1、基本要求：基本要求：掌握坡率法与削坡减载设计的相关内容；在了解侧向岩土压力的分类,理解各类侧向岩石压力的计算方法；掌握重力式挡土墙设计方法；掌握悬臂式及单支点支护结构设计的静力平衡法和等值梁法；熟悉锚杆（索）设计及排水设计。难点：难点：侧向岩土压力的计算；重力式挡土墙稳定性验算及强度复核；支护结构嵌固深度及最大弯矩的确定；锚杆（索）锚固长度的确定重点：重点：重力式挡土墙的设计；悬臂式支护结构及单支点支护结构设计的静力平衡法和等值梁法；锚杆（索）的设计第6章 边坡工程设计6.1 边坡工程设计的基本资料与基本原则6.2 坡率法与削坡减载设计6.3 边坡支护结构的侧向岩土压力6.4 重力式挡土墙设计
2、6.5 悬臂式及单支点支护结构设计6.6 锚杆(索)设计6.7 排水设计6.1 基本资料与基本原则边坡工程设计的基本资料1）建筑物总体设计资料2）工程地质资料3）水文地质资料4）工程地震资料边坡工程设计的基本原则 1）边坡工程极限状态设计原则边坡工程极限状态设计原则(1)承载能力极限状态：对应于支护结构达到承载力破坏、锚固系统失效或坡体失稳；(2)正常使用极限状态：对应于支护结构和边坡的变形达到结构本身或临近建(构)筑物的正常使用限值或影响耐久性能。2）边坡工程设计采用的荷载效应最不利组合应边坡工程设计采用的荷载效应最不利组合应符合下列规定：符合下列规定：(1)按地基承载力确定的支护结构立柱（
3、肋柱或桩）和挡墙的基础底面积及其埋深时，荷载效应组合应采用正常使用极限状态的标准组合，相应的抗力应采用地基承载力特征值。(2)边坡与支护结构的稳定性和锚杆锚固体与地层的锚固长度计算时，荷载效应组合应采用承载能力极限状态的基本组合，但其荷载分项系数均取1.0，组合系数按国家标准的规定采用；0(3)在确定锚杆、支护结构立柱、挡板、挡墙等的截面尺寸、内力及配筋时，荷载效应组合应采用承载能力极限状态的基本组合，并采用现行国家标准规定的荷载分项系数和组合值系数；支护结构的重要性系数，按有关的规范的规定采用，如建筑边坡工程技术规范中，对安全等级为一级的边坡取1.1，二、三级边坡取1.0。(4)计算锚杆变形
4、和支护结构水平位移与垂直位移时，荷载效应组合应采用正常使用极限状态的准永久组合，不计入风荷载和地震作用。(5)在支护结构抗裂计算时，荷载效应组合应采用正常使用极限状态的标准组合，并考虑长期作用影响。(6)抗震设计的荷载组合和临时性边坡的荷载组合应按现行有关标准执行。0 3）边坡工程应按下列原则考虑地震作用的影响）边坡工程应按下列原则考虑地震作用的影响：(1)边坡工程的抗震设防烈度可采用地震基本烈度，且不应低于边坡破坏影响区建筑物的设防烈度；(2)对抗震设防的边坡工程，其地震效应计算应按现行有关标准执行；岩石基坑工程可不作抗震计算；(3)对支护结构和锚杆外锚头等，应采取相应的抗震构造措施。04）
5、边坡工程设计中应包括边坡工程设计中应包括支护结构的选型、计支护结构的选型、计算和构造，并对施工、监测及质量验收提出要求。算和构造，并对施工、监测及质量验收提出要求。边坡支护结构设计时应进行下列计算和验算：边坡支护结构设计时应进行下列计算和验算：(1)支护结构的强度计算，包括立柱、挡板、挡墙及其基础的抗压、抗弯、抗剪及局部抗压承载力计算以及锚杆杆体的抗拉承载力计算等，均应满足现行相应的标准要求；(2)在锚杆挡墙设计中，应对锚杆锚固体的抗拔承载力和立柱与挡墙基础的地基承载力计算；(3)当边坡位于滑坡地段或边坡的滑塌可能影响到周围的建筑物时，应对边坡工程进行支护结构整体或局部稳定性验算；0(4)当对
6、边坡的变形有较高的要求时，应对边坡进行变形分析，并根据分析结果采取有效的措施控制变形量，使之满足规定要求；(5)地下水控制计算和验算；(6)对施工期可能出现的不利工况进行验算。5）边坡工程设计中的综合治理原则）边坡工程设计中的综合治理原则边坡工程设计，应根据边坡的具体情况，结合主体工程建筑物实施多项措施综合治理原则。在保证边坡自身整体稳定的前提下，综合考虑主体建筑物、周边建筑物、周边环境以及整体美观、适用、经济等特点进行优化设计。6.2 6.2 坡率法与削坡减载设计坡率法与削坡减载设计6.2.16.2.1 坡率法与削坡减载概述坡率法与削坡减载概述1）坡率法与削坡减载的概念坡率法与削坡减载的概念
