毕业设计—加筋土挡土墙设计

1、摘要加筋土挡墙是由拉筋、墙面板和填土构成的一种新型复合支挡结构物。相对于传统的重力式挡土墙，加筋土挡墙为一种柔性结构，具有较好的变形协调性和抗震性能，对地基的承载能力要求也不高，且具有很好的经济性和造型美观性等一些其他结构无法比拟的优越性。因此，被广泛应用与公路、水利、城市建设和铁路等工程中。加筋挡土墙虽有较好的抗震性能，但并非能够抵抗任何等级的地震作用。对于规范要求的抗震设计加筋土挡墙工程，在设计计算时须考虑地震力对其的影响。根据现行相关规范，地震烈度在6度以上的地区，加筋土挡墙应进行抗震设计。采用拟静力法来考虑地震作用，不计竖向地震力的影响，只需考虑水平地震力作用。本文对加筋挡土墙的构造、

2、特点及其发展应用状况作了概述。通过加筋挡土墙的构造，分析了加筋挡土墙的加固机理和破坏模式。加筋土本身是一种复合结构，在工作态下，各组成部分之间的相互影响使其具有一定的复杂性。关键词：加筋土挡墙；地震力；稳定性分析与计算AbstractReinforced earth retaining wall is a new composite supporting structure comprised of reinforcement, wall sheathing and filling. Compared with traditional gravity retaining wall, the r

3、einforced earth retaining wall is a flexible structure with better deformation compatibility and seismic behavior.Moreover, the reinforced earth retaining wall requires low foundation bearing capacity and has advantages like economical efficiency as well as better appearance which are incomparable t

4、o other structures. Therefore, it is widely used in the construction of road, water conservancy, city construction and railway.The reinforced earth retaining wall having good seismic behavior does not mean it can resist the earthquake effect of any grade. To reinforced earth retaining wall with seis

5、mic design required in the specification, the effect of seismic force should be taken into account in design calculation. According to the current standard, in the area where seismic intensity is level six or above, the reinforced earth retaining wall should be designed to resist earthquake. If adop

6、ting pseudo-static method to calculate seismic effect, the effect of vertical seismic force should be neglected, only calculating the effect of horizontal seismic force.This thesis gives a brief introduction to the structure, characteristics, development and application of the reinforced earth retai

7、ning wall, at the same time, analyzes its reinforcement mechanism and failure modes through the structure of the reinforced earth retaining wall. Reinforced earth is a composite structure itself, and interrelationship of each component makes it relatively complex in the working state. Key words: Rei

8、nforced earth retaining wall; Seismic force ; Stability analysis and calculation 目录第1章绪论11.1 支挡结构与挡土墙11.1.1 支挡结构11.1.2挡土墙11.2加筋土挡墙的特点和适用性21.2.1 加筋土挡墙的特点21.2.2 加筋土挡墙的适用性21.3加筋土挡墙的应用与发展21.3.1国外发展概况21.3.2 国内发展概况31.3.3 加筋土技术的不足41.4 本课题设计的背景、目的及意义41.4.1 背景41.4.1 目的与意义5第2章 加筋土挡墙的设计原理62.1 加筋土挡墙的构造62.1.1 墙面

9、板62.1.2 拉筋62.1.3 填料72.2 加筋土挡墙的设计原理82.2.1 摩擦原理92.2.2 准粘聚力原理102.3 加筋土挡墙的破坏模式112.4 破裂面的确定132.5 加筋土挡墙设计计算时的基本假定15第3章 加筋土挡墙的设计理论和计算方法163.1 稳定性分析计算方法163.1.1 拟静力法163.1.2 数值分析法173.2 内部稳定性分析计算183.2.1 土压力计算183.2.2 作用在拉筋上的竖向压应力计算213.2.3 地震力计算223.2.4 拉筋拉力计算233.2.5 拉筋抗拔力计算233.2.6 拉筋长度的确定233.2.7 拉筋抗拔稳定检算243.2.8 拉

10、筋抗拉强度检算243.2.9 墙面板内力检算253.2.10 连接件内力检算263.3 外部稳定性分析计算273.3.1 基底抗滑稳定性计算273.3.2 倾覆稳定性计算283.3.3 基底承载能力计算28第4章 加筋挡土墙设计304.1 工程资料304.1.1 工程概况304.1.2 工程条件304.2设计方案314.2.1 加筋土挡墙方案的选择314.2.2 填料与拉筋的选取324.3 初步确定拉筋长度334.3.1 墙后总地震主动土压力计算334.3.2 基底抗滑稳定344.3.3 抗倾覆稳定344.4 荷载计算354.4.1 侧向压力354.4.2 竖向压力364.4.3 拉筋拉力37

