土木工程毕业设计文献翻译.docx
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土木工程毕业设计文献翻译
华北水利水电学院
毕业设计
——外文文献翻译
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第9章
挡土墙
9.1概述
9.1.1挡土墙分类
土坡在以自然状态堆积时占地太广，可以用挡土墙来加固土坡。
图9-1列举了不同类型的挡土墙，包括：
●重力式挡土墙，可由砌体或大体积混凝土建成，并依靠其自身大小和重量来保持其稳定性，它自身的重量和施加负荷的作用点必须位于基底第三部分，由此来避免张应力。
●悬臂式挡土墙由从一个水平基础上的垂直墙悬臂组成，其基础向墙方向凸出或者在填充之下。
在后一种情况下，基础上所支撑的土重有助于提高稳定性。
●扶壁式挡土墙在建造时比悬臂式挡土墙高度更高，在设计时，立壁与踵板之间应有连续间隔。
●悬臂式板桩墙由环环相扣的单元组成，打入地下足够的深度，从而为垂直悬臂提供稳定和地锚支撑。
●地锚式挡土墙在建造时比悬臂式挡土墙更高，锚杆可减少板桩墙的弯矩。
9.1.2一般的的设计注意事项
挡土墙可能会因墙壁向前滑动或绕着墙角旋转导致后壁出现滑弧破坏而发生破坏。
为了防止这些破坏的产生，应该采取一些安全措施。
挡土墙的设计通常用至少1.5倍的倾覆力矩来抵抗滑动。
板桩墙可能会因为没有足够的渗透打桩而产生不了必要的滑动阻力。
对于锚板桩墙来说，如果锚固和打桩之间距离不充分，就无法形成必要的锚前被动接地电阻。
利用朗肯理论可以很方便地得到壁后主动土压力和壁前被动压力。
另外，挡土墙也可被设计用来承接压力，且压力与重量不小于30磅每立方英尺，深度等于保留土壤深度的流体所施加的压力相当。
壁后附加的活荷载可以通过一个额外的填充高度来产生，它可以在壁后产生相同的均匀压力，且建议最小高度为两英尺。
挡土墙后必需要有充分的排水以防静水压力的产生。
9.2悬臂墙和重力墙
9.2.1悬臂式挡土墙的设计
图9-2所示的是钢筋混凝土悬臂式挡土墙上的作用力。
干墙、基底和抗剪键的重力计算公式，单位是牛顿
WW=150Lw（H-h）
WB=150hLB
WK=150LW（HK-h）
干墙后的活荷载以及底部支撑的填充重量为
WL=wLH
WS=γSLH（H-h）
墙后作用在基底H/3高度上的主动土压力为
HA=KAγSH2/2
=PAH2/2
其中：
PA=单位流体的侧向土压力
=KAγS
γS=填实密度
KA=朗肯主动土压力系数
=（1-sinΦ）/（1+sin35o）
Φ=内摩擦角
因此，假设填料密度为110磅每立方英尺，内部摩擦角为35度，那么相应的液体压力为
PA=110（1-sin350）/（1+sin350）
=30N/m2
PL=WKA
=HPA
其中：
H=相当于附加的填充高度
=wKA/PA
=w/ΥS
作用于底座之上的高度为H/2，这将产生一个均匀的压力
HL=pLH
基底面产生的摩擦力
F=μ∑W
其中：
μ是摩擦系数
当的摩擦力不足的时候，需要考虑一定的安全系数。
在前面墙体的被动土压力作用在底部上方的高度为H/3的力是
HP=KPΥSHK2/2
=PPHK2/2
其中，PP=等效侧向土压力的流体的密度PP
=KPΥS
KP=朗肯被动土压力系数
=（1+sinΦ）/（1-sinΦ）
因此，等效的流体压力为110N/m2以及内部摩擦为35度的材料的密度是
PP=110（1+sin35）/（1-sin35）
=400N/m2
为了防止滑动深度的过大，必须需要提供足够的安全系数，来保证
F+HP≥1.5（HA+HL）
同样地，为防止墙体发生翻转所需的安全因素是1.5。
通过计算所有有关的基地中心合力的偏心率，可得到基础下的承压力。
若要设计干墙和基础，所需的承载力由ACI方程（9-4）决定
U=1.4D+1.7L+1.7H
其中D是静荷载，L是活荷载，H是土压力