7、对于无粘性土坡，只要坡面上的土颗粒在重力作用下能够保持稳定，整个土坡就处于稳定状态。砂 堆HTNW图图6.1 坡角示意图坡角示意图在工程实践中，只要把边坡的高度和坡度控制在一定范围内，坡体即可自稳。在工程设计中如果通过控制边坡的高度和坡度，使边坡达到自稳，并满足想过规范最小安全系数要求，这种边坡设计方法，称为坡率法。削坡减载的概念一般是针对滑坡而言。滑坡体的滑动面一般上陡下缓，滑坡体后缘由于坡度大，岩土体有下滑趋势，而前缘的坡度下，具有阻滑作用，通过减少下滑段的岩土体体积，可使减少滑坡下滑力，从而提高滑坡整体的稳定性。2）坡率法与削坡减载的适用条件坡率法与削坡减载的适用条件坡率法是利用岩土体自
8、身的强度来保证坡体的稳定。采用坡率法治理的边坡无需采用工程措施对边坡进行整体加固，因此在开挖量不大时，坡率法一般比较经济。通常情况在工程条件许可时，应优先采用坡率法。坡率法适用于岩层、粘性土和良好的砂性土边坡，要求地下水位较低，放坡时有足够的场地。根据根据建筑边坡工程技术规范建筑边坡工程技术规范下列边坡不应下列边坡不应采用坡率法：采用坡率法：(1)放坡开挖对拟建或相邻建（构）筑物有不利影响的边坡；(2)地下水发育的边坡；(3)稳定性差的边坡。削坡减载是减轻滑坡体下滑段的滑体超重部分，不同于一般边坡削坡，如果误将滑坡下部的阻滑部分削去，将进一步加剧滑坡的发展。在滑坡治理中，与减载相对应的另一种方
9、式是压脚，通过在滑坡阻滑段堆载来提高阻滑力，提高滑坡稳定性的方法。削坡减载和压脚阻滑都是滑坡处理中最直接最有效的方法，工程中应用广泛。6.2.2 坡率法的设计坡率法的设计坡率法设计内容坡率法设计内容包括确定坡率、马道设置、排水以及坡面防护等。在进行设计之前必须查明边坡的工程地质条件，包括边坡岩土体力学性质、各种结构面产状和发育程度、地表水和地下水。1）坡率的确定坡率的确定边坡维持稳定的坡率是由边坡的岩性、地质构造、边坡高度、地下水及地表水、荷载条件等多种因素决定的。设计时，结合实践经验按照工程类比的原则，并参考该地区地质条件相似的已有稳定边坡的坡率综合分析确定。根据建筑边坡工程技术规范，对于土
10、质均匀良好，地下水贫乏、无不良地质现象和地质环境条件简单时，可按表6.1确定；注：1表中碎石土的充填物为坚硬或硬塑状态的粘性土；2对于砂土或充填物为砂土的碎石土，其边坡坡率容许值应按自然休止角确定。对于岩质边坡，无外倾结构面时，可按表6.2确定。注：1表中H为边坡高度；2类强风化包括各类风化程度的极软岩。对下列边坡的坡率允许值应通过稳定性分析计对下列边坡的坡率允许值应通过稳定性分析计算确定：算确定：(1)有外倾软弱结构面的岩质边坡；(2)土质较软的边坡；(3)坡顶边缘附近有较大荷载的边坡；(4)坡高超过表6.1，6.2的边坡2 2）排水设计排水设计采用坡率法治理边坡后，通常还要设置排水系统，在
11、边坡的坡顶、坡脚和马道设置地表排水沟，在坡顶外围应设截水沟，减少地表水入渗，坡脚设置排水沟，防止坡脚冲刷影响边坡稳定。当边坡有地表积水地下水渗出或泉眼时，根据实际情况设置排水孔、排水盲沟等。3）坡面防护坡面防护采用坡率法仅能保证边坡的整体稳定，对于岩质边坡易发生风化剥落，造成危害，对于泥岩等风化快的软岩，还有可能因岩土体强度降低发生整体失稳。对于土质边坡，易受雨洪冲刷，造成坡面破坏，水土流失。因此坡率法通常与护坡措施结合使用。边坡防护主要有工程防护和植被防护两种形式。工程防护使用较早，是传统的边坡防护方法，以混凝土圬工为主体，包括浆砌片石护坡、拱形截水骨架、素混凝土挂网、喷射砂浆护面等；而植被
12、防护主要是以植草木、花草为主的生态防护。生态防护方法参考第七章。工程防护有喷护、锚杆挂网喷浆、砌块护坡等。4）边坡稳定性验算边坡稳定性验算对采用坡率法设计的边坡应进行稳定性验算，验算方法应根据边坡性质确定，土质边坡或严重切割成块状岩质边坡可采用圆弧法。具有优势结构面的眼中边坡以结构面为滑动面进行验算，验算时的强度参数应取结构面的参数，根据边坡等级确定验算工况及荷载。分级放坡时应验算边坡整体的和各级的稳定性。具体验算方法参考第四章。5）坡率法施工坡率法施工边坡坡率法施工开挖应自上而下有序进行，并应保持两侧边坡的稳定，保证弃土、弃渣不导致边坡附加变形或破坏现象发生。边坡工程在雨季施工时应做好水的排
13、导和防护工作。6.2.3 削坡减载设计削坡减载设计削坡减载属于改变边坡几何形态的一种治理方法，该技术简单可行、工期短，治理效果与削坡减载部位及地质环境关系密切。1）削坡减载设计一般规定）削坡减载设计一般规定(1)削坡减载设计前必须弄清滑坡的成因和性质，查明滑动面的位置、形状及可能发展的范围，根据稳定滑坡和修建防滑构筑物的要求进行设计计算，以决定减重范围。对于小型滑坡可以全部清除。(2)削坡减载的弃土，不能堆置在滑坡的主滑地段，应尽量堆填于滑坡前缘，以便起到堆载阻滑的作用。(3)牵引式滑坡或滑带具有卸载膨胀性质的滑坡，不宜采用滑坡减重的方法。(4)削坡减载之后，应验算滑面从残存滑体的薄弱部分剪出