11、4.5 拉筋长度计算384.5.1 无效长度384.5.2 有效长度384.5.3 拉筋全长394.6 拉筋抗拔力计算394.7 拉筋抗拔稳定检算404.7.1 有荷载作用的抗拔稳定检算404.7.2 无荷载作用的抗拔稳定检算414.8 外部稳定性检算424.8.1 基底滑动稳定检算424.8.2 全墙倾覆稳定检算434.8.3 基底承载力检算444.9 截面及结构设计444.9.1 墙面板444.9.2 基础454.9.3 帽石454.10 内部稳定性检算454.10.1 拉筋强度检算454.10.2 墙面板及连接件内力检算464.11 小结47结论48参考文献50附录52第1章 绪论1.1

12、 支挡结构与挡土墙1.1.1 支挡结构支挡结构是用来支撑、加固填土或山坡体，防止其坍滑，保持其稳定的一种建筑结构物。支挡结构在土木工程中广泛应用，尤其是铁路与公路工程中，主要用于稳定路基、隧道洞口与桥台处边坡，此外，当以上或其他工程中遇到滑坡、泥石流、危岩、落石以及崩塌等不良地质灾害时，支挡结构主要用于加固和拦挡不良地质体。 支挡结构的划分有多种方法，通常，按结构形式可划分为重力式挡土墙（包括衡重式）、锚定板挡土墙、托盘式和卸荷板式挡土墙、悬臂式和托臂式挡土墙、桩基托梁挡土墙、加筋土挡墙、预应力锚索、土钉墙、抗滑桩以及结合的多种复合式支挡结构。 重力式挡土墙依靠其墙身的自重来维持墙在土压力作用

13、下的稳定性。这种挡土墙的形式简单，取材容易，施工方便，因此，长期以来在我国支挡工程中应用最为广泛。但重力式挡土墙又存在圬工数量多、在石材缺乏和地形困难地区难以施工，以及施工进度慢等明显缺点。近年来，随着我国经济水平的增长，材料与机械业的发展，工程研究与水平施工技术的进步，以及对自然环境与工程效益的新要求，新型支挡结构顺应而生，并在实践工程中得到很好的应用。岩土工程技术人员将继续对新型支挡结构理论和技术的研究，以适应岩土工程生产的需求。1.1.2挡土墙挡土墙是支挡结构的一种，系指利用结构物的自重、强度及刚度承受挖方或填土的侧向压力，以保持其稳定的结构物。支挡结构中，挡土墙的形式最多，应用也最为广

14、泛。挡土墙的设计应保证挡土墙在自重和外力系的作用下，依然能够保证不断裂、不滑动和不倾覆。而作用在挡土墙上的主要力系是土压力，研究与计算墙背上的土压力是挡土墙设计的核心问题。1.2加筋土挡墙的特点和适用性1.2.1 加筋土挡墙的特点 加筋土挡墙是面板、拉筋和填土形成的一种复合结构物，在岩土工程得到广泛的应用，其特点概括起来有以下几点： （1）可预制性。构成加筋土挡墙的面板和拉筋可以预先制作，然后在工程现场装配施工。如此使得施工简便、快速，缩短了工期，同时也节省了劳动力。（2）适应性强。加筋土是一种柔性结构，可以适应承载力较差的地区，适应一定范围类的地基变形，也具有较好的抗震能力。 （3）经济效益

15、好。较之传统的重力式挡土墙，一方面，加筋土的面板薄，基础小，可节省9597的圬工，占用土地资源少；另一方面，其自重轻，结构简单，可节省2060的造价1。（4）造型美观。加筋土挡墙墙面板的外观可配合周围环境与景观，做成具有欣赏性的建筑结构物。1.2.2 加筋土挡墙的适用性级配较好的砂石土路基的变形与沉降容易控制，具有很好的承载能力和排水能力，稳定性较好2。因此，加筋土挡墙通常适用于石料比较缺乏的地区。加筋土挡墙为柔性结构，能够适应一定限度的变形，对地基的承载能力不高,适合软土地段路基加固处理3，4。对于地震烈度8度以上地区和具有强腐蚀的环境不宜使用。考虑到上述因素，以及对铁路路基使用年限的要求，

16、加筋土挡墙仅限于使用在一般地区的铁路工程中的路肩墙，尤其在干线中很少使用。一般对加筋土挡墙的墙高一般没有限制，但铁路干线上墙高不宜大于10m，当高度大于10m时按特殊设计考虑5。1.3加筋土挡墙的应用与发展1.3.1国外发展概况1960年，法国工程师亨利维达儿（HenriVidal）通过三轴试验发现，加筋土在竖直荷载或自重作用下，依靠拉筋与土体之间的摩擦作用把引起侧向变形的拉力传递给拉筋，限制了土体的侧向变形，等同于向土体施加了侧向荷载。1963年，HenriVidal发表了加筋土研究成果与设计理论，标志着加筋土技术理论的雏形的形成。加筋土挡墙的首次工程应用是在1965年冬季的法国比利牛斯山的