9.2.2配筋的构造要求
干墙上所需的最小配筋参考ACI的第14.3部分。
大于5号的60级钢筋，基于混凝土面积的纵向和横向配筋率由下式给出
ρvert=0.15％
ρhor=0.25％
小于5号的钢筋，相应的配筋率为
ρvert=0.12％
ρhor=0.20％
若挡土墙厚度超过10CM的时候，则需要两层增强板，具体如图9-3。
例9-1（悬臂式挡土墙）
图9-4中所示的挡土墙，墙后填充物的单位重量为110英镑/立方英寸，相当于液压为30磅每平方英尺每英尺。
被动地压可能承担相当于300磅每平方英尺每英尺的液压，基底面上的摩擦系数为0.4。
在不考虑抗剪键影响的情况下，计算出防止翻转的安全因素以及基底下的承压力分布。
使用设计极限荷载能够计算出基底和干墙的配筋率是否足够。
结合摩擦力和被动压力的影响，计算出抗剪的最小深度，从而提供安全的防滑系数为1.5。
解：
作用在墙上的水平荷载
HA=回填土的侧压力
=PAh2/2
=30×202/2
=6000磅
HL=横向土压力
=HpAH
=2×30×20
=1200磅
墙体的倾覆力矩是
MO=HA×H/3+HL×H/2
=6000×20/3+1200×20/2
=52000磅·英尺
作用在墙上的垂直载荷由下式给出
WW=干墙的重量
=150×1.5×18.5
=4163磅
WB=基础的重量
=150×1.5×10.5
=2363磅
WS=回填土的重量
=110×6×18.5
=12210磅
WL=附加的重量
=110×6×2
=1320磅
总的竖向荷载为
∑W=20056
在竖向荷载作用下，到底部的距离是
X=（4163×3.75+2363×5.25+12210×7.5+1320×7.5）/20056
=6.5英尺
抗倾覆安全系数是
X∑W/MO=6.5×20056/52000
=2.5
施加荷载的偏心距由下式给出
e’=（x∑W-MO）/∑W
=（6.5×20056-52000）/20056
=3.91英尺
离的基中点的偏心距是
e=10.5/2-3.91
=1.34＜LB/6…无受拉的基础
基础边缘下的压力是
q（toe）=∑W（1+6e/LB）/BLB
=20056（1+6×1.34/10.5）/（1×10.5）
=3373
基础下面的压力是
q（heel）=∑W（1-6e/LB）/BLB
=448
第9.2.4节中影响ACI因素求得的总倾覆力矩是
γmO=1.7×52000
=88400
所考虑的总垂直负载是
∑（γW）=1.4（WW+WB+WS）+1.7WL
=5828+3308+17094+2244
=28474
恢复时刻的因素系数是
γMR=5828×3.75+3308×5.25+17094×7.5+2244×7.5
=182257
考虑负载因素的偏心距由下式给出
e’=（γMR-γMO）/∑（γW）
=3.37
＜LB/3
基底下的压力由下式给出
q（toe）=2∑（γW）/3e’
=2×28474/（3×3.37）
=5639
基础下的压力分布由图4所示，基础下最大的弯矩为
MU=3（γWS+γWL+6γWB/10.5）-3129×5.612/6
=3（17094+2244+1890）-16413
=47271
根据10.2节求得所需的配筋率是
ρ=0.85f’c[1-（1-2MU/0.765bd2f’c）0.5]/fy
=0.38％
根据10.3节求得最大配筋率为
ρmax=0.75×0.85×87β1fc’/fy（87+fy）
=1.60％
＞ρ满足要求
根据第7.12求得最低配筋率是
ρmin=0.18％
＜ρ满足要求
因此，所需的配筋面积是
AS=ρbd
=0.0038×12×15.5
=0.71每平方英寸
剪切作用小，可以采用9号的钢筋，间隔为13英寸
AS’=0.72
＞AS满足要求
基底边缘在受最大的因素的条件下的影响弯曲力矩是
MU=32（3925+2×5639）/6-1.5×3γWB/10.5