14、的可能性。(5)削坡减载后的坡面必须注意整平。排水及防渗处理。2）削坡减载后边坡稳定性验算削坡减载后边坡稳定性验算对滑坡进行削坡设计，应注意控制滑坡从残存滑体的薄弱部分剪出。为了检验设计是否满足边坡稳定的要求，需要对减重后的滑坡进行稳定性验算。验算时除了验算原滑动面外，还要对滑坡从残存滑体的薄弱部分剪出的可能的潜在滑动面进行验算。当所有验算均满足要求时，可认为滑坡的减重设计可行，否则须重新修改设计或采用其他方案。在进行滑坡稳定性验算时，滑带岩土抗剪强度指标的选取除采用试验方法外，还应用反分析法和经验数据法加以验证。6.3 6.3 边坡支护结构的侧向岩土压力边坡支护结构的侧向岩土压力6.3.1
15、6.3.1 侧向岩土压力类型侧向岩土压力类型作用在边坡支护结构上的荷载主要是土压力土压力。土压力即岩土体或基坑边坡坑壁原位土对支挡结构产生的侧向岩土压力，例如作用在挡土墙上的主动土压力，基坑边坡支护结构上的主动土压力、被动土压力等。根据边坡支挡结构的位移方向、大小及背后岩土体所处的状态，边坡支护结构侧向岩土压力可分为静止土压力、主动土压力和被动土压力。1）静止土压力静止土压力当支挡结构在土压力作用下，结构不发生任何变形和位移，保持原有的位置不动，背后岩土体处于弹性平衡状态，此时作用在支挡结构上的土压力为静止土压力，用 表示（图6.2（a）。2）主动土压力主动土压力当支挡结构在土压力作用下，结构
16、向离开岩土体方向发生位移或转动，随着位移或转动的增加，作用在支挡结构上的土压力逐渐减小，当支挡结构的位移或转动达到某一数值时，岩土体出现滑裂面，支挡结构背后岩土体处于主动极限平衡状态，此时作用在支挡结构上的土压力称为主动土压力，用 表示（图6.2（b）。3）被动土压力）被动土压力当支挡结构在外荷载作用下，结构向着岩土体方向发生位移和转动，随着位移或转动的增大，作用在支挡结构上的土压力逐渐增大，当支挡结构的位移量达到某一数值时，岩土体出现滑裂面，支挡结构背后岩土体处于被动极限平衡状态，此时作用在支挡结构上的岩土压力称为被动土压力，用 表示（图6.2（c）。E图6.3为土压力与支护结构的关系曲线，
17、图中横坐标为支挡结构的位移量，纵坐标为土压力，“+”表示向着岩土体方向；“-”表示背离岩土体方向。，“。由图可知：随着支挡结构位移的变化，支挡结构背后岩土体的应力应变状态不同，因而土压力值也在变化。6.3.2 侧向岩土压力计算侧向岩土压力计算土压力的计算，实质是土的抗剪强度理论的运用。静止岩土压力计算，主要是运用弹性理论方法和经验方法。计算主动、被动岩土压力，主要是应用极限平衡理论（岩土体处于塑性状态）的库伦理论和郎肯理论及依上述理论为基础发展的近似方法和图解法。1）静止土压力计算静止土压力计算静止土压力可根据半无限弹性体的应力状态求解。在土体表面以下任意深度z处取一单元体（图6.3），其上作
18、用着竖向的土的自重应力，则该点的静止土压力强度可按公式（6.1）计算：00=eK z（6.1）式中，静止土压力强度（kN/m2）；0e 静止土压力系数，宜由试验确定，当无试验条件时，对砂土可取0.340.45，对粘土可取0.50.7。对于正常固结土，也可采用半经验公式 计算，式中 为土体的有效应力内摩擦角；0K0=1 sinK Z计算土压力点的深度（m）;土体的重度（kN/m3）。由公式（6.1）可知，静止土压力沿墙高为三角形分布，则作用在墙上的静止土压力合力为：20012=EH K（6.2）式中，E0静止土压力合力，（kN/m2）；H为挡土墙高度。力作用点即三角形形心，位于距墙底H/3 处。
19、2）主、被动土压力计算主、被动土压力计算当支挡结构满足郎肯条件时，主、被动土压力系数可按郎肯主动土压力理论确定；对于无粘性土和粉土，主、被动土压力可按库伦土压力理论进行确定；对于粘性土或粉土，主、被动土压力可采用楔体试算法图解求得。(1)当墙背竖直、坡顶水平时，支挡结构满足郎肯条件，主动土压力可按公式(6.3)计算：2 aaazeKc K（6.3）对于无粘性土，粘聚力c=0,公式（6.3）变为 aazeK（6.4）由式（6.3）和（6.4）可知，主动土压力ea呈三角形分布，如图6.4b所示。作用在墙背上的主动土压力的合力Ea，即为ea分布图形的面积，其作用点位置在分布图形的形心处。212aaE