17、普拉耳热（Pragere），从而引起欧洲对于加筋土挡墙的广泛研究。日本在1967年引起加筋土挡墙技术后，进行原型试验，随后又进行地震作用下加筋土挡墙抗震性能的研究。美国则起步较晚，但发展迅速。1970年建成第一座加筋土挡墙，1974年批准加筋土技术可以代替传统挡土结构。截止到1980，美国境内完成将近300项加筋土挡墙工程。1971年西班牙建成第一座加筋土挡墙工程。加拿大和澳大利亚等国家随后也纷纷引起该技术，并展开广泛的研究。根据上世纪80年代的统计，加筋土挡墙在公路工程中占绝大部分比例，工民建中也较多，而用于铁路工程则很少，尤其是铁路干线中。加筋土挡墙的理论研究在不断向前发展和完善，但由于土

18、工材料的复杂性，施工应用依然远滞后于理论研究；其次，相对于公路，铁路工程对使用年限要求更长，对路基沉降变形要求更严格，加之动荷载对加筋土挡墙的影响较大。因而，加筋土挡墙的最广泛应用还是在公路工程中，其也方便意外破坏后的抢修。1.3.2 国内发展概况我国对于加筋土挡墙的发展和应用较晚，20世纪70年代末才开始。最早在1978 1979年，云南煤矿设计院在田坝矿区建成我国首座加筋土挡墙，属于实验性，高约24m。该矿区又于1980年建成一座长57m，高8.3m的加筋土挡墙，建成后效果良好，从此开始了加筋土挡墙在土木建筑行业中的广泛推广与应用。1980年淮南铁路建成我国第一座铁路加筋土挡墙，1981年

19、山西建成第一座公路加筋土挡墙。迄今为止，我国建成的加筋土挡墙工程已达数千座，多用于公路和城市建设，以及水利等工程。加筋土技术在我国研究与应用已取得成效。1990年原铁道部将加筋土挡墙纳入铁路路基支挡结构物设计规则中，1991年交通部正式颁发了公路加筋土工程设计规范(JTJ 015-91)和公路加筋土工程施工技术规范(JTJ 035-91)。随着加筋土技术的不断成熟，加之加筋土挡墙的显著造价经济性和广泛适应性等一些优势，我国加筋土技术的应用范围不断扩大，理论研究不断发展，并在实际中取得许多成果。上世纪80年代以来，国内外不断对加筋土挡墙技术进行研究，探讨其原型与设计计算。设计伦理由极限平衡法发展

20、到有限元法，对土工材料也进行大量实验研究，具有代表性的是土工栅格的应用6。试验研究与实践工程证实，土工栅格的抗震性能更加优越。姚令侃等在08年的汶川大地震之后，通过对国道G213线都江堰至映秀段16个路堤工点的震害调查，发现采用土工栅格加固的路基，具有显著的抗震性能7。1.3.3 加筋土技术的不足尽管加筋土技术的发明是一项技术创新，并引起了国内外岩土工程界人士的极大关注。但大量工程实践与理论研究证明，加筋土技术仍有诸多不足之处。对加筋土的研究，多种理论并从，都有道理却不能概全，工程设计多依赖经验的积累，理论远远落后于工程实践，并未上升到揭示加筋土本质理论的阶段，这严重制约着工程实践的发展8。加

21、筋土挡墙不但有上述共性问题，还具有一些特殊性，主要表现在两方面。一是加筋土挡墙的工作性状的复杂性。加筋土挡墙主要由填料、拉筋和墙面板组成，不仅要考虑每个部件各自的受力、变形性状，还要考虑其相互间影响。二是土压力理论并不成熟。土压力计算与挡墙形状、填料性质、位移方向以及地基土质有关。目前工程中常用的土压力计算理论为朗肯(Rankine，1857)和库仑(Coufomb，1773)理论，其都是在不同的假设条件下应用不同的分析方法得到的，故仅在一定条件下近似适用8。1.4 本课题设计的背景、目的及意义1.4.1 背景随着我国经济建设速度的加快，公里、铁路、市政和水利等基础设施建设发展迅速。据统计，2

