理正挡土墙设计详解

1第一章功能概述

挡土墙是岩土工程中经常遇到的土工构筑物之一。为了满足工程技术人员的需要，理正开发了本挡土墙软件。下面介绍挡土墙软件的主要功能：

⑴包括13种类型挡土墙――重力式、衡重式、加筋土式、半重力式、悬臂式、扶壁式、桩板式、锚杆式、锚定板式、垂直预应力锚杆式、装配式悬臂、装配式扶壁、卸荷板式；

⑵参照公路、铁路、水利、市政、工民建等行业的规范及标准，适应各个行业的要求；可进行公路、铁路、水利、水运、矿山、市政、工民建等行业挡土墙的设计。

⑶适用的地区有：一般地区、浸水地区、抗震地区、抗震浸水地区；

⑷挡土墙基础的形式有：天然地基、钢筋砼底板、台阶式、换填土式、锚桩式；

⑸挡土墙计算中关键点之一是土压力的计算。理正岩土软件依据库仑土压力理论，采用优化的数值扫描法，对不同的边界条件，均可快速、确定地计算其土体破坏楔形体的第一、第二破裂面角度。避免公式方法对边界条件有限值的弊病。尤其是衡重式挡土墙下墙土压力的计算，过去有延长墙背法、修正延长墙背法及等效荷载法等，在理论上均有不合理的一面。理正岩土软件综合考虑分析上、下墙的土压力，接力运行，得到合理的上、下墙的土压力。保证后续计算结果的合理性；

⑹除土压力外，还可考虑地震作用、外加荷载、水等对挡土墙设计、验算的影响；

⑺计算内容完善――土压力、挡土墙的抗滑移、抗倾覆、地基强

度验算及墙身强度的验算等一起呵成。且可以生成图文并茂的计算书，大量节省设计人员的劳动强度。

2第二章快速操作指南

2.1操作流程

图2.1-1 操作流程

2.2快速操作指南

2.2.1选择工作路径

图2.2-1 指定工作路径

注意：此处指定的工作路径是所有岩土模块的工作路径。进入某一计算模块后，还可以通过按钮【选工程】重新指定此模块的工作路径。

2.2.2选择行业及挡墙形式

1．适用于公路、铁路、水利及其它行业。

2．挡土墙的计算项目有十三种供选择：重力式、衡重式、加筋土式、半重力式、悬臂式、扶壁式、桩板式、锚杆式、锚定板式、垂直预应力锚杆式、装配式悬臂、装配式扶壁及卸荷板式挡土墙。

图2.2-2 选择计算项目

2.2.3增加计算项目

点击【工程操作】菜单中的“增加项目”菜单或“增”按钮来新增一个计算项目。

图2.2-3 工程操作界面

2.2.4编辑原始数据

当计算项目为重力式挡土墙时，须录入或选择如下参数：墙身尺寸、坡线土柱、物理参数、基础、整体稳定性等数据，交互窗口如图2.2-4。

图2.2-4 挡土墙数据交互对话框

注意：

1. 集中的参数交互界面，即把几乎所有的参数置于一个界面上，操作简单，大大提高了人机交互的效率，这是理正岩土系列软件的一个共性特征。

2. 同时提供了有关参数的即时弹跳说明信息，方便用户理解参数的意义。

2.2.5当前挡墙计算

在数据交互对话框中设置好各项参数，点击【计算】按钮来进行当前题目的计算；或者单击【辅助功能】菜单的“计算”。

2.2.6计算结果查询

计算结果查询界面分为左右两个窗口，左侧窗口用于查询图形结果，右侧窗口用于查询文字结果。

图2.2-5 计算结果查询窗口

3第三章使用说明

3.1关于计算例题的编辑

3.1.1增加例题与删除当前例题

1．通过【工程操作】菜单的“增加项目”和“删除当前项目”来增加一个新的例题或删除当前的例题。

2．“增”或“删”按钮增加一个新的例题或删除当前的例题。点击“算”按钮打开当前模块的交互界面。

3.1.2数据的读写

通过【辅助功能】菜单的“读入数据文件”可以将原来保存好的数据读进来进行计算；通过【辅助功能】菜单的“数据存盘到文件”可以将当前例题的数据保存在磁盘上。

3.1.3把典型例题加入例题模板库

实际工程中会有一些具有一般代表性的典型例题，当完成该例题的数据交互后，可通过【辅助功能】菜单中的“将此例题加入模板库”把该例题存为例题模板，从而在每次新增例题时可以重复调用该例题的数据，在此基础上修改少量的数据进行计算。