=22.865-1418
=21447磅·英尺
所需的配筋率是
ρ=0.188％满足要求
所需的配筋面积是
AS=0.00188×12×14.69
=0.33每平方英寸
剪切作用小，可以采用5号的钢筋，间隔为11英寸
AS’=0.34＞AS满足要求
受最大因素影响下的弯矩是
MU=1.7（30×18.53/6+60×18.52/2）
=71274磅·英尺
所需的配筋率是
ρ=0.58％满足要求
所需的配筋面积是
AS=0.0058×12×15.5
=1.08每平方英寸
剪切作用小，可以采用7号的钢筋，间隔为6.5英寸
AS’=1.12每平方英寸
＞AS满足要求
根据14.3可得，基于对毛混凝土面积，所需要的垂直钢筋配筋率由下式给出
ρ=0.0012/2...超过不大于5％
所需的竖向钢筋面积是
AS=0.0012×12×18/2
=0.13每平方英寸
放置三条间距为25厘米的钢筋
AS’=0.13
=AS满足要求
挡土墙的水平力承载力为
H=HA+HL
=6000+1200
=7200英镑
提供的摩擦阻力为
F=μ∑W
=0.4×20056
=8022英镑
提供抗滑系数为1.5来满足减弱滑移的安全要求
HP=1.5H-F
=1.5×7200-8022
=2777英镑
为了提供这种消极的的力量，所需的总深度为
HK=（2HP/PP）0.5
=4.3英尺
抗剪点的深度是
D=HK-1.5
=2.8英尺
例9-2（带有砌体的悬臂式挡土墙）
如图9-5所示，假设回填料每立方英尺重120磅，同样的在墙后回填料的液压是30磅平方英尺每英尺，基底面磨擦系数是0.40，计算出承受的压力和挡土墙翻转和滑动的安全因素。
所谓的八寸固体浆砌混凝土砌干墙，其指定强度为1500磅/平方英寸，其建造无须特别检查。
基底混凝土的抗压强度为3000磅/平方英寸。
使用60级变形钢筋，计算干墙和基底的是否已得到适当增强，估计出基底下承压力的分布。
解：
挡土板所受的负载由下式给出
HA=侧压力
=PAH2/2
=30×52/2
=375磅
WW=墙重
=80（H-h）
=80×4
=320磅
WB=基底重
=150hLB
=150×1.0×2.67
=400磅
WS=填料重量
=γSLH（H-h）
=120×1.5×4
=720磅
基础底部的回复力矩和翻转力矩如下所示。
部分
W
X
Wx
H
y
Hy
回填料
挡土板
基底
720
320
400
1.92
0.83
1.33
1380
267
533
375
1.67
625
总计
1440
2180
375
625
表9-1
抗翻转的安全因素由下式给出
∑（WX）/∑（Hy）=2180/625
=3.5
基底下方产生的摩擦力由下式给出
F=µ∑W
=0.40×1440
=576磅
抗滑系数由下式给出
F/∑H=576/375
=1.5
基础底部施加负荷的偏心距由下式给出
e’=[∑（Wx）-∑（Hy）]/∑W
=（2180-625）/1440
=1.08英尺
基底重心的离心率为
e=LB/2–e’
=2.67/2–1.08
=0.25英尺
基础底部下的压力为
q（toe）=∑W（1+6e/LB）/BLB
=1440（1+6×0.25/2.67）/（1×2.67）
=846磅每平方英尺
墙踵板下的压力为
q（heel）=∑W（1–6e/LB）/BLB
=232磅每平方英尺
........
板趾设计极限载荷的离心率由下式给出
e’=[∑（Wx）-∑（γHy）]/∑（γW）
=（3052–1063）/2016
=0.99英尺
基底中间点的离心率为
e=LB/2–e’
=2.67/2–0.99
=0.35英尺
板趾下的压力为
q（toe）=∑（W）（1+6e/LB）/BLB
=2016（1+6x0.35/2.67）/（1x2.67）
=1346磅每平方英尺
墙踵板下的压力为
q（heel）=∑（γW）（1–6e/LB）/BLB
=164磅每平方英尺
.......