22、011年，我国公里里程突破400万公里，2012年底，我国铁路运营里程达近12万公里。我国正处于经济化建设阶段，铁路更是国民运输的大动脉，建设铁路应满足国家现代化发展的步伐。加筋土挡墙有一些其它只当结构无法比拟的优越性，比如抗震性能好和造价经济等。因此，加筋土挡墙被广泛应用于土木工程行业中，在理论与技术领域也不断地向前推进。我国地处两条异常活跃的地震带之间，地震活动频繁9，基本烈度为6、7、8、9度的地区加筋土应进行抗震设计11,12，设计时只考虑水平地震力可不计计竖向地震力。图1-1为08某地震后被破坏的加筋土挡墙 10。 图1-1 汶川大地震造成加筋土挡墙的破坏10*铁路是从成昆铁路云南广

23、通站，至大理市下关。该地区是高烈度地震区，地震烈度为度。因此，在铁路路基加筋土挡墙设计计算时，应计入地震力。1.4.1 目的与意义借助该课题设计，能够使本人对加筋土挡墙有全面理解，并深化所学理论知识。加筋土挡墙作为一种新型柔性支挡结构，被广泛用于实践工程中。想要对其真正的掌握，并能够用于实际设计，有必要了解其发展历程与研究的状况。在了解其构造的基础上，掌握它的设计原理和计算方法，能够将所学基础理论和专业知识应用到工程实际中，完成*铁路某车站一断面处加筋土挡墙的初步设计计算，达到理论与实践相结合的目的。第2章 加筋土挡墙的设计原理2.1 加筋土挡墙的构造加筋土挡墙主要由基础、墙面板、拉筋（或筋网

24、）和填料几部分组成，其与传统重力式挡土墙在概念上与构造上有很大区别。墙面板的主要作用是防止墙后拉筋间土体从侧向挤出，并保证拉筋、填料、墙面板构成一个具有形状的整体，还有美化外观的作用。墙面板应具有足够的强度，保证拉筋部土体的稳定。2.1.1 墙面板按材料类型，墙面板可分为素混凝土墙面板、钢筋混凝土墙面板、条石和金属墙面板等。金属墙面板因造假过高而一般不使用，前两种为我国主要使用形式。混凝土墙面板按外形，可分为十字形、槽形、六角形、L形和矩形等，目前应用最多的是十字形和矩形。图2-1是一矩形面板加筋土挡墙的外观实景图。图2-1 加筋土挡墙外观实景图面板的设计通常应满足坚固、美观、方便运输和易于安

25、装的要求。面板上和拉筋的连接结点，可以采用预埋钢筋拉环、钢板锚头、预留穿筋孔等形式。2.1.2 拉筋拉筋在挡土墙中的作用至关重要，应具备较高抗拉强度，延伸率和蠕变变形小，有较好的柔性，抗腐性，与填土间有较大摩擦力，也便于制作，价格低廉的特性。因此，设计与施工过程中宜严格把握拉筋的材质、变形、强度和耐久性等。按材质来划分，拉筋可以划分为四类：第一类植物拉筋，如稻草、竹筋，我国在上世纪80年代就曾试用竹筋作为拉筋。这种拉筋一般只用于临时性工程。第二类土工合成物，如聚丙烯、聚乙烯、尼龙和聚酯等，聚丙烯塑料带属我国首先采用，并广泛应用与公路工程。但因其变形和蠕变都较大，且因其使用年限短而无法认证抗老化

26、性能。第三类是金属材料，如扁钢带和带肋钢带，这类拉筋的效果好，但造价很高，其长期防腐难以保证。第四类是复合材料，常用的有钢筋混凝土带和钢塑复合加筋带，我国铁路设计基本上是采用混凝土分节串联加筋。2.1.3 填料填料是组成墙体的主体材料，必须易于填筑和压实，与拉筋间有较好的摩擦力，对拉筋没有腐蚀性。国外对填料的要求较高，在七十年代之前，仅限于使用渗水性土壤，此规定严重限制加筋土挡墙的应用。后虽修改此规定，但在考虑工程环境和材料供应的前提下，也要求于级配较高的砂性土填料。我国最初就贯彻就地取材的原则，除相应规范规定的淤泥、腐殖土、冻结土、白垩土和硅藻土外，有一定级配的砂砾土优先使用，其他材料在采取

27、保证质量和结构稳定的措施后亦可使用13。基础能够调整地面的高差，顶面的凹槽方便第一层面板的安装。通常采用素混凝土和浆砌条石筑成。其尺寸根据地形、地质条件而定，一般为矩形，高为0.250.4m，宽为0.3m0.5m。对于土质地基基础埋深不小于0.6m，还应考虑冻结深度、冲刷深度等。土质斜坡地区，基础不能外露，其部趾到倾斜地面的水平距离应大于等于1m。加筋土挡墙的示意立面图如图2-2所示，示意断面如图2-3所示。 图2-2 加筋土挡墙立面示意图 图2-3 加筋土挡墙断面示意图2.2 加筋土挡墙的设计原理自然土体在自重作用下能在较小的坡度内直立，当坡角超过临界角度或在外力扰动作用下，则容易发生严重的

