挡土结构物及土压力讲义PPT(80页)

1、土压力计算排水管排水孔混凝土墙土工织物反滤砂砾石料第二章挡土墙 Retaining wall土压力Earth pressure土压力Earth pressure土2.1 概述2.2 静止土压力计算2.3 朗肯(Rankine)土压力理论2.4 库仑(Coulomb)土压力理论2.5 土压力问题的讨论2.6 工程中挡土墙的土压力计算本章目录2.1 概述什么是挡土结构物 Retaining structure什么是土压力 Earth pressure影响土压力的因素一、 挡土结构物（挡土墙）及土压力挡土结构物：用来支撑天然或人工斜坡不致坍塌以保持土体稳定性，或使部分侧向荷载传递分散到填土上的一种结

2、构物。 2.1概述支撑天然斜坡E拱桥桥台E挡土墙上的土压力：由于土体自重、土上荷载或结构物的侧向挤压作用，挡土结构物所承受的来自墙后填土的侧向压力。挡土墙类型（按刚度及位移方式）: 刚性挡土墙 柔性挡土墙锚杆板桩板桩变形 2.1概述刚性挡土墙：本身变形极小，只能发生整体位移 重力式悬臂式扶壁式 锚拉式 2.1概述Rigid wall支撑天然斜坡E地下室侧墙E填土E填土堤岸挡土墙拱桥桥台E 2.1概述挡土墙浆砌块石 2.1概述护坡桩形成的挡土结构 2.1概述土工格栅加筋建成56.5m高的加筋挡土墙 2.1概述 2.1概述加筋土挡墙 2.1概述 2.1概述 2.1概述 2.1概述柔性挡土墙：本身会

3、发生变形，墙上土压力分布形式复杂锚杆板桩板桩变形板桩上土压力 实测 计算板桩锚杆基坑支撑上的土压力变形土压力分布 2.1概述本部分要讨论的中心问题刚性挡土墙上的土压力性质及土压力计算，包括土压力的大小、方向、分布及合力作用点。 2.1概述3.被动土压力（Passive earth pressure)二、 土压力的种类1.静止土压力（Earth pressure at rest)2.主动土压力（Active earth pressure)岩石拱桥桥台 2.1概述墙体位移与土压力类型 2.1概述静止土压力H+- = H土压力EEpE0Ea- H15%15%0d =D/H=0 地下室 E=E0地下室

4、侧墙E填土 2.1概述主动土压力墙体外移，土压力逐渐减小，当土体破坏，达到极限平衡状态时所对应的土压力(最小)EH+土压力EEpE0Ea- H = H15%15%0 2.1概述被动土压力墙体内移，土压力逐渐增大，当土体破坏，达到极限平衡状态时所对应的土压力(最大)土压力EEpE0Ea- H = H15%15%0- 2.1概述2.2 静止土压力计算静止土压力墙体不发生任何位移 = 0相当于天然地基土的应力状态（侧限状态） k0 应力状态嵌岩的挡土墙地下室2.2静止土压力计算svsvshp0=shzK0: 静止土压力系数 对于侧限应力状态，理论上：K0=n/(1-n) 对于砂土、正常固结粘土由于土

5、的 n 很难确定，K0 常用经验公式计算静止土压力计算HzE0总静止土压力2.2静止土压力计算形心1/3H2若墙后填土中有地下水，则计算静止土压力时，水中土的重度应 取浮重度2.2静止土压力计算2.3 朗肯土压力理论1 朗肯极限平衡应力状态 自重应力作用下，半无限土体内各点的应力从弹性平衡状态发展为极限平衡状态的情况。3fv=zK0v主动极限平衡应力状态s1s345+f/21fv=zK0v被动极限平衡应力状态 2.3 朗肯土压力理论s1s3s3s145-f/22 朗肯土压力计算假定： 墙背垂直光滑，填土表面水平Hsvsh于是： sv、 sh为主应力，且sv=zz 2.3 朗肯土压力理论朗肯主动

6、土压力计算填土为无粘性土（砂土）s145+f/2竖向应力为大主应力水平向应力为小主应力无粘性土的极限平衡条件z于是：主动土压力强度pa=3fv=zK0v pa=s3 2.3 朗肯土压力理论s145+f/2 pa=s3z主动土压力强度朗肯主动土压力系数总主动土压力 2.3 朗肯土压力理论朗肯主动土压力计算填土为无粘性土（砂土）朗肯主动土压力计算填土为粘性土竖向应力为大主应力水平向应力为小主应力粘性土的极限平衡条件于是：主动土压力强度pa=3fv=zK0v 2.3 朗肯土压力理论主动土压力强度朗肯主动土压力系数负号45+f/2z0z0zz0 zz0 2.3 朗肯土压力理论朗肯主动土压力计算填土为粘

