岩土支挡与锚固工程

1前言（1h）一、课程性质岩土工程主要问题（1）地基稳定问题——沉降与变形——《基础工程与地基处理》（《地基处理技术》等）（2）斜坡稳定问题——破坏模式与防护技术——《支挡结构设计与施工》、《地质灾害治理工程设计》、《岩土支挡与锚固工程》等（3）围岩（硐室）稳定问题——变形破坏与防治——《隧道工程》、《巷道支护技术》、《岩土锚固工程》等（4）涉水的岩土问题：水库、堤岸、港口、码头、海岸等——《抛石基础?》、《坝体设计与施工？》研究人类工程活动与地质环境（工程地质条件）之间的相互作用，以便正确评价、合理利用、有效改造和完善保护地质环境。二、支挡结构设计的基本方法研究对象：工程地质问题斜坡稳定稳定（部分围岩稳定）改造与加固为目的。变形程度时间效应研究内容：应用工程地质分析的原理和方法，获取岩土体及其变形破坏特点和变形破坏机理的地质信息；以岩土支挡与锚固为主要手段，依据结构构造物与岩土体的作用特点，应用岩土力学、结构力学等的理论与方法，解决不同性状的岩土体的稳定性问题。研究方法：地质分析、原理分析、力学分析2第1章岩土支挡设计的基本原理（3h）1.1概述需支挡或加固的岩土体：各类滑坡、潜在不稳定斜坡、人工开挖边坡（含深基坑）、隧道及地下硐室、港口码头等1.1.1岩土体失稳破坏模式取决于岩土体所处的地质环境、物理力学性质、内外动力作用（制约与影响因素）等自然斜坡：崩（塌）、滑（坡）、泥（石流）人工边坡：水利水电工程高边坡、路堤路堑边坡、露天矿边坡、深基坑等硐室围岩：《工程地质分析原理》1.1.2岩土体失稳破坏机理岩土介质：岩质边坡（硐室围岩）、土质边坡、成因条件（堆积、坡积、风积等）受力条件：应力状态、应力历史、堆（载）卸（荷）条件影响因素：降雨、台风、人类活动比如岩质边坡的破坏模型有：（1）滑移-压致拉裂、（2）滑移-拉裂、（3）滑移-弯曲、（4）弯曲-拉裂、（5）拉裂-剪出、及其组合模型等；土质边坡的破坏模型有：（1）均质土坡的圆弧滑动、（2）顺层土体沿软弱面蠕变、（3）沿基岩面滑动、（4）裂隙土体的崩落破坏等。31.1.3支挡与锚固的一般原理41.1.4岩土支挡与锚固工程的主要结构类型解决岩土体稳定性的基本途径：提供支撑力、设置阻滑体、锚固不稳定体（、改良岩土体）支挡结构：使岩土体保持稳定、控制位移（或变形）而建造的结构物（体）常见支挡结构类型有：（1）挡土墙：重力式、衡重式、悬臂式、扶壁式、加筋土；（2）挡土桩：悬臂桩、拉锚桩等；（3）抗滑桩：（4）地下连续墙：常见锚固工程类型有：（1）系统锚杆（2）全长粘结型锚杆（3）端头锚固型锚杆（4）摩擦型锚杆5（5）管式锚杆和自钻式锚杆（6）预应力锚杆（锚索支挡和锚固共同作用类型有：（1）锚拉桩、锚定板式挡土墙（2）预应力格构锚（3）土钉墙（4）喷锚支护（5）柔性防护网支护1.2支挡与锚固设计原则1.2.1设计方法工程设计：诸多不确定前提下，按照已知有限条件（工期、费用、安全性等），确定当时认为最为合理的方法（措施）。要求设计人员：对影响结构因素的认识、岩土内在规律的把握、对涉及结果可靠性的分析设计方法发展概况：安全系数法概率极限状态设计法（可靠度设计）目前岩土设计方法：工程类比法、安全系数法、概率极限状态设计法（可靠度设计）（1）工程类比法即经验设计法，包括直接类比法和间接类比法，辅之以量测法和理论验算法工程实践中采用较为广泛的设计方法，各类规范明确！（2）安全系数法安全系数的认识——概念安全系数不是定量表示安全性的尺度！6（3）概率极限状态设计法概念：以可靠度为设计目标、以概率论为基础、以设计目标（结构或构件）达到某种功能（如抗剪性、抗弯性等）要求的极限状态为依据、结构设计计算方法。以后岩土工程设计的主流方向！