20、H K（6.5）粘性土和粉土的主动土压力强度包括两部分：一部分是自重引起的土压力，另一部分是有粘聚力引起的负侧压力，这两部分土压力叠加的结构如图6.4c所示，其中部分是ade负侧压力，对墙背是拉力，但实际上墙与土在很小的拉力作用下就会分离，故在计算土压力时，这部分可以忽略不计，因此粘性土的土压力分布仅是abc部分。a点离土体表面的深度Z0称为临界深度，在土体表面无荷载时，可令式（6.3）为零求得Z0值，即 2=0aaazeKc K 得02=aczK （6.6）取单位墙长计算，则作用在墙背上的土压力为：201=()2aEHz （6.7）将式(6.6)代入式(6.7)得：2212=2+2aaacE
21、H KcH K（6.8）类似地，被动土压力按公式(6-9)计算：+2pppzeKc K（6.9）式中，ep被动土压力标准值（kN/m）；Kp 被动土压力系数，取2）；tan(45+2)=pK 对于无粘性土，粘聚力c=0,公式（6.9）变为 ppzeK （6.10）其余符号同前。被动土压力分布图如图6.5所示由式（6.9）和式（6.10）可知，无粘性土被动土压力强度呈三角形分布（图6.5b）,粘性土、粉土被动土压力呈梯形分布（图6.5c）。如取单位墙长计算，则被动土压力可由下式计算：无粘性土：粘性土和粉土：212ppEH K21=+22pppEH KcH K(6.11)(6.11)(6.12)(
22、2)当墙背倾斜粗糙或坡顶倾斜且有连续均布荷载作用时，支挡结构满足库伦土压力条件，根据平面滑裂面假定（如图6.6所示），主动土压力合力按公式（6.5）计算,主动土压力系数由公式（6.13）计算：式中，Ea主动土压力合力(kN/m)；Ka主动土压力系数；H挡土墙高度（m）；土体重度（kN/m）；c土的粘聚力（kPa）；土的内摩擦角（）；q地面均布荷载（kN/m）；岩土对挡土墙墙背摩擦角（）；岩土表面与水平面间的夹角（）；挡土墙墙背倾斜角（）；滑裂面与水平面间的夹角（）。33）有超载时的土压力计算有超载时的土压力计算在设计支挡结构时，一般应考虑土体表面的各种可能出现的荷载，例如施工荷载、车辆荷载、建
23、筑材料堆载等，这类活荷载称为超载，它的存在增加了作用于支挡结构荷载上的土压力。确定超载的影响，一般有两种方法：弹性力学解析法和近似解法。为了便于分析，可将超载简化为集中荷载或均布荷载。(1)线荷载QL作用距支护结构顶端a处作用有线分布荷载QL时，附加侧向压力分布可简化为等腰三角形（图6.7所示）。最大附加侧向土压力标准值可按公式（6.16）计算：,max2()LhaQEKh （6.16）(2)均布荷载作用距支护结构顶端a处作用有宽度b的均布荷载时，附加侧向土压力标准值可按公式（6.17）计算：hkaLEKq （6.17）4）成层土的土压力计算成层土的土压力计算当墙后土体有多层不同性质的水平土层
24、，如图6.9所示，有两层土体，计算土压力时，第一层的土压力按均质土计算，土压力的分布为图中的abc；计算第二层土压力时，将第层土按重度换算成与第二层土相同的当量土层，即其当量土层的厚度为 ,然后以 为墙高，按均质土计算，但只在第二层土层厚度范围内有效，如图中的dbef部分。11 12=hh 12+hh多层土时，再将一、二层的土体重度换算成重度为3的当量厚度，然后计算第三层范围内土压力分布，以此类推，直到最下层土体。必须注意，由于各层土的性质不同，土压力系数值也不同。5）有地下水作用的土压力计算）有地下水作用的土压力计算挡土墙后的回填土常会部分或全部处于地下水位以下，由于地下水的存在将使土的含水
25、量增加，抗剪强度降低，而使土压力增大，因此挡土墙应该有良好的排水措施。当墙后填土有地下水时，作用在墙背上的侧压力有土压力和水压力两部分。地下水位以下土的重度应采用浮重度（由公式（6.18）计算），地下水位以上和以下土的抗剪强度指标也可能不同，因而有地下水情况是成层土的一个特定情况。有地下水位计算土压力时假设地下水位上下土的内摩擦角相同，在图6.10中，abdec部分为土压力分布图，cef部分为水压力分布图，总侧压力为土压力和水压力之和。当具有地区工程经验时，对粘性土，也可采用水土合算原则计算土压力，地下水位以下取饱和重度（sat）和总应力固结不排水抗剪强度（ccu和cu）指标计算。=satw