28、变形或倒塌，若在土中沿应变方向埋置具有挠性的筋带形成加筋土，则土体与筋带材料之间产生摩擦，犹如使加筋土具有了某种程度的粘着性，从而改善土的力学性能。加筋土挡墙在墙后土体内埋设筋带，使土体与筋带组成复合土体共同作用，以增强其自身稳定性，能够弥补土的抗剪强度低和没有抗拉强度的弱点。Henri. Vidal等14通过三轴试验和现场试验，分析了砂土加筋后复合土体强度、稳定性提高的原因，根据试验结果解释了土体和筋带之间的相互作用原理。根据研究成果，筋带和土体之间相互作用可分为摩擦原理和准粘聚力原理。2.2.1 摩擦原理在加筋土结构中，填土自重和荷载等在其它外力产生的侧压力作用于面板，通过面板与筋带的连接

29、件又将此侧压力传递给筋带，企图将筋带从填土中拉出。筋带被填土压住，于是填土与筋带间的摩擦力发挥作用，阻止筋带被拉出。因此，只要筋带有足够的强度，并与填土之间产生足够的摩擦力，则加筋土他就可以保持稳定。如图2-4所示，取微元长的筋带，法向应力为，左右截面分别受力和，忽略筋带自重和微元上土的重量。设筋带与填土颗粒之间的摩擦系数为，筋带宽度为。因填土水平推力在该微元筋带引起的拉力为，则。设土颗粒在该微段上的总摩擦力为，则： （2-1）若要求筋带保持不被拉出，根据水平方向受力平衡，则有： （2-2） 当微元体满足（2-2）式时，墙后土压力被摩擦力克服，拉筋和填土之间不会发生相对位移，微元保持稳定。 图

30、2-4 拉筋与填料摩擦原理示意图拉筋与颗粒之间的摩擦作用是很复杂的，不仅取决于土壤组成成分、土粒粒径和级配、拉筋的类型与断面尺寸，而且还与环境状况、加筋土结构类型、荷载作用方式等有关。该原理未考虑筋带的变形，以及土是连续介质和各向异性的特性，故对于小变形的如钢筋混凝土筋带和金属筋带是合适的，对于变形较大的土工合成材料则结果不够准确。然而，在实际设计与应用中，通常简化摩擦设计原理，不会考虑从拉筋侧面的摩擦力，以及拉筋产生一定变形后与填料之间作用机理等一些因素。因此，其原理还是较为简单的明确的，以砂性土为填土的加筋土挡墙在实际工程中得到广泛应用。2.2.2 准粘聚力原理准粘聚力原理视加筋体为各向异

31、性的复合材料，根据三轴试验，在外力和自重作用下的加筋土试件，由于在土中埋置了水平方向的筋带，在沿筋带方向发生膨胀变形时，筋带相当于一个约束应力，阻止了土体的延伸变形。此应力相当于土体与筋带之间的静摩擦阻力，其最大值取决于筋带材料的抗拉强度。加筋土在竖向正应力作用下，侧向变形会大大减小。通过砂样的三轴对比试验，可得到图2-5所示结果： 图2-5 加筋土和无筋土强度曲线由上图可知，加筋砂与无筋砂的强度曲线近似平行，说明两种砂土的内摩擦角相等。但加筋土的强度曲线未经过原点，加筋砂的强度比无筋砂的强度大，此强度值被称为是“准粘聚力”，提高了加筋土的强度和稳定性。“准粘聚力”事实上不是粘聚力，而是加筋土

32、的强度增量。两种设计原理，加筋土挡墙的计算也对应有两种方法：一是基于摩擦原理，把加筋土看成由土与拉筋两种不同性质的材料组成，两者通过界面相互影响、相互作用，设计时把拉筋、土体分开计算；另一种是基于“准粘聚力”原理，把加筋土看成复合材料，拉筋的相互作用表现为内力，只对复合材料的性质产生影响，而不直接出现在应力应变的计算中。2.3 加筋土挡墙的破坏模式加筋土挡墙的破坏模式分类有很多种，杨果林等就将其分为稳定性破坏、倾覆破坏和拉筋破坏15。从加筋土挡墙的稳定性来划分，加筋土挡土的破坏模式可分为整体稳定性破坏和内部稳定性破坏。整体稳定性破坏发生在挡土墙外部，包括挡土墙基底滑动、倾覆转动和连同基础下沉等