小计：岩土体及其防治工程结构稳定性分析多采用——安全系数法；支挡工程结构设计采用——概率极限状态设计法喷锚支护目前一般采用——工程类比法1.2.2设计阶段与设计等级（1）设计阶段：取决于工程任务（目标）与工作程度，不同行业又有不同建筑工程领域（港口工程）：可行性方案设计、初步设计、施工图设计公路工程领域：可行性设计（又分预可和工可）、初步设计、施工图设计水利水电工程（铁路工程）：预可行性规划设计、可行性方案设计、初步设计（初测）、施工图设计（定测）四个阶段地质灾害领域：可行性方案设计、初步设计、施工图设计（2）不同设计阶段的设计目标项目决策后，岩土工程设计一般进行初步设计和施工图设计了。大型和重要工程，初步设计前，应进行设计方案的优选！可研阶段设计：必要性论证、可行性分析、方案对比、经济技术分析等初设阶段设计：对可研推荐方案进行论证、对工程方案进行分解、提出具体工程实现步骤、提出相关工程参数、进行结构设计计算、编制报告与图件，进行工程概算。初设文件的深度要求：①应符合已审定的设计方案；②能据以确定土地征用范围；③能据以准备主要设备及材料；④应提供工程设计概算，作为审批确定项目投资的依据；⑤能据以进行施工图设计7⑥能据以进行施工准备。施工图设计：细化施工图、提出施工技术、施工组织和安全措施的要求、满足工程施工和工程招标要求，编制以结构为主体的细部图图件及说明，进行工程预算。施工图设计文件的深度要求：①能据以进行施工与安装；②能据以安排材料、设备订货和非标制作；③能据以编制施工图预算；④能据以进行工程验收。（3）设计等级（安全等级）务必熟记的几类岩土设计系数：滑坡防治工程：安全系数有抗滑、抗倾覆、抗剪断公路路堑边坡工程设计：建筑边坡工程设计：8水利水电工程边坡：91.2.3极限状态设计原则基本要求：安全性、适用性、耐久性一般原则：与工程结构的设计原则一致，《工程结构可靠度设计统一标准》（GB50153-92）1.2.4荷载及其作用效应组合（1）荷载的种类A、岩土体自重：天然重度、浮重、饱和重度等B、土压力：主动土压力、被动土压力、静止土压力C、水压力：静水压力和动水压力（渗透水压力）D、地震作用力：地震系数（地震加速度除以重力加速度）乘以岩土体重力E、其他作用力：风载、雪载、车辆荷载、波浪压力、临时施工荷载、温度影响等（2）荷载作用效应组合1011第2章土压力与滑坡推力（6h）2.1概述岩土体作用力（变形破坏）规律的认识——变形机理、受力特征、结构形式等正确、合理确定岩土压力或者说岩土体作用在支挡结构上的力的大小、方向、分布、变化规律等，是我们做岩土支挡与锚固结构设计的第一步，也是最为关键的一步！2.2土压力计算（1）静止土压力（2）主动土压力12（3）被动土压力2.2.1静止土压力计算132.2.2朗肯土压力计算朗肯（英国），1857年提出。基本假定：①挡土墙墙背竖直、光滑；②墙后土体表面水平并无限延长。土体内任意水平面与墙背均为主平面（即该平面上无剪应力作用），作用于两平面的正应力均为主应力。14图2-5朗肯土压力计算图式152.2.3库伦土压力计算库伦（法国）1773年提出，基本假定：①挡土墙墙后为砂土（c=0）；②挡土墙墙后土体产生主动或被动土压力时，土体形成滑动楔体，其滑裂面为通过墙踵的平面。库伦土压力理论根据滑动楔体处于极限平衡状态时，应用静力平衡条件求解得主动土压力与被动土压力。16172.2.4第二破裂面计算法产生条件：①墙背倾角必须大于第二破裂面的倾角；②投影在墙背上的力所产生的下滑力必须小于墙背处的抗滑力。182.3土压力计算小结2.3.1库伦理论与朗肯理论的适用条件P37实践中，用库伦公式计算主动土压力，用朗肯公式计算被动土压力。2.3.2规范推荐的土压力计算方法2.4特殊条件下的土压力计算2.4.1超载作用下的土压力计算19202.4.2墙后土体分层时的土压力计算212.4.3有地下水作用下的土压力计算2.4.4折线型墙背土压力计算22232.4.5有限范围内土体的土压力计算2.4.6土体表面不规则时的土压力计算2.5土压力图解法Poncelet法、Culmann法242.5.1基本原理2.5.2图解步骤252.6不同结构物作用时土压力的分布与计算262.7土压力计算中的参数取值2.7.1有效应力法与总应力法272.7.2用等效内摩擦角计算主动土压力2.8滑坡推力计算28第3章挡土墙计算与设计（4h）3.1挡土墙的基本类型29303.2重力式挡土墙设计3.2.1概述重力式挡土墙是以挡土墙的自身重力来维持挡土墙在土压力作用下的稳定，课用石砌或混凝土建成。