3.2计算简图辅助操作菜单

在数据交互界面的左侧图形窗口单击鼠标右键，弹出图形显示快捷菜单，使用该菜单可有效的查看计算简图，可把计算简图存为DXF 格式的文件，用AUTOCAD等图形编辑器进行编辑。

3.3快速查询图形结果

3.3.1选择输出图形结果

1．当计算项目为重力式、衡重式、半重力式、悬臂式、扶壁式、卸荷板式、垂直预应力锚杆式抗滑挡土墙时，图形查询输出如下结果：1）计算简图

2）土压力

①土压力（合力及两个方向分力）与破裂角关系曲线；

②土压力Ea沿抗滑挡墙高度分布图；

③破裂面与土压力简图；

④力多边形简图。

2．当计算项目为加筋土式时，图形查询输出如下结果：

1）计算简图

2）土压力

①土压力（合力及两个方向分力）与破裂角关系曲线；

②土压力Ea沿抗滑挡墙高度分布图；

③破裂面与土压力简图；

④力多边形简图。

3）整体稳定结果图

3．当计算项目为桩板式时，图形查询窗口输出计算简图。

1）计算简图

2）土压力

①土压力（合力及两个方向分力）与破裂角关系曲线；

②土压力Ea沿抗滑挡墙高度分布图；

③破裂面与土压力简图；

④力多边形简图。

3）内力简图：包括位移、弯矩、剪力、土反力等曲线。

4．当计算项目为锚定板式、锚杆式时，图形查询窗口输出计算简图。

1）计算简图

2）土压力

①土压力（合力及两个方向分力）与破裂角关系曲线；

②土压力Ea沿抗滑挡墙高度分布图；

③破裂面与土压力简图；

④力多边形简图。

3）立柱计算简图：包括荷载、截面尺寸、弯矩、剪力、配筋等图形。

图3.3-1 衡重式挡土墙计算结果简图

图3.3-2 加筋土式挡土墙计算结果简图

图3.3-3 桩板式挡土墙计算结果简图

图3.3-4 锚杆式挡土墙计算结果简图

3.3.2通过辅助功能菜单查看图形结果

单击【辅助功能】菜单中的“查看计算图形结果”项，可查看当前例题的图形结果。

图3.3-5 查询计算结果简图

3.3.3图形查询辅助工具

1．图形查询工具栏

2．图形查询快捷菜单

在图形结果查询窗口单击鼠标右键，弹出图形查询快捷菜单，可以方便地查看图形。

3．【图形查询】菜单

3.4计算书的编辑修改

1．当计算目标重力式、衡重式、半重力式、卸荷板式、垂直预应力锚杆式抗滑挡土墙时，计算书窗口输出如下结果：

（1）土压力计算结果；

（2）滑动稳定性验算结果；

（3）倾覆稳定性验算结果；

（4）地基应力及偏心距验算结果；

（5）设置凸榫时，凸榫强度验算、宽度设计；

（6）墙身截面强度验算（不同截面）包括偏心距、压应力、拉应力及剪应力；

（7）基础强度验算包括悬挑部分主拉应力及剪应力。

注意：公路挡墙增加以下结果的输出：

1）滑动稳定方程验算、倾覆稳定方程验算结果；

2）墙截面验算采用极限状态法时强度、稳定验算结果。

2．当计算目标为加筋土式挡土墙时，计算书窗口输出如下结果：（1）土压力计算结果；

（2）滑动稳定性验算结果；

（3）倾覆稳定性验算结果；

（4）地基应力及偏心距验算结果；

（5）内部稳定性验算；

（6）外部稳定性验算；

注意：公路挡墙外部稳定验算增加滑动稳定方程验算、倾覆稳定方程验算结果。

3．当计算目标为桩板式挡土墙时，计算书窗口输出如下结果：

（1）土压力计算结果

（2）桩的内力（包括弯矩、剪力、土反力）、位移及配筋计算；

（3）挡土板的内力配筋

4．当计算目标为悬臂式、扶壁式抗滑挡土墙时，计算书窗口输出如下结果：

（1）土压力计算结果

（2）滑动稳定性验算结果；

（3）倾覆稳定性验算结果；

（4）地基应力及偏心距验算结果；

（5）墙身截面强度验算包括墙面板、墙趾板、墙踵板及肋板（扶壁式）；

（6）裂缝宽度验算

注意：公路挡墙增加滑动稳定方程验算、倾覆稳定方程验算结果。

5．当计算目标为锚杆式、锚定板式挡土墙时，计算书窗口输出如下结果：

（1）土压力计算结果

（2）挡土板、肋柱及锚杆内力结果；

（3）挡土板、肋柱配筋结果；

（4）锚杆式：锚杆设计（包括锚杆截面面积及长度计算）；

锚定板式：锚定板内力及配筋计算。