33、。内部稳定性破坏发生在挡土墙内部，包括拉筋拉断、拉筋拔出和连接件断裂等。如图2-6所示，加筋土挡墙的具体破坏模式如下：（1）筋带拉断引起的破坏，如图a）所示；（2）筋带拔出引起的破坏，如图b）所示；（3）挡土墙基底滑动破坏，如图c）所示；（4）挡土墙倾覆破坏，如图d）所示；（5）基础沉降破坏，如图e）所示；（6）连接件断裂破坏，如图f）所示。 a) b） c) d) e) f）图2-6 加筋土挡墙的破坏模式2.4 破裂面的确定基于摩擦原理的把拉筋和填土分开考虑的设计计算方法相对简捷，在实际工程中得到广泛应用。本文设计也采用了此种设计计算方法。在这种方法中，加筋土挡墙面板后填料中的破裂面的形状和

34、位置是确定拉筋截面和长度的重要依据。现行设计理论对破裂面的类型和位置的假定只要有以下四种，即直线型、对数螺旋线型、折线型和复合型，见图2-7. a）直线型 b）对数螺旋线型 c）折线型 d）复合型图2-7 破裂面形式设计计算中破裂面通常选用折线型的0.3H法。现行加筋土相关设计规范的0.3H折线法确定破裂面有两种：铁路路基支挡结构设计规范（TB10025-2006 ）所推荐的确定方法如图2-8 a）所示，破裂面上部取墙后0.3H处的竖直面，下部取墙脚与0.3H的连线16。公路路基设计规范（JTGD30-2004）的0.3H折线法竖直部分取在墙后0.3H处，破裂面下部的斜面为和水平面成的斜面17

35、，如图3-8 b）所示。破裂面将墙后的土体分为活动区（非锚固区）和稳定区（锚固区）两部分。 a） b）图2-8 0.3H折线法确定破裂面2.5 加筋土挡墙设计计算时的基本假定 通过前面所述的设计原理，加筋土挡墙在设计计算时可做以下几点基本假定18：（1）墙面板承受填料产生的主动土压力，且每块面板承受各自相应范围内的土压力，并由连接在墙面板上的拉筋的有效摩擦阻力即抗拔力来平衡；（2）挡土墙内部加筋体分为活动区（非锚固区）和稳定区（锚固区），这两区分界面即为土体的破裂面。破裂面通常按0.3H折线法来确定。靠近面板活动区内的拉筋长度为无效长度；作用于面板上的土压力由稳定区与填料之间的摩擦阻力平衡，在

36、稳定区内拉筋长度为有效长度；（3）拉筋与填料之间摩擦系数在拉筋全范围内相同；（4）压在拉筋有效长度上的填料自重及荷载对拉筋均可产生有效的摩擦阻力。第3章 加筋土挡墙的设计理论和计算方法前面讲述了加筋土挡墙的设计原理，即摩擦原理和准粘聚力原理。实践工程设计中，通常采用摩擦原理。对于土压力的计算，一般基于库伦理论。在考虑地震力时，采用拟静力法，将地震力动荷载视为作用在加筋土挡墙上的静荷载来作设计计算。3.1 稳定性分析计算方法加筋土挡墙的稳定性分为外部稳定性和内部稳定性。挡土墙的破坏大多是由失稳所造成的，因此，分析加筋土挡墙的稳定性，是其设计的基本前提，对施工亦有很大的指导作用。铁路和公路设计规范

37、规定加筋土挡墙的设计计算1213,16，是根据加筋土挡墙在外荷载作用下的破坏模式来进行稳定性计算与验算的。通过外部稳定性分析计算初步确定拉筋的长度，然后再进行内部稳定性分析，使其同时满足内部稳定性和外部稳定性。加筋土挡墙的稳定性分析方法通常有定性分析法和定量分析法。定性分析法研究影响加筋土挡墙动力性能的因素，挡土墙的失稳机理和破坏模式，以及借助现有工程和模拟实验等，来评价地震作用下加筋土挡墙的稳定性。此方法虽综合考虑了影响加筋土挡墙动力性能的多种因素，并且能够快速的评价挡土墙的稳定性，却不能定量的分析和评价加筋土挡墙的稳定性，只可用于指导设计和施工。地震作用下加筋土挡墙的计算方法通常有：拟静力

38、法、数值法、可靠度分析法、试验分析法和滑块法等。其中，拟静力法和有限单元法是目前主要采用的方法，以下只做此两种方法的介绍。3.1.1 拟静力法拟静力法将地震瞬间荷载等效为长期荷载，视地震惯性力为自重和加速度的乘积，作用在潜在不稳定土体的重心上，然后根据极限平衡理论，将所有作用在潜在不稳定土体上的力和力矩进行分解，建立潜在不稳定土体的力和力矩平衡方程，求解不稳定系数。不稳定系数与拉筋材质、填土参数、潜在破裂面形状及位置、地震力等有关。潜在破裂面的形状和位置根据墙后填土的类型和工程经验与实践的对比，可以简化为直线型、折线型、双曲线型和对数螺旋线型等。Nouri等16加筋土挡墙的水平与竖直方向施加拟

