基于地震位移的重力式挡土墙的设计方法技术

基于地震位移的重力式挡土墙的设计方法，它涉及一种挡土墙的设计方法。本发明专利技术解决了现有的挡土墙抗震设计方法没有考虑墙体的滑动位移和转动位移或仅考虑墙体的滑动位移而没有考虑转动位移致使挡土墙的设计许可位移与实际发生的位移相差很大的问题，以及位移过大、位移估计不足影响挡土墙的使用功能的问题。本发明专利技术的主要步骤是：设计挡土墙截面、取墙顶处容许位移、建立墙体运动方程的数学模型、建立墙顶处地震计算位移的数学模型、比较墙顶处地震计算位移Δ与容许位移［Δ］。本发明专利技术克服了现有设计方法仅考虑墙体水平向滑动位移和不考虑填土粘聚力的不足，运动方程考虑了墙体的滑移和转动的耦合运动，从而使本方法适用于更广泛工况，更接近工程实际。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种挡土墙的设计方法。技术背景一般的挡土墙抗震设计采用伪静力方法，将地震动转化为惯性力进行稳定 性验算，通过控制安全系数保证墙土体系的地震安全性。这种方法不能估算出 墙体在地震作用下的位移，安全系数限值大多凭经验确定，究竟多大的安全系 数对应着多大的位移是不清楚的。为了保证不发生过大的位移，只能提高安全 系数限值。显然，在缺乏地震作用与挡土墙最终位移量之间关系的条件下，一 味靠加大墙体重量提高安全系数是不经济的，而且也难以确保在设计地震作用 下不发生过大的位移。因此基于容许位移的抗震设计方法是更为经济合理的方 法。现有的基于容许位移的抗震设计方法大多基于纽马克滑块法，设计中仅考 虑墙体的滑^l位移，不能考虑转动位移。震害调查表明，工程中常见尺度的挡 土墙更容易产生向前倾斜的转动位移。另外，实际工程中挡土墙后的填土大多 为粘土、粉质粘土或粘土夹石，都具有一定的粘聚性，纽马克方法不能考虑填 土粘聚力对地震位移的影响。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种，它可 解决现有的挡土墙抗震设计方法没有考虑墙体的滑动位移和转动位移或仅考 虑墙体的滑动位移而没有考虑转动位移致使挡土墙的设计许可位移与实际发 生的位移相差很大的问题，以及位移过大、位移估计不足影响挡土墙的使用功 能的问题。本专利技术的目的是由以下步骤实现的步骤一、根据静荷载条件设计挡土墙截面；步骤二、选取墙顶处容许位移为[J]二300^h，其中&为水平向地震系数；步骤三、建立墙体运动方程的数学模型，通过对墙体运动方程进行数值积分计算出墙体转角e和水平向滑动位移JC，墙体的运动方程如下-jw w/jJi丄& 0 Jjfc丄、0 X J mj^— i^)cos(5 + or) j一附/z / + w//2」K 0 c- K 0 、 W — l附/^g+CP;1￡ —其中上述方程中m为墙体质量，/为墙体转动惯量，i/为墙体高度，A为 墙体重心高度，e为重心到墙踵的水平距离，为墙背倾角，为填土坡角， 《为墙和填土间摩擦角，&为地基提供的抗滑移刚度系数，^为地基抗转动刚度系数，c,为滑移阻尼系数，cv为转动阻尼系数，Xg为工程场地地震安全性评价提供的加速度时程，户必为地震主动土压力，尸力为静主动土压力。建立地震主动土压力的数学模型，地震主动土压力P^具体计算公式如下:2服cos a、1+ ■cos(a + 5 + ^ — / ) cos(a + / )^ if cos (a + 3 + / ) sin - P - / )— l cos ( - / ) g cos+ c sin (a + 5 —々)L =—,——^-^-^-^ +-^-汇cosacos(a + <5 + p)cos(a + 5 + 0 — / )+&2 =.cos ( - >5) cos ( + 5 ++ sin + 5) sin — ^ -cosacos2+ 3 + 0 — yff)^os(a-〃)cos(ar + (J + 0 — 〃)其中P为地震角，P二tan^， &为水平向地震系数；《为填土上作用的 均布超载，r为填土重度，0为填土内摩擦角，c为填土粘聚力，A为墙背与 填土之间的粘聚力；E。、 5。、 &。。 &。2为与墙土体系几何物理参数以及地震 动有关的系数。步骤四'、建立墙顶处地震计算位移的数学模型」二x+《/f,得出墙顶处 地震计算位移」；步骤五、比较墙顶处地震计算位移J与容许位移[4 ]，如果^〉[a]，增 加挡土墙底边宽度W，重新回到以上所述步骤进行计算，如此循环，直到」《 [」]为止。