6．当计算目标为装配式悬臂式、装配式扶壁式抗滑挡土墙时，计算书窗口输出如下结果：

（1）土压力计算结果

（2）滑动稳定性验算结果；

（3）倾覆稳定性验算结果；

（4）地基应力及偏心距验算结果；

（5）墙身截面强度验算包括墙面板、墙趾板、墙踵板及肋板（扶

壁式）；

（6）裂缝宽度验算

注意：

1. 四种标准的计算书中均输出了各组合最不利结果；

2. 桩板式挡墙、锚杆式挡墙和锚定板式挡墙不做最不利结果输出；

3. 公路挡墙的计算输出为采用极限状态法的计算结果。

3.5说明

3.5.1参数编辑

1．加筋土式挡墙须交互自身的计算参数。

2．重力式挡土墙、衡重式挡土墙、卸荷板式挡土墙须交互基础类型及相应参数，基础的类型有：天然基础、钢筋混凝土底版、台阶式基础、换填土式、锚桩式基础。

3.5.2计算

1．本系统对铁路、公路、水利及其它专业的挡墙验算分别采用不同的规范和规定，详细区别在各专业挡土墙编制原理中说明。

2．重力式挡土墙、衡重式挡土墙、加筋土式挡墙在挡土墙、垂直预应力锚杆式挡土墙计算时，其计算目标既可以是验算，也可以是设计。其它类型的挡土墙仅做验算。

3．重力式挡土墙、衡重式挡土墙、半重力式挡土墙、悬臂式挡土墙、扶壁式挡土墙、卸荷板式挡土墙的基底可设置防滑凸榫。

4．系统未考虑由于墙高的增加而提高安全系数这一因数，用户在设计计算时，要注意到这一点，保证挡土墙设计的可靠性和安全性。

5．用户须根据有关规范自行考虑挡土墙有关构件的构造要求。

3.5.3关于自动设计的说明

1．重力式挡土墙自动设计

对于重力式挡墙，在其它参数确定的情况下，系统可自动设计：（1）墙顶宽。

（2）扩展台阶宽高。

（3）钢筋混凝土底板的悬挑长度和厚度。

（4）台阶式基础的高度，阶数，各阶的宽高。

系统的设计过程为：假定墙顶宽最小为0.5米，然后采用变步长的搜索办法增加墙宽，直到找到满足计算条件的最小墙宽为止。当抗倾覆稳定验算满足，地基承载力不满足时，系统优先采用扩展台阶的方案。

注意：

1. 有时自动设计会失败，这是因为某些给定的条件不合理造成的；

2. 有时自动设计成功后，某些安全系数仍不满足。这是因为本系统自动设计时考虑了多种工况，系统自动设计对各种工况只进行一次，当满足最后一个工况的安全系数时，前面的各个工况有时会出现不满足的情况。在这种情况下，用户可参照系统设计结果手工调整。

2．衡重式挡土墙自动设计

对于衡重式挡墙，在其它参数确定的情况下，系统可自动设计：（1）上墙背坡坡度；

（2）衡重台宽；

（3）扩展台阶宽高；

（4）钢筋混凝土底板的悬挑长度和厚度；

（5）台阶式基础的高度，阶数，各阶的宽高。

系统的设计过程为：假定衡重台宽最小为0.0米，然后采用变步长的搜索办法增加台宽，直到找到满足计算条件的最小台宽为止。或者假定上墙背坡坡度最小为0.0，然后采用变步长的搜索办法增加坡度，直到找到满足计算条件的最小坡度为止。当抗倾覆稳定验算满足，地基承载力不满足时，系统优先采用扩展台阶的方案。

注意：

1. 有时自动设计会失败，这是因为某些给定的条件不合理造成的；

2. 当采用设计衡重台宽的自动设计方案时，上墙截面强度不会因衡重台宽度增加而增大，因此在这种情况下，系统将不验算上墙截面宽度；

3. 有时自动设计成功后，某些安全系数仍不满足。具体原因同重力式。

3．加筋土挡土墙自动设计

对于加筋土挡墙，在其它参数确定的情况下，系统可自动设计各层筋带的宽度。系统根据抗拉设计承载力给出筋带最小宽度，并验算抗拔安全系数。

3.6数据和结果文件

数据和结果文件位于用户设定好的工作目录下。重力式挡土墙、衡重式挡土墙、加筋土式挡土墙、半重力式挡土墙、悬臂式挡土墙、扶壁式挡土墙、桩板式挡土墙、锚杆式挡土墙、锚定板式挡土墙、垂直预应力锚杆式挡土墙、装配式悬臂挡墙、装配式扶壁挡墙及卸荷板式挡土墙的数据文件格式分别为*.zl、*.hz、*.jjt、*.bzl 、*.xb、*.fb、*.zb、*.mg、*.mdb、*.yyl、*.zpxb、*.zpfb和*.xhb，图形文件格式*.DXF，计算书格式为*.RTF。