39、静力，发现水平力对加筋土挡墙的影响很大，远远超过了竖直力的影响。姚令侃等10,11也通过汶川大地震的实地勘察研究，发现地震作用下，加筋土挡墙的基础产生横向位移，附加剪力传递到上部砌块式挡土墙，引起靠近基础部位的应力叠加，导致加筋被被拔出过连接件破坏，产生由上至下的崩解破坏10。蒋建清等20运用拟静力水平条分法研究了水平力和竖直力下加筋土挡墙的内部稳定性，发现墙后填土的内摩擦角和地震加速度对加筋土挡墙的稳定性有显著影响；柔性材料的抗震性比刚性材料要好。并通过加筋土挡墙的拉筋破坏和填土黏着破坏分析，推导了筋带临界长度公式和临界配筋率21。拟静力法计算简单，是现行公路加筋土挡墙设规范（JTJ 051

40、91）采用的设计方法。但和传统的极限平衡法一样，拟静力法忽略了土与拉筋之间的相互作用13，且采用一些假设条件，无法计算挡土墙的位移和筋带的变形。3.1.2 数值分析法将结构复杂的受力变化情况用计算机技术进行模拟，从而分析影响结构稳定的因素，数值分析法在现代工程结构分析研究中得到了广泛的应用，并取得很多理论成果。代表性的数值分析法为有限元分析法。有限单元法主要是采用离散化结构,分片插值位移试函数,通过单元劲度矩阵、应力矩阵,最终分析总结出结构的受力与变形情况。有限元法的突出优点是适于处理非线性、非均质和复杂边界等问题,而土体应力变形分析恰好就存在这些困难问题,因此很适宜用有限元法。蒋鑫等22基于

41、有限元程序Phase2 V6.0软件平台，用剪力强度折减法分析了拉筋拉伸模量和拉筋位置对加筋土稳定性的影响。李小青等23用ANSYS软件进行加筋土模拟分析研究，发现加筋可有效的降低负荷土体的侧向水平位移，抑制土体塑性区的发展，显著增加挡土墙的整体抗剪性和稳定性；内摩擦角的加筋效果要比粘聚力的加筋效果显著的多，选用内摩擦角较大的砂性土可增加加筋效果。程火焰等24通过有限元模拟地震作用下加筋土动力特性，得出地震荷载下，拉筋应力应包括静应力和地震动应力，当地震加速度小且持续时间段时，加筋土结构可通过内部应力调整而保持平衡，当地震加速度大且持续时间长时，填土会迅速增大变形，自身强度突然减小，同时伴随着

42、筋土间摩擦不足或拉筋强度不足，导致拉筋被拔出或拉断。李海深等25用有限元分析法，建立了加筋土挡墙弹塑性本构模型，编制了加筋土挡墙在地震作用下通用数值计算程序。有限元分析起步相对较晚，70年代后才开始运用该方法预测加筋土结构的变形及内部稳定性，并迅速发展。该方法的优势是将加筋土体变形协调性与应力平衡结合在一起，能够考虑岩土材料的层次体系及筋土之间的非线性影响因素；能够模拟不同工况下的加筋土结构的工作机理和破坏性状；经济性高，在一定条件下也具有很高可靠性。由于计算中需要的加筋体本构关系和相应的参数确定有很大困难，尽管有限元分析法有诸多优点，但该方法被用于设计的情况并尚不多见26。3.2 内部稳定性

43、分析计算加筋土挡墙设计的重点在于内部稳定性分析，特别是拉筋拉力的计算。由于加筋土的特性，外部失稳而致使结构破坏的情况一般很少发生，因此，研究加筋土的内部稳定性问题，一直是研究人员关注的重点。内部稳定性分析包括拉筋拉力计算、拉筋强度检算，以及拉筋长度（包括锚固长度和非锚固长度）的确定，以确保拉筋在最大拉力作用下不被拉断或拔出。本文设计计算按照铁路路基支挡结构设计规范（TB 10125-2006）和铁路工程抗震设计规范（GB 50111-2006）推荐的方法，进行加筋土挡墙的相关设计计算。3.2.1 土压力计算前面已经阐述了加筋土挡墙的构造与设计原理。在加筋土挡墙设计计算中，土压力是作用在面板上的

44、一个主要力系。作用在加筋土挡墙面板上的水平土压力，为墙后填料和墙顶荷载产生的水平土压力与之和，即。3.2.1.1 墙后填料产生的土压力墙后填土产生的土压应力，其分布曲线如图3-1所示，根据下式计算： （3-1） 当时 当时 式中 填土产生的水平压应力（KPa）； 填土重度（KN/）； 墙顶填土距第层墙面板中心的高度（m）； 挡土墙内深处的土压力系数； 静止土压力系数； 主动土压力系数； 填土综合内摩擦角（）。 墙顶以上填土高度（m）；墙高与之和图3-1 由填土产生的水平压应力分布3.2.1.2 墙顶荷载产生的土压力 墙顶荷载产生的水平压应力，根据规范推荐的方法，采用弹性理论采用下式计算16：