26、（6.18）式中，sat饱和重度kN/m；w水的重度kN/m。采用水土分算还是水土合算，是当前比较有争议的问题。一般认为，对砂土与粉土采用水土分算，粘性土采用水土合算。水土分算时采用有效应力抗剪强度；水土合算时采用总应力抗剪强度。对正常固结土，一般以室内自重固结下不排水指标求主动土压力；以不固结不排水指标求被动土压力。多数规范规程都比较肯定水土分算，其理由是水土分算符合土力学的有效应力原理，理论方面比较严密。但是，水土分算在实用中遇到两个问题：其一，按有效原理计算时，理应采用有效应力强度指标，而这样的指标很难获得；其二，按水土分算作出的设计需要投入的费用明显高于水土合算，而工程实践又不能证明水
27、土合算是不安全的。6）有限范围内土体的土压力计算有限范围内土体的土压力计算库伦和郎肯理论都要求破裂面能在土体中形成。当挡土墙后不远处有岩石坡面或坚硬的稳定的坡面，岩坡的坡角 时，如图6.11所示，在这种情况下，墙后土体不是沿着计算破裂面滑动，而是沿着已知滑动面滑动，这属于有限范围土体土压力计算问题。主动土压力合力按公式（6.5）计算，主动土压力系数由公式（6.19）计算：45+2 7）坡顶地面非水平时的土压力计算）坡顶地面非水平时的土压力计算图6.12给出了坡顶地面非水平的几种情况。对于此类问题，常按坡顶为水平或倾斜的情况分别进行计算，然后组合。(1)图6.12（a）的情况，可延长倾斜面交墙背
28、于C点，分别计算出墙背为AB并且坡顶地面水平时的主动土压力分布图ABD，以及墙背为BC而坡顶地面倾斜时的主动土压力分布图ACE，这两个图形交于F点，则实际主动土压力分布图形可近似图中图形AEFBA，主动土压力按公式（6.20）或公式（6.21）计算：式中：地表斜坡面与水平面的夹角（）z计算点的深度（m）；h地表水平面与地表斜坡和支护结构相交点的距离（m）。(2)图6.12（b）的情况，可分别计算墙背AB在坡顶表面为倾斜时的主动土压力分布图形ABE，以及虚设墙背BC在坡顶为水平时的主动土压力分布图形。这两个图形相交于F点，则图形ABFDA为主动土压力的近似分布图形。(3)图6.12（c）的情况，
29、可按图6.12a和图6.12b的方法叠加计算，图形ABIHCA为主动土压力的近似分布图形。6.3.3 侧向岩石压力侧向岩石压力1）静止岩石压力）静止岩石压力静止岩石压力合力标准值按公式（6.22）计算：式中：岩石泊松比，宜采用实测数据或当地经验数据。由于实验室测得的岩块泊松比是岩石的泊松比，而不是岩体的泊松比，因而由此算得的是静止岩石侧压力系数。根据建筑边坡工程技术规范，岩质边坡静止侧压力系数应按表6.4进行修正：2）主动岩石压力主动岩石压力(1)对沿外倾结构面滑动的边坡，其主动岩石压力合力标准值可按公式（6.24）计算：式中：外倾结构面倾角（）；cs外倾结构面粘聚力（kPa）；s外倾结构面内
30、摩擦角（）；Kq系数，按式（6-14）计算；岩石与挡墙背的摩擦角（），取（0.330.5）。当有多组外倾结构面时，侧向岩石压力应计算每组结构面的主动岩石压力并取其最大值。(2)对沿缓倾的外倾软岩结构面滑动的边坡（图6.13），主动岩石压力合力标准值可按公式（6.27）计算：有些岩体中存在外倾的软弱结构面，即使结构面倾角很小，仍可能产生四面楔体滑落，对滑落体的大小按当地实际情况确定。滑落体的稳定分析采用力多边形法验算。当坡肩有建筑物，挡墙的变形量较大时，将危机建筑物的安全及正常使用。为使边坡的变形量控制在允许范围内，根据建筑物基础与边坡外边缘的关系采用规范规定的岩土侧压力修正值，是边坡仅发生较小
31、变形，保证坡顶建筑物的安全及正常使用。6.4 重力式挡土墙设计重力式挡土墙设计 重力式挡土墙是以挡土墙自身重力来维持挡土墙在土压力作用下的稳定。它是我国目前最常用的一种挡土墙。一般可用块石、片石、混凝土预制块作为砌体，或采用片石混凝土、混凝土进行整体浇筑。它的优点是就地取材，施工方便，经济效果好。所以，重力式挡土墙在我国铁路、公路、水利、港湾、矿山等工程中得到广泛的应用。根据墙背倾斜方向的不同，墙身断面形式可分为仰斜、垂直、俯斜、凸形折线式和衡重式等几种，如图6.14所示。6.4.1重力式挡土墙构造重力式挡土墙构造 挡土墙的构造必须满足强度与稳定性的要求，同时应考虑就地取材、经济合理、施工养护