4第四章编制依据

(1)《混凝土结构设计规范GB 50010—2002》；

(2)《建筑抗震设计规范GB 50011—2001》；

(3)《公路设计手册—路基》交通部第二公路勘察设计院，1997.6；

(4)《公路路基设计规范JTGD30—2004》；

(5)《公路污工桥涵设计规范JTG D61-2005》；

(6)《公路工程技术标准JTG B01—2003》；

(7)《公路工程抗震设计规范JTJ 004—89》；

(8)《公路工程结构可靠度设计统一标准GB/T 50283—1999》；

(9)《公路加筋土工程设计及施工规范JTJ 015—91》；

(10)《公路桥涵设计通用规范JTJ021-85》；

(11)《公路桥涵设计通用规范JTG D60-2004》；

(12)《铁路路基支挡结构设计规范TB 10025—2006》；

(13)《铁路路基设计规范TBJ 1001—2005》；

(14)《铁路工程设计技术手册—路基》铁道部第一勘测设计院，1995.3；

(15)《铁路工程抗震设计规范GBJ 111—87》；

(16)《城市桥梁设计准则CJJ11-93》；

(17)《城市桥梁设计荷载标准CJJ77-98》；

(18)《城市桥梁设计荷载标准CJJ 77—98》；

(19)《水工挡土墙设计规范SL 379-2007》；

(20)《水运工程抗震设计规范JTJ 225—98》；

(21)《钢筋混凝土装配式挡土墙》（悬臂式、扶壁式）04SO13；

(22)《新型支挡结构设计与工程实例》李海光等编著，人民交通出版社，2003.10。

5第五章系统土压力理论

系统采用库仑、朗肯及静止土压力三种计算理论。除特别说明外，均不考虑墙前被动土压力作用。

5.1库仑土压力理论

5.1.1库仑土压力的基本假定

1. 墙后填料为匀质散粒体，仅有内摩擦力，而无粘聚力（按无粘性土考虑）。

2. 当墙身向外移动或绕墙趾外倾时，墙背填料内会出现一通过墙踵的破裂面，假设此破裂面为一平面，竖向夹角θ叫做破裂角（如图5.1-1）。

图5.1-1

3. 破裂面上的土楔，视为刚性土体，根据静力平衡条件，土楔在自重G、墙背反力Ea和破裂面反力R的作用下维持静力平衡。由于土楔与墙背及土体间具有摩阻力，故Ea与墙背法线成δ角、R与破裂面法线成φ角，并均偏向阻止土楔滑动的一侧。

4. 通过墙踵，假定若干个破裂面，其中使主动土压力最大的那个破裂面即为最危险的破裂面。根据这一条件，求得破裂面的位置和主动土压力值。

5. 假设土压力沿墙高呈分段线性分布，其形状与坡面线叠加超

载后的形状相似，作用点位置位于此分布力图形的重心。当墙后土坡为一直线时，土压力呈线性分布，作用于墙高下三分点处。

5.1.2有关第二破裂面的基本假定

1. 俯斜墙背(或假想墙背)的坡度平缓时，墙后填料内有可能出现第二破裂面，土楔不沿墙背或假想墙背滑动，而沿着第二破裂面滑动（如图5.1-2）。

2. 必须满足下列条件，才可出现第二破裂面：

墙背的倾角必须大于第二破裂面的倾角。

作用于墙背或假想墙背上的土压力对墙背法线的倾角应该小于等于墙背摩擦角。

图5.1-2

图中：θ为第一破裂角（度）；α为第二破裂角（度）。

5.1.3库仑土压力计算基本方法

本系统从最基本的土压力计算原理出发，充分利用计算机快速运算的优势，采用优化的数值扫描法,计算第一、第二破裂面及相关的土压力，计算方法见5.1.3.1节、5.1.3.2节及第六章。

5.1.3.1第一破裂面

当只有第一破裂面时，土压力只为第一破裂角函数，利用计算机搜索第一破裂角角度与土压力关系。寻找其中最大的土压力Ea即为所求的土压力，相应的角度为第一破裂角。在搜索过程中，为了提高计算速度，我们采用了优化的方法寻找此极值点，计算结─果表明，