本专利技术的优点体现在一 、本专利技术克服了现有设计方法仅考虑墙体水平向滑动位移和不考虑填土 粘聚力的不足。运动方程考虑了墙体的滑移和转动的耦合运动，数值积分后 既可以得到滑动位移，又可以得到转动位移；二、 通过引入粘性填土的地震土压力公式，考虑填土粘聚力对地震位移的 作用，从而使本方法适用于更广泛工况，更接近工程实际；三、 由手运动方程只有两个自由度，相比于复杂的有限元方法计算量小得 多，便于工程设计使用。附图说明图l是本专利技术的流程示意图，图2是挡土墙参数示意图，图3是具体实施 方式三的挡土墙截面图。具体实施方式具体实施方式一本实施方式的 是按照以下步骤实现的步骤一、根据静荷载条件设计挡土墙截面；步骤二、选取墙顶处容许位移为[」]=300*& (单位mm)，其中&为 水平向地震系数；所述[」]=300*^是按照欧洲规范Eurocode-8的相关建议 确定的；步骤三、建立墙体运动方程的数学模型，通过对墙体运动方程进行数值积 分计算出墙体转角P和水平向滑动位移jc，墙体的运动方程如下<formula>formula see original document page 6</formula>其中上述方程中m为墙体质量，/为墙体转动惯量，i/为墙体高度，/2为 墙体重心高度，e为重心到墙踵的水平距离，为墙背倾角，^为填土坡角， 《为墙和填土间摩擦角，&为地基提供的抗滑移刚度系数，^为地基抗转动 刚度系数，c,为滑移阻尼系数，cv为转动阻尼系数，xg为工程场地地震安全性评价提供的加速度时程，户w为地震主动土压力，/^为静主动土压力。建立地震主动土压力的数学模型，地震主动土压力P^具体计算公式如下<formula>formula see original document page 7</formula>^。2在尸^计算公式中若/>=0，则尸^=&。其中^为地震角，P二tan&， &为水平向地震系数；g为填土上作用的 均布超载，r为填土重度，^为填土内摩擦角，c为填土粘聚力，A:为墙背与 填土之间的粘聚力；K。、 &。、 &。。 &。2为与墙土体系几何物理参数以及地震 动有关的系数。步骤四'、建立墙顶处地震计算位移的数学模型^二X+^/,得出墙顶处 地震计算位移」；步骤五、比较墙顶处地震计算位移」与容许位移[」]，如果zl〉[zl]，增 加挡土墙底边宽度w，重新回到以上所述步骤进行计算，如此循环，直到J《[」]为止。具体实施方式二本实施方式在步骤五中将挡土墙底边宽度w增加 300mm。比较墙顶处地震计算位移zl与容许位移[」]，如果计算位移超出容许 位移，将挡土墙底边宽度w增加300mm后再重新回到上一步计算，可快速达 到设计目的，减少验算次数。当挡土墙底边宽度w增加后，墙体质量m、墙体转动惯量/、墙体重心高度/2均应再重新计算，这是本领域技术人员的基本 常识。其它步骤与具体实施方式一相同。具体实施方式三如图3所示，运用本专利技术方法设计的挡土墙截面，当挡 土墙的上边宽度取500mm，墙体高度取6000 mm时，最终算出挡土墙底边宽度 为3900 mm。素混凝土重力式挡土墙高6m，墙体重度25kN/m3，地基土重度19 kN/m3，内摩擦角35° ，孔隙比0. 45，含水量10%,泊松比0. 3;填土重度22 kN/m3， 内摩擦角33。，粘聚力llkPa本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于地震位移的重力式挡土墙的设计方法，其特征在于它是按照以下步骤实现的：步骤一、根据静荷载条件设计挡土墙截面；步骤二、选取墙顶处容许位移为［Δ］＝３００.ｋ↓［ｈ］，其中ｋ↓［ｈ］为水平向地震系数；步骤三、建立墙体运动方程的数学模型，通过对墙体运动方程进行数值积分计算出墙体转角θ和水平向滑动位移ｘ，墙体的运动方程如下：＊＊＊其中上述方程中ｍ为墙体质量，Ｉ为墙体转动惯量，Ｈ为墙体高度，ｈ为墙体重心高度，ｅ为重心到墙踵的水平距离，α为墙背倾角，β为填土坡角，δ为墙和填土间摩擦角，ｋ↓［ｓ］为地基提供的抗滑移刚度系数，ｋ↓［φ］为地基抗转动刚度系数，Ｃ↓［ｓ］为滑移阻尼系数，Ｃ↓［φ］为转动阻尼系数，ｘ↓［ｇ］为工程场地地震安全性评价提供的加速度时程，Ｐ↓［ＡＥ］为地震主动土压力，Ｐ↓［Ａ］为静主动土压力。