9.2.3重力式挡土墙
如图9-6所示，在重力式挡土墙中，稳定性与可承受土压力由挡土墙结构的大小和质量决定，在结构全部高度范围内，必须调整挡土墙自重与施加载荷的合力，从而确保材料的张应力在结构的任何部分都不会超标。
若规范要求任何部分都不应有张应力，那么所得的推力的轨迹在任一部分中必须位于中间第三，如图9-6所示。
例9-3（大体积混凝土重力坝）
如图9-7所示，大体积混凝土重力坝高18英尺。
假设混凝土没有张应力，且水位为坝墙顶部，计算出坝基的最小宽度。
解：
墙体的总重量是
W=144×18（3+B）/2
=1293（3+B）磅每英尺
作用在墙壁上离基地以上高度为6英尺的总水压力是
H=62.4×182/2
=10108
墙体的质心距离基底的高度由下式给出
x’=（9+3B+B2）/3（3+B）英尺
推力作用在墙体上的位置距离基地的距离由下式给出
x=6H/W
=6×10108/1293（3+B）
=46.80/（3+B）
确保在底座中没有拉伸应力，则
x’+x≤2B/3
因此，最小的的底座宽度由下式给出
1=46.80/（3+B）+（9+3B+B2）/3（3+B）-2B/3
其中B=10.81英尺
所需的最小底座宽度为10.81英尺。
9.2.4扶壁式挡土墙
为减少立板的弯曲力矩，在高扶壁式挡土墙上增加扶壁，在挡土墙顶部，立板水平跨越扶壁，而在挡土墙底部，立板从基底悬出。
实际上，可将扶壁之间的立板视为一个面板，此面板固定在基底和两个垂直边缘，在顶部边缘不受支撑，如图9-8中所示。
扶壁之间的间隔通常为立板高度的0.5~1.0倍，由弯曲力矩的系数可得出一系列纵横比。
方形面板的对应值如图9-8所示。
若纵横比在0.5~1.0之间，则在挡土墙高度的3/5处使用土压值，将立板保守地设计成一块纵跨扶壁的厚板。
为得到相关力矩，可参见ACI中8.3.3所给出的近似力矩系数。
同样地，在立板基部，可通过使用在挡土墙高度的3/5处的土压值，来计算出悬臂的力矩。
在设计时，基板为净压力，且设计成纵跨扶壁的厚板。
扶壁与立板之间形成一个丁字梁，防止立板基部土压所产生的弯曲力矩，这两者由扶壁背部增强拉力与立板混凝土压缩力产生，会抵抗这种弯曲力矩。
两者臂杆成直角，从而能起到增强作用。
除此之外，悬臂要有横向臂杆，防止土压对立板挤压。
例9-4（扶壁式挡土墙）
扶壁式挡土墙详细信息如图9-9所示，墙后填料的等效流体压力为50磅每平方英尺每英尺，所有混凝土的抗压强度为3000磅/平方英尺，其中包括60级变形钢筋。
若增强钢筋在外层，则最近的混凝土面距离增强钢筋中心3.5英寸，若在内部，则距离为4.25英寸。
计算钢筋A、B、C的增强力。
解：
在0.6倍的净高度处侧向土压力为
q=0.6pAh
=0.6×50×20/1000
=0.6千磅每平方英尺
这是加固应该设计的压力
根据混凝土协会8.33和9.24，最大的影响是作用在12英寸横向处在扶壁支撑处力矩是
Mu=1.7×qln2/11
=1.7×0.6×12×12/11
=13.35千磅
钢筋在护墙有效深度是：
D=12-3.5
=8.5英寸
由混凝土协会10.2规定的所需的加固面积是：
As=0.85bdfc’[1-（1-2Mu/0.765bd2fc’）0.5]/fy
=0.36平方英尺
As（min）=0.0018×12×12
=0.26<0.36
第五条规定留10英寸合理的间距在
A（prov）=0.37平方英尺满足条件
在进行跨矩之间的是
Mu=1.7×qln2/16
=1.7×0.6×12×12/16
=9.18千磅
在B处增强护墙有效深度是：
d=12-3.5
=8.5尺
混凝土第10.2规定所需的加固区是：
As=0.85bdfc[1-（1-2Mu/0.765bd2fC’）0.5]/fy
=0.25平方英尺
As（min）=0.0018×12×12
=0.26平方英尺
A（prov）=0.27满足条件
产生弯矩的原因是一开间的土压力
M=1.7pAsh3/6
=1.7×50×13×203/（6×1000）
=1473千磅
根据第7条和第8条规定面积为
A（prov）=2.78平方英尺满足条件
基础以上6英尺的土压力为
q=pA（h-0.5）
=50×（20-0.5）/1000
=0.975千磅每平方英尺
挡土墙d承担在基础以上一个12英寸宽的横向推力为:
V=1.7q（s-b）
=1.7×0.975×（13-1）
=19.89千磅
As=19.89/（0.9×60）
=0.37平方英尺
第4条规定在12英寸中心处箍筋面积为
A（prov）=2×0.20平方英尺
=0.40>0.37满足条件
9.3板桩墙
9.3.1悬臂式板桩墙