32、的方便与安全。重力式挡土墙一般由墙身、基础、排水设施与伸缩缝等部分组成，挡土墙的组成示意如图6.15所示。1)墙身墙身对于仰斜式挡土墙，墙背越缓，所受土压力越小，但施工越困难，故仰斜式墙背不宜过缓，一般常控制14（即墙背的仰斜度为1:0.25）。俯斜墙背所受的土压力较大，因此墙身断面比仰斜式要大，墙背坡度一般控制2114（即1:0.4）。衡重式墙背可视为在凸形折线式的上下墙之间设一衡重台，并采用陡直墙面。上墙墙背的坡度，一般为1:0.251:0.45，下墙墙背一般为1:0.25左右，上下墙的墙高比，通常采用2:3。通常，基础以上的墙面均为平面，前面坡度除应与墙背的坡度相协调外，还应考虑到墙趾处
33、地面的横坡度。当地面横坡较陡时，墙面直立或外斜1:0.051:0.2；当地面横坡平缓时，墙面可放缓，一般采用1:0.201:0.35较为经济，但不宜缓于1:0.4。重力式挡墙材料可使用浆砌块石、条石或素混凝土。块石、条石的强度等级应不低MU30，混凝土的强度等级应不低C15，块、条石挡土墙的墙顶宽度不应小于0.4m，素混凝土挡土墙墙顶宽度宽度不宜小于0.3m。2）基础基础 基础设计的主要内容包括基础形式的选择和基础埋置深度的确定。挡土墙通常采用浅基础，只有在特殊情况下，才使用桩基。挡土墙的基础一般直接设置在天然地基上。当地基软弱时，为减少基底压应力，增加稳定性，墙趾可伸出台阶，以拓宽基底，台阶
34、宽度不小于0.2m，高宽比可用3:2或2:1，也可采用砂砾、碎石、矿渣或石灰土等质量好的材料换填，以提高地基承载力。基础的埋置深度，应根据地基稳定性、地基承载力、冻结深度、水流冲刷和岩石风化程度等因素确定。在土质地基中，基础最小埋置深度不宜小于0.50.8m（挡土墙较高时取大值，反之取小值）；在岩质地基中，基础埋置深度不宜小于0.3m。基础埋置深度应从坡脚排水沟底起算。3）排水措施）排水措施 挡土墙的排水设施通常由地面排水和墙身排水两部分组成。地面排水主要是为了防止地表水渗入墙背填料或地基。通常，地面排水措施有：设置地面排水沟，以截引地表水；夯实回填土和地表松土，以减少雨水和地面水下渗，必要时
35、可设铺砌层；加固边沟，防止边沟水渗入地基。墙身排水主要是为了迅速排除墙后积水，通常在墙身的适当高度处布置一排或数排泄水孔。4）沉降缝与伸缩缝沉降缝与伸缩缝 为防止因地基不均匀沉陷而引起墙身开裂，应根据地基地质条件及墙高、墙身断面的变化情况，设置沉降缝。为了减少圬工砌体因硬化收缩和温度变化作用而产生的裂缝，须设置伸缩缝。通常把沉降缝与伸缩缝结合在一起，统称为沉降伸缩缝或变形缝。6.4.2重力式挡土墙设计重力式挡土墙设计 作用在挡土墙上的荷载一般有墙后填土及表面的超载引起的土压力、墙身自重。作用在挡土墙上的约束反力一般有地基反力和摩擦力、墙前的被动土压力。对浸水挡土墙而言，应考虑常水位时的静水压力
36、和浮力。在必要时，还应考虑冻水压力、波浪冲击力及地震作用等相关影响因素。挡土墙在墙后填土土压力作用下,必须具有足够的整体稳定性和强度，故设计时应验算挡土墙在荷载作用下，沿基底的滑动稳定性，绕墙趾转动的倾覆稳定性和地基的承载力。当基底下存在软弱土层时，应当验算该土层的滑动稳定性。1）挡土墙稳定性验算挡土墙稳定性验算(1)抗滑稳定性验算用抗滑稳定系数Ks表示，即作用于挡土墙的抗滑力与实际下滑力之比，如图6.16所示，根据建筑边坡工程技术规范，抗滑稳定性按公式（6.28）进行验算：)1.3nansattGEuKEG（6.28）与墙底面垂直的墙自重分量：与墙底面平行的墙自重分量：0=cosnG G0=
37、sintG G（6.29）（6.30）与墙底面平行的土压力合力分量：与墙底面垂直的土压力合力分量：0=sin()ataEE（6.31）0=cos()anaEE（6.32）图图6.16 挡土墙抗滑移稳定性及抗倾覆稳定性验算示意图挡土墙抗滑移稳定性及抗倾覆稳定性验算示意图(2)抗倾覆稳定性验算挡土墙的抗倾覆稳定性是指抵抗墙身绕墙趾向外转动倾覆的能力，用抗倾覆稳定系数 表示，即各力系对墙趾的稳定力矩之和与各力系对墙趾的倾覆力矩之和的比值，如图6.16所示，根据建筑边坡工程技术规范，抗倾覆稳定性按公式(6.33)进行验算：01.6azfLaxfGxE xKE z（6.33）土压力合力的水平分量：sin
38、()axaEE（6.34）土压力合力的垂直分量：cos()azaEE（6.35）作用点与点D的水平距离：cotfxb z（6.36）作用点与点D的垂直距离：tanfzz b（6.37）式中：z岩土压力作用点至墙踵A的高度（m）x0挡土墙重心至墙趾D的水平距离（m）；b基底的水平投影宽度（m）。在验算挡土墙的稳定性，一般均未计趾前土层对墙面所产生的被动土压力。验算结构如果如不满足以上要求，则表明抗滑稳定性或抗倾覆稳定性不够，应改变墙身断面尺寸重新核算。(3)地基承载力验算地基应力的设计值应满足地基承载力的抗力值要求，即满足以下各式。当轴心荷载作用时kaPF（6.38）式中：Pk相应于荷载效应标准