课根据其墙背的坡度分为仰视、垂直、俯视三种类型。①按土压力理论，仰斜背墙的主动土压力最小，而俯斜墙背的主动土压力最大，垂直墙背承受的土压力介于两者之间。②若挡土墙修建时需要开挖，因仰斜墙背可与开挖的临时边坡相结合，而俯斜墙背后需要回填土，对于支挡挖方工程的边坡，以仰斜墙背为好，反之，如果是填方工程，应采用俯斜墙背或垂直墙背，以便填土夯实。个别情况下，为减小土压力，采用仰斜墙也是可行的，但应该注意墙背附近的回填土质量。③当墙前原有地形较平坦，用仰斜墙背比较合理，若原有地形较陡，用仰斜墙背会使墙身增高很多，此时应当采用垂直或俯斜墙。综上所述，边坡需要开挖时，仰斜墙施工方便，土压力小墙身截面经济，设计时应优先选用仰斜墙。而填方路堤或边坡，则宜优先选用直墙或俯斜墙。3.2.2重力式挡土墙设计31（1）抗滑移稳定性验算32（2）抗倾覆稳定性验算33（3）地基承载力验算（基地压力及偏心验算）3435（4）墙身强度验算36（5）其他需要验算的项软弱下卧层验算整体稳定性验算373.2.3重力式挡土墙构造3.2.4挡土墙填料选择由土压力计算理论可知，填料的内摩擦角越大，主动土压力就越小；而填料的重度越大，主动土压力就越大。因此应选择内摩擦角大、重度小的填料，应优先采用砂类土、碎（砾）石土填筑。具有透水性好，抗剪强度大且稳定、易排水，能显著减少主动土压力。一般不采用粘性土，对于重要的、高度较大的挡土墙，不应用粘土做填料。3.2.5挡土墙的排水措施（1）墙身排水措施墙身排水主要是为了排除墙后积水。在挡土墙背侧应设置200-400㎜的反滤层，孔洞附近1m范围内应加厚至400-600㎜，通常在墙身适当高度处设置一排或数排泄水孔。如图3-9（2）地表排水措施38凡挡土墙后有较大的面积或山坡，则应在填土顶面、离挡土墙适当的距离设截水沟，把坡上、外部径流截断排除。重力式挡土墙施工施工时应注意以下事项3.3悬臂式与扶壁式挡土墙设计3.3.1悬臂式挡土墙构造3.3.2悬臂式挡土墙设计悬臂式挡土墙设计，分为墙身截面尺寸拟定以及混凝土结构设计两部分。确定墙身的断面尺寸，是通过试算法来进行的，其做法是先拟定截面的试算尺寸，计39算作用其上的土压力，通过稳定验算来确定墙踵板和墙趾板的长度。钢筋混凝土结构设计，则是对已经确定的墙身截面尺寸进行内力计算和钢筋设计。在配筋设计时，可能会调整截面尺寸，特别是墙身的厚度。悬臂式挡土墙，一般也以墙长方向取1延米计算。3.3.2.1墙身截面尺寸的拟定：（2）墙趾板长度墙趾板的长度，根据全墙抗倾覆稳定系数、基底合力偏心距e限制和基底地基承载力等要求来确定。3.2.2.2土压力计算3.3.2.3墙身内力计算（1）立板的内力4041（2）墙踵板的内力42（3）墙趾板的内力433.3.2.4墙身钢筋混凝土配筋设计悬臂式挡土墙的立板和底板，按受弯构件设计。除构件正截面受弯承载力、斜截面受剪承载力外，还要进行裂缝宽度验算。44（2）底板钢筋设计45463.3.3扶壁式挡土墙构造3.3.4扶壁式挡土墙设计（1）立板的内力计算47（2）墙踵板的内力计算（3）扶壁的内力计算483.4加筋土挡土墙设计加筋土挡土墙由墙面板、基础、拉筋（筋带）和填料等部分组成。工作原理是依靠填料与拉筋之间的摩擦力，来平衡墙面所承受的水平土压力（即加筋土挡土墙的内部稳定），并以拉筋、填料的复合结构抵抗拉筋尾部填料所产生的土压力（即加筋土挡土墙的外部稳定），从而保证了挡土墙的稳定。3.4.1加筋土挡土墙构造3.4.1.1面板面板的主要作用是防止拉筋间填土从侧向挤出，保证拉筋、填料、墙面板构成一个具有一定形状的整体。应具有足够的强度，保证拉筋端