悬臂式板桩墙的受力情况如图9-11所示，需初步估计板桩渗入的深度以及R点位置，因为板桩围绕R点旋转，板桩前面的受压力与后面受压力相等时，就产生了O点。
挡土墙的受力情况由下式给出
HA=PAH1（H1+y1）/2
HP1=[PP（H2-y2）]（H1-y1-y3）/2
HP2=[PP（H1+H2）-PAH2]y3/2
其中，y1=PAH1/（PP-PA）
y3=y2[PP（H1+H2）-PAH2]/（PP-PA）（H1+2H2-y2）
考虑水平方向可以得出
1=HA-HP1+HP2
在考虑T瞬间的基底的边缘时
0=HALA-HP1LP1+HP2LP2
只有满足以上等式，才能调整初步估计，从而得到剪切力矩和弯曲力矩。
9.3.2锚定板桩墙
锚定板桩墙的受力情况如图9-12所示，需初步估计版装的渗入深度，此挡土墙的受力情况由下式给出
HA=墙后的总有效压力
=PA（H1+H2）2/2
HP=墙前的总有效压力
=PPH22/2
HT=HA-HP
在考虑T时刻的时候，所有的力满足
HALA-HPLP=0
只有满足以上等式，才能调整初步估计，从而得到剪切力矩和弯曲力矩。
臂杆可能通过土锚、锚板或者呆重锚座来保护，锚板如图9-13所示，其受力情况由下式给出
FC=压缩桩的力
=HT/（sinθ1+cosθ1tanθ2）
FT=抗拔桩的力
=HT/（sinθ2+cosθ2tanθ1）
如图9-14所示，呆重锚座可能包括一系列的梁或者相互独立的锚。
这一系列的梁所受的阻力包括梁前受压力和梁后较小的压力。
呆重锚座必须与墙有足够的距离，从而呆重锚座前的被动楔不会影响墙后的主动楔。
1=HP-HA+HT
0=DLT（PP-PA）-HT
例9-5（锚定板桩墙）
如图9-15所示，假设主动土压力相当于30磅每平方英尺每英尺的流体压力，被动压力相当于400磅每平方英尺每英尺的流体压力，可计算出所要求的渗透力，估算出臂杆的受力情况和位置和板桩的最大剪力和最小弯矩。
解：
墙体背面全部的主动土压力是
HA=30（14+H2）2/2
=2940+420H2+15H22
墙体正面全部的被动土压力是
HP=400H22/2
=200H22
主动土压力的作用点和基底之间的距离是
LA=2（14+H2）/3
=9.33+0.67H2
被动土压力的作用点和基底之间的距离是
LA=14+0.67H2
由基底T点时刻得
1=HALA-HPLP
0=（2940+420H2+15H22）（9.33+0.67H2）-200H22（14+0.67H2）
为了提供所需的渗透，H2需要满足
H2=4.25英尺
基础的受力是
HT=HA-HP
=4996-3613
=1383磅每英尺
其中，PPH2=400×4.25
=1700磅每英尺
PA（14+H2）=30（14+4.25）
=548磅每英尺
距离基础边缘为y内的剪切力是
V=y（1700-200y）-y（548-15y）
=1152y-185y2
最大的剪切力发生的位置是
dV/dy=0
=1152-370y
得出，y=3.11英尺
因此，Vmax=1793磅每英尺
剪切力距离墙体顶部的距离x为
V=HT-PAX2/2
=1383-15x2
最大的剪切力发生的位置是
V=0
因此，x=（1383/15）0.5
=9.6英尺
最大位置处的弯矩是
Mmax=HTX-PAx3/6
=1383×9.6-30×9.63/6
=8853磅每英尺
例9-6（锚定挡土板）
如图9-16所示，锚定挡土板的臂杆位于板桩顶部4英尺处，中心间隔15英尺。
臂杆末端固定在两个锚靶上，主动土压相当于30磅每平方英尺的液体压力，被动土压相当于400磅每平方英尺的液体压力。
对于所示的渗入深度，计算出墙后主动压力总值、墙前被动压力总值和臂杆点的所有受力力矩，并计算出臂杆的受力、挡土墙的最大剪力和最大力矩，以及锚座的压缩力和张应力。
解：
墙体背面全部的主动土压力是
HA=PA（H1+H2）2/2
=30（14+3.885）2/2
=4798磅每英尺
墙体正面全部的被动土压力是
HP=PPH22/2
=400×3.8852/2
=3018磅每英尺
在基础底部的位置
MT=HA[2（H1+H2）/3-LT]-HP（H1-LT+2H2/3）
=4798（2×17.885/3-4）-3018（10+2×3.885/3）
=7每英尺磅·英尺
≈0
因此有渗透作用。
在基础底部所到的力是
HT=HA-HP
=4798-3018
=1780磅
最大剪切发生在接点距离顶部4英尺的地方和最大的剪切力由下式给出
Vmax=HT-PAX2/2
=1780-240
=1
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