39、组合时，基础底面处的平均压力值；Fa修正后的地基承载力特征值。当偏心荷载作用时，除符合上式要求时，尚应符合公式（6.39）要求：1.2kaPF（6.39）(4)基底合力的偏心距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。0=yNMMZN（6.40）式中，ZN基底合力对墙趾的力臂；N作用于基底合力的法向分力；My各力系对墙趾的稳定力矩之和；M0各力系对墙趾的倾覆力矩之和。合力的偏心距为：=24NbbeZ（6.41）式中：b表示基础底面宽度。2）挡土墙截面强度验算挡土墙截面强度验算重力式挡土墙一般用石器或混凝土砌块砌筑，为保证墙身的安全可靠，需验算任意
40、截面处的法向应力和剪切应力，保证这些应力应小于墙身材料的极限承载能力。对于截面转折或急剧变化的地方，应分别进行验算。对于一般地区的挡土墙，应选取一、两个控制截面进行强度计算，如墙身底部、1/2墙高处、上下墙（凸形及衡重式墙）交界处（如图6.17所示）。(1)抗压验算根据混凝土结构设计规范，砌体偏心受压构件承载力公式（6.42）计算Nf A（6.42）式中：N轴向力设计值；A截面面积；f砌体抗压强度设计值；高厚比和轴向力的偏心距e对受压构件承载力影响系数，按下式计算：式中：e轴向力的偏心距，当为石器体时，不宜超过0.6y；构件的高厚比，对矩形截面=H0/h；不同砌体材料构件的高厚比修正系数，按表
41、6.5选用；H0受压构件的计算高度，对于上端自由的挡土墙H0=2H(H为墙高）；h矩形截面的轴向力偏心方向的边长；y截面重心到轴向力所在偏心方向截面边缘的距离；0轴心受压构件的稳定系数，。是与砂浆强度等级有关的系数，当砂浆强度等级大于或等于M5时，=0.0015；砂浆强度等级等于M2.5时，=0.002；砂浆强度等级大于或等于零时，=0.009。0211 对混凝土灌注的挡土墙，则应按素混凝土偏心受压计算。受压承载力按下列公式（6.43）计算：02()ccNfb he（6.43）式中：N轴向力设计值；素混凝土构件的稳定系数，对重力式挡土墙可取1.0；fcc素混凝土轴心抗压强度设计值；e0受压区混
42、凝土的合力点至截面重心的距离；b截面宽度，挡土墙计算中多取1.0m；h截面高度，即取挡土墙厚度。当 的受压构件，应在混凝土受拉区配置构造钢筋，否则必须满足公式（6.44）方可不配构造钢筋00.452he 061mctf bhNeh（6.44）式中：fct素混凝土抗拉强度设计值；m截面抵抗矩塑性影响系数，对于挡土墙计算截面为矩形时m=1.55(2)抗剪承载力验算对于重力式挡土墙截面大，剪应力很小，通常可不作剪力承载力验算。3）增加挡土墙稳定性措施增加挡土墙稳定性措施(1)增加抗滑稳定性的方法a设置倾斜基底（图6.18）设置向内的倾斜基底，可以增加抗滑力和减少滑动力，从而增加了抗滑稳定性。基底倾斜
43、角0越大，越有利于抗滑稳定性，但应考虑挡土墙连同地基土体一起滑走的可能性，因此对地基倾斜度应加以控制。通常，对土质地基不陡于1:10；岩石地基不陡于1:5。浸水地区挡土墙，当基底摩擦系数u0.5时，一般不设倾斜基底；当u0.5，可以设1:1的倾斜基底。此外，在验算沿基底的抗滑稳定性的同时，还应验算通过墙踵的地基水平面（图6.22II水平面）的滑动稳定性。b采用凸榫基础（图6.19）在挡土墙基础底面设置混凝土凸榫，与基础练成整体，利用榫前土体产生的被动土压力以增加挡土墙的抗滑稳定性。为了增加榫前被动阻力，应使榫前被动土榫不超过墙趾。同时，为了防止因设凸榫而增加墙背的主动土压力，应使凸榫后缘与墙踵
44、的连线同水平线的夹角不超过角。因此应将整个凸榫置于通过墙趾并与水平线成角45-/2线和通过墙踵并与水平线成角线所成的三角线范围内。凸榫的深度h根据抗滑的要求确定，凸榫的宽度b2按截面的强度的要求确定。(2)增加抗倾覆稳定性的方法为增加抗倾覆稳定性，应采取加大稳定力矩和减小倾覆力矩的办法。a展宽墙趾在墙趾处展宽基础以增加稳定力臂，是增加抗倾覆稳定性的常用方法。但在地面横坡较陡处，会由此引起墙高增加。b改变墙面及墙背坡度改缓墙面坡度可增加稳定力臂，改陡俯斜墙背或改为仰斜墙背可减少土压力，。在地面纵坡较陡处，均须注意墙高的影响。c改变墙身断面类型当地面横向坡度较陡或墙前净空受到限制，要求胸坡尽可能陡