45、（3-2）式中 荷载产生水平土压应力（KPa）； 荷载边缘至墙背的距离（m）； 荷载换算土柱高（m）； 荷载换算宽度（m）。 因此，对于路肩挡土墙，作用在墙背上的土压应力为： （3-3）3.2.1.3 墙后填土总地震土压力墙后填土总地震土压力根据库伦理论公式计算，在考虑地震力作用影响时，计算中将填土的参数修改成地震作用下填土的参数。计算示意图如图3-2。 （3-4） 主动土压力系数 （3-5）地震主动土压力 （3-6）式中 土体综合内摩擦角（）； 修正后的土体综合内摩擦角（）； 墙背与土体之间的摩擦角（）； 修正后的墙背与土体之间的摩擦角（）； 土体重度（）； 修正后的土体重度（）； 地震角（

46、）； 主动土压力系数； 墙背倾角（）；俯斜时取正，仰斜时取负； 墙背土体表面的倾角（）； 地震主动土压力（KN）； 墙高（m）。 地震土压力与竖直方向的夹角为。图3-2 主动土压力计算图示3.2.2 作用在拉筋上的竖向压应力计算计算填料与拉筋之间的摩擦阻力时，需确定该处的竖向压应力，则填料和拉筋之间单位面积上的摩擦阻力为。等于填料自重和墙顶填土自重竖向压应力与荷载引起的竖向压应力之和。即按下式计算： （3-7） 式中 第层面板所对应拉筋上的垂直压应力（KPa）； 计算点至荷载中线的距离（m）；如图3-3所示。由于是随距离变化的值，所以根据上式计算出的竖向土压力沿拉筋长度分布是不同的。在实际设计

47、计算时，可取线路中心线下、拉筋末端和墙背三点应力得的平均值作为计算值。 图3-3 荷载引起的竖向压应力 3.2.3 地震力计算作用在挡土墙第截面以上墙身质心处的水平地震力为： （3-8）式中 第截面以上墙身质心处的水平地震力（KN）； 水平地震作用修正系数；岩石地基取0.20，非岩石地基取 0.25； 水平地震作用沿墙高增大系数；墙高不大于12m时，取1.0； 地震峰值加速度（）； 第截面以上墙身的质量（t）。3.2.4 拉筋拉力计算拉筋拉力由水平土压力乘以系数计算，如式（3-9）、（3-10）： （3-9） （3-10） 式中 第层面板所对应拉筋的计算拉力（KN）； 第层面板所承受的侧向压力

48、（KN）； 第层面板所承受的地震侧向压力（KN）； 拉筋拉力峰值附加系数，可采用1.52.0； 、拉筋之间的水平和垂直间距（m）。3.2.5 拉筋抗拔力计算拉筋抗拔力计算中，由于拉筋厚度远小于其宽度和长度，故可以忽略拉筋侧面产生的摩擦力，只可根据拉筋上、下两面所产生的摩擦力按下式计算： （3-11） 式中 拉筋抗拔力（KN）； 拉筋宽度（m）； 拉筋有效锚固长度（m）； 拉筋与填料之间的摩擦系数，根据抗拔试验确定；当没有试验据 时，可采用0.30.4。3.2.6 拉筋长度的确定拉筋总长度包括无效长度（非锚固长度）和有效长度（锚固长度）。设计计算根据0.3H折线法来确定拉筋的长度。拉筋的无效长度

49、 （3-12）拉筋有效长度 （3-13）拉筋总长度 （3-14）3.2.7 拉筋抗拔稳定检算对于路肩墙，计算拉筋的抗拔稳定性时，拉筋锚固区和非锚固区的分界采用0.3H分界线，如图2-8所示。拉筋的抗拔稳定性包括全墙和单板的抗拔稳定性。墙顶的荷载在一定填土深度处，既有水平作用力，也有竖向作用力，两者对拉筋的抗拔稳定性效果正好相反。因此，计算拉筋抗拔稳定性时应包括有荷载和无荷载两种情况。单板抗拔稳定系数不应小于2.0，困难时可适当减小，但不得小于1.5。拉筋抗拔稳定性由拉筋抗拔稳定系数来评价，其值计算式如下：全墙抗拔稳定系数 （3-15）单板抗拔稳定系数 （3-16）3.2.8 拉筋抗拉强度检算拉筋容许抗拉强度根