建立地震主动土压力的数学模型，地震主动土压力Ｐ↓［ＡＥ］具体计算公式如下：＊＊＊其中ρ为地震角，ρ＝ｔａｎ↑［－１］ｋ↓［ｈ］，ｋ↓［ｈ］为水平向地震系数；ｑ为填土上作用的均布超载，γ为填土重度，φ为填土内摩擦角，ｃ为填土粘聚力，ｋ为墙背与填土之间的粘聚力；＊↓［ｓａ］、＊↓［ｓａ］、Ｋ↓［ｓａ１］、Ｋ↓［ｓａ２］为与墙土体系几何物理参数以及地震动有关的系数。步骤四、建立墙顶处地震计算位移的数学模型：Δ＝ｘ＋θＨ，得出墙顶处地震计算位移Δ；步骤五、比较墙顶处地震计算位移Δ与容许位移［Δ］，如果Δ＞［Δ］，增加挡土墙底边宽度ｗ，重新回到以上所述步骤进行计算，如此循环，直到Δ≤［Δ］为止。...

【技术特征摘要】
1、一种基于地震位移的重力式挡土墙的设计方法，其特征在于它是按照以下步骤实现的步骤一、根据静荷载条件设计挡土墙截面；步骤二、选取墙顶处容许位移为[Δ]＝300·kh，其中kh为水平向地震系数；步骤三、建立墙体运动方程的数学模型，通过对墙体运动方程进行数值积分计算出墙体转角θ和水平向滑动位移x，墙体的运动方程如下<math-cwu><![CDATA[<math> <mrow><mfenced open='[' close=']'> <mtable><mtr> <mtd><mi>m</mi> </mtd> <mtd><mi>mh</mi> </mtd></mtr><mtr> <mtd><mi>mh</mi> </mtd> <mtd><mi>I</mi><mo>+</mo><msup> <mi>mh</mi> <mn>2</mn></msup> </mtd></mtr> </mtable></mfenced><mfenced open='{' close='}'> <mtable><mtr> <mtd><mover> <mi>x</mi> <mrow><mo>&CenterDot;</mo><mo>&CenterDot;</mo> </mrow></mover> </mtd></mtr><mtr> <mtd><mover> <mi>&theta;</mi> <mrow><mo>&CenterDot;</mo><mo>&CenterDot;</mo> </mrow></mover> </mtd></mtr> </mtable></mfenced><mo>+</mo><mfenced open='[' close=']'> <mtable><mtr> <mtd><msub> <mi>c</mi> <mi>s</mi></msub> </mtd> <mtd><mn>0</mn> </mtd></mtr><mtr> <mtd><mn>0</mn> </mtd> <mtd><msub> <mi>c</mi> <mi>&phi;</mi></msub> </mtd></mtr> </mtable></mfenced><mfenced open='{' close='}'> <mtable><mtr> <mtd><mover> <mi>x</mi> <mo>&CenterDot;</mo></mover> </mtd></mtr><mtr> <mtd><mover> <mi>&theta;</mi> <mo>&CenterDot;</mo></mover> </mtd></mtr> </mtable></mfenced><mo>+</mo><mtable> <mtr><mtd> <mrow><mfenced open='[' close=']'> <mtable><mtr> <mtd><msub> <mi>k</mi> <mi>s</mi></msub> </mtd> <mtd><mn>0</mn> </mtd></mtr><mtr> <mtd><mn>0</mn> </mtd> <mtd><msub> <mi>k</mi> <mi>&phi;</mi></msub> </mtd></mtr> </mtable></mfenced> </mrow></mtd> </mtr></mtable><mfenced...

【专利技术属性】
技术研发人员：陶夏新，王福彤，陈宪麦，陈学良，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：93[中国|哈尔滨]