45、立，以争取“有效墙高”时，在墙背设立衡重台或卸荷平台等，以达到减少墙背土压力和增加稳定力矩的效果。设置卸荷板的方法不但可用于新建的挡土墙，也可作为已成挡土墙的改建补强措施。【例6-1】设计重力式挡土墙，用MU20级毛石及M5级水泥砂浆砌筑，砌体的抗压强度设计值f=1.935MPa，抗剪强度设计值fv=0.144MPa，墙顶宽1.45m,墙高5m，墙背仰斜角=14.04（1:0.25），墙面与墙背平行如图5.24所示。墙后填土水平与墙 顶 齐 高，即 =0，其 上 作 用 有 均 布 超 载q=10kN/m2。墙后填料为黏土，其容重1=18kN/m3，摩擦角=26.5，内聚力c=8kN/m2，土
46、与墙背的摩擦角=14.04。浆砌毛石的容重2=22kN/m3，基底摩擦系数u=0.4。墙底地基承载力特征值fa=150kPa。6.5 悬臂式及单支点支护结构设计悬臂式及单支点支护结构设计基坑边坡支护是土木工程建设中常见边坡问题，基坑支护的重要性也已被人们所认识。基坑边坡支护形式多样，悬臂式支护结构和单支点支护结构是较为常用的支护结构形式。1）悬臂式支护结构（如图悬臂式支护结构（如图6.24所示）所示）悬臂式支护结构是依靠自身的刚度与强度就能维持其稳定平衡的一种支护结构，又称自立式支护结构。悬臂式支护结构常采用钢筋混凝土排桩、木板桩、钢板桩、钢筋混凝土板桩、地下连续墙等形式。悬臂式支护结构适用于
47、土质较好、开挖深度较浅（一般在6m以内）的基坑边坡工程。2）单支点支护结构单支点支护结构单支点支护结构是指在基坑边坡开挖面上，在挡土结构上设置支撑或锚固支点，提供一个支点与挡土结构结合而成的支护结构，适用于基坑较深、悬臂式支护结构无法满足强度与变形要求的基坑边坡工程。单支点支护结构分为内撑式支护结构和拉锚式支护结构两种。内撑式支护结构（如图6.25所示）由支护结构体系和内撑体系两部分组成。拉锚式支护结构由支护结构体系和锚固体系两部分组成。6.5.1支护结构的破坏形式支护结构的破坏形式支护结构的破坏或失效有多种形式，主要分为以下几类：1）当支护结构强度不足以抵抗水土压力形成的弯矩时，墙体折断造成
48、基坑边坡倒塌，如图6.26所示。对撑锚支护结构，支撑或锚位系统失稳，锚撑节点断裂、支护墙体承受弯矩变大，也会产生墙体折断破坏。悬臂式排桩墙最容易出现墙体断裂。2）当支护结构插入深度不够，或撑锚系统失效造成基坑边坡整体滑动破坏，即基坑发生整体失稳破坏，如图6.27所示。3）在软土地基中，当基坑土体不断挖去，坑内外土体的高差使支护结构外侧土体向坑内方向挤压，造成基坑土体隆起，导致基坑外地面沉降，坑内侧被动土压力减小，引起支护体系失稳破坏，即基坑发生隆起破坏，如图6.28所示。4）地基中存在承压水，当基坑底土层不能承受承压水的浮托力时，基坑底容易产生流砂或管涌而导致支护结构发生破坏。6.5.2支护结
49、构的选用原则支护结构的选用原则 支护结构的选用原则是安全、经济、方便施工和因地制宜。安全不仅指支护体系本身安全，保证基坑开挖、地下结构施工顺利，而且要保证临近建（构）筑物和市政设施的安全和正常使用。经济不仅是指支护体系的工程费用，而且要考虑工期，考虑挖土是否方便，考虑安全储备是否足够，用采用综合分析，确定该方案是否经济合理。方便施工也应是支护体系的选用原则之一，可以降低挖土费用，并且可节省工期、提高支护体系的可靠性。支护结构可以根据基坑周围环境、开挖深度、工程地质与水文地质、施工作业设备和施工季节等条件选用排桩、地下连续墙、水泥土墙及土钉墙等，应考虑结构的空间效应和受力特点，采用有利于支护结构
50、材料的受力形状的形式。软土地区可采用深层搅拌、注浆、间隔或全部加固等方法对局部或整个基坑底进行加固，或采用降水措施提高基坑内侧被动抗力。6.5.3支护结构的设计支护结构的设计6.5.3.1悬臂式支护结构设计悬臂式支护结构设计悬臂支护结构由于只靠一端支承维持结构的稳定，自由端容易产生较大的位移，因此它对于荷载大小、土质特性、悬臂长短等因素的变化较为敏感。一般多用于临时支护，并且多用于开挖深度不大的基坑开挖中，设计中一个关键的问题确定支护结构的插入深度问题。1）计算原理悬臂式支护结构破坏一般是绕桩底端B点以上的某点O以上转动，如图6.29（a）所示：这样在转动点O以上的桩身前侧以及O点以下的桩身后
