侧向位移随离转动中心的距离而成直线增加。弹性桩在侧向推力的作用下, 它的变形以桩身的挠曲变形为主,而桩整体转动所引起的变形可略而不计。 按桩的埋置情况和受力状态,抗滑桩可分为全埋式桩和悬臂式两种桩。全 埋式桩既是桩前桩后均受外力作用,桩前滑动面以上部分对桩不产生作用力时 称为悬臂桩。 采用抗滑桩群整治滑坡,主要具有以下优点:西南交通大学硕士研究生学位 论文 第页 桩身位置布置灵活一般在滑坡前缘抗滑段上; 抗滑力大、圬工小; 桩施工时破坏滑体范围小且分散,不致于改变滑坡的稳定状态; 施工中每个桩孑都是一个很好的探井,能发现原设计中存在的问题,并 及时进行补救; 施工简便,而且不受季节限制等。 存在的不足的是不宜用于软塑体滑坡的整治和需要较多的钢材。 抗滑桩除用于稳定滑坡外,还可用以路基边坡加固,阻止填方沿基底滑动, 加固己成建筑物,如挡墙及隧道防止开裂扩大等等。 抗滑桩一般设置在滑坡前缘抗滑段上,并垂直于滑坡主滑方向成排布置。 .抗滑桩设计的基本原则 、抗滑桩的设置应保证提高滑坡体的稳定系数达到规定的安全值;滑坡体 不越过桩项或从桩间滑动;不产生新的深层滑动。平面布置、桩间距、桩长 和 截面尺寸等的确定,应综合考虑达到经济合理。 、桩的布置 抗滑桩的桩位在断面上应设在滑坡体较薄、锚固段地基强度较高的地段。 平面布置一般为一排,排的走向与滑体的滑动方向垂直成直线形或曲线形。 桩 间距决定于滑坡推力大小、滑体土的密度和强度、桩的截面大小、桩的长度 和 锚固深度以及施工条件等因素。两桩之间在能形成土拱的条件下,土拱的支撑 力和桩侧摩擦力之和应大于一个根桩所能承受的滑坡推力。桩间距宜为 ~。通常在滑坡主轴附近间距较小,两侧间距稍大。对于较潮湿的滑体和 较小截面的桩,也可布置为两排,按品字形或梅花形交错布置。一般上下排的 间距为桩截面宽度的?倍。 、桩的锚固深度 桩埋入滑面以下稳定地层内的适宜锚固深度,与该地层的强度、桩所承受 的滑坡推力、桩的刚度以及如何考虑滑面以上桩前抗力等有关。按弹性地基梁 设计的抗滑桩,原则上由桩的锚固段传递到滑面一下地层的侧向压应力不得大 于该地层的侧向容许压应力。桩基底的最大压应力不得大于地基的容许承载力 控制。 、桩的截面形式和强度 钢筋混凝土抗滑桩的截面形式有矩形、圆形。桩的截面形状要求使其上部第页 西南交通大学硕士研究生学位论文 受力段正面能产生较大的摩擦力,并使其下部锚固段能抵抗较大的反力,其截 面具有最好的抗弯和抗剪强度,设计中一般采用矩形,受力面为短边,侧面为 长边。桩的截面尺寸应根据滑坡推力的大小、桩间距以及锚固段地基的横向容 许抗压强度等因素确定。为了便于施工,挖孑桩最小边宽度不宜小于.。 、作用于抗滑桩上的力系 作用于抗滑桩的力系,应计算滑坡推力包括活载引起的滑坡推力、桩前 滑体抗力指滑动面以上桩前滑体对桩的反力和锚固段地层的抗力。桩侧摩 阻力和粘聚力以及桩身重力和桩底反力可不计算。对于悬臂长、截面大的悬臂 桩,桩身自重不应忽略。 .抗滑桩的设计计算 抗滑桩的设计计算包括桩截面尺寸及合理间距的确定、桩的长度及锚固深 度的确定、作用于桩身的外荷载计算、桩的内力计算及配筋设计等。作用于桩 上的滑坡推力可按传递系数法计算。推力在桩上的分布可根据滑体性质来确定。 当滑体为粘聚力较大的粘土、土夹石、较完整的岩层时,滑体系均匀向下蠕动, 或整体向下移动,故推力可按矩形分布考虑;当滑体不属于上述情况,而介乎 两者之间时,可按抛物线形或简化为梯形分布考虑。 推力在桩上的分布,实际上还与桩的变形性质、滑动面性质与倾角大小以 及滑动的速度等因素有关,是一个比较复杂的问题,所以精确的计算方法还 需 做进一步研究。 桩的截面形式与尺寸和施工方法有关。挖孔桩多采用矩形断面,其长边顺 着滑动方向布置,最小边长不宜小于.,长边一般用~。桩的间距,应 根据不使上方滑体从桩间滑走,又不致过密的原则来确定。一般滑体较完整的, 土质较密的,桩的间距可大些。 桩的长度和锚固深度必须经过计算确定。当桩的位置确定后,桩的全长等 于滑体厚度加上桩的锚固深度。桩的锚固深度不足时,桩就有被推倒的危险,锚固太深既增加施工困难又不经济。一般锚固深度约为桩全长的去~?。 ..滑坡推力及分布 作用于桩上的滑坡推力可按传递系数法计算。计算是再已知滑动面位置和 滑带土的抗剪强度指标的基础上进行的。通过计算可以对滑坡的稳定性作出判第页 西南交通大学硕士研究生学位论文 断。当滑坡不稳定时,推力计算的结果可以为所需设置的支挡建筑物提高设计 荷载。 滑坡推力计算 将滑动方向和速度大体一致的滑体视为一个计算单元,在顺滑动主轴方向 的地质纵断面上按滑面带的产状和岩土性质划分为若干铅直条块,由后向前计 算各条块分界面上的剩余下滑力即是该部分的滑坡推力。 图传递系数祛图不 其主要的计算方法是传递系数法,如图所示,取第条块为分离体, 将各力分解在该条滑面的方向上,可得下列方程: 一呸彬巨一 ?? 略 巨一形 一 由上式可得出第条块的剩余下滑力,即 彬帆?一形 仍一厶 式中: 一一第个条块末端的滑坡推力,/: 一一安全系数,可采用。~。; 形一一第个条块滑体的重量,/; 磁一一第个条块所在滑面的倾角,。; %一,一一第一个条块所在滑面的倾角,; 一一第个条块所在滑面的单位粘聚力,; 仍一一第互个条块所在滑面上的内摩擦角,。; 厶一一第个条块所在滑面上的长度,; 妖一一传递系数,妖?