7、性土HEa总主动土压力z0 2.3 朗肯土压力理论朗肯主动土压力计算填土为粘性土例题朗肯被动土压力计算填土为无粘性土（砂土）竖向应力为小主应力水平向应力为大主应力45-f/2无粘性土的极限平衡条件于是：被动土压力强度pp=1fv=zK0v pp=s1s3z 2.3 朗肯土压力理论45-f/2 pp=s1s3z被动土压力强度朗肯被动土压力系数总被动土压力 2.3 朗肯土压力理论朗肯被动土压力计算填土为无粘性土（砂土）朗肯被动土压力计算填土为粘性土竖向应力为小主应力水平向应力为大主应力粘性土的极限平衡条件于是：被动土压力强度pp=1fv=zK0v 2.3 朗肯土压力理论朗肯被动土压力计算填土为粘性

8、土被动土压力强度朗肯被动土压力系数正号EpH总被动土压力 2.3 朗肯土压力理论小结：朗肯土压力理论墙背垂直光滑主动和被动极限平衡条件砂土和粘性土1fv=zK0vs1s345-f/245+f/23fs1s3 2.3 朗肯土压力理论粘性土的主动土压力HEa不支护直立开挖的最大深度z0 2.3 朗肯土压力理论主动土压力系数被动土压力系数静止土压力系数 2.3 朗肯土压力理论2.4 库仑土压力理论墙背倾斜、粗糙、填土倾斜时？库仑土压力理论库仑C. A. Coulomb(1736-1806)墙背倾斜，具有倾角墙背粗糙，与填土摩擦角为填土表面有倾角出发点：平面滑裂面假设：滑裂面为平面假设条件：刚体滑动假

9、设：破坏土楔为刚体，滑动楔体整体处于极限平衡状态 2.4 库仑土压力理论ACHB无粘性土的主动土压力WER WRE- =90- 、E 2.4 库仑土压力理论EEa库仑主动土压力系数Ea特例：=0，即墙背垂直光滑，填土表面水平时，与朗肯理论等价 土压力分布：三角形分布 2.4 库仑土压力理论ABCH无粘性土的被动土压力WRE + =90+- 、EWER 2.4 库仑土压力理论EEp库仑被动土压力系数土压力分布：三角形分布 2.4 库仑土压力理论图解法当 填土表面不是平面时 2.4 库仑土压力理论库尔曼（Culmann）图解法W方向Ea方向=90- 2.4 库仑土压力理论粘性填土的土压力W中包括B

10、CDE 2.4 库仑土压力理论 2.5 土压力问题的讨论1 、分析方法E朗肯理论库仑理论土体内各点均处于极限平衡状态：极限应力法刚性楔体，滑面上处于极限平衡状态：滑动楔体法先求土压力强度p先求总土压力E极限平衡状态两种土压力理论的比较 2.5 土压力问题的讨论朗肯理论库仑理论 墙背条件墙背光滑竖直 墙背可以是倾斜粗糙的 填土条件填土水平填土表面为水平或者倾斜的E2 、应用条件3 计算误差朗肯土压力理论 WREaEa实际0WREpEp 主动土压力 偏大 被动土压力 偏小 2.5 土压力问题的讨论3 计算误差库仑土压力理论 实际滑裂面不一定是平面 主动土压力 偏小 被动土压力 偏大滑动面滑动面主动

11、土压力搜索得到的不一定是最大值被动土压力搜索得到的不一定是最小值 2.5 土压力问题的讨论对于无粘性土，朗肯理论由于忽略了墙背面的摩擦影响，计算的主动土压力偏大，用库伦理论则比较符合实际。但是，在工程设计中由于考虑到朗肯计算公式简便，误差偏于安全方面，常用朗肯计算。 对于有粘聚力的粘性填土，用朗肯土压力公式可以直接计算，用库仑理论却不能计算，往往用折减内摩擦角的办法考虑粘聚力的影响，误差可能较大。 计算被动土压力用假定平面破坏面的库仑理论，误差太大，用朗肯理论计算，误差相对小一些，但也是偏大的。 在实际工程问题中，土压力计算是比较复杂的。计算误差结论 工程中使用被动土压力较少。因为所需相对位移

12、太大 2.5 土压力问题的讨论三种典型土压力在实际工程中的应用对于一般的挡土墙，土压力通常都可按主动土压力计算。对于直接浇注在基岩上的挡土墙在设计中常将主动土压力增大25作为计算的土压力，如图所示。填土压实，土压力将增大，甚至可能超过静止土压力。被动土压力发生在墙向填土方向的位移比较大的情况，要求位移量达到墙高的0.02到0.05。这样大的位移是工程中所不允许的。因此，在验算挡土墙的稳定性时，不能全部采用被动土压力的数值，通常取其30。 2.5 土压力问题的讨论挡土墙位移对土压力的影响若墙的下端不动，上端向外移动，压力为直线分布，总应力作用在墙底面上H/3处，如图(a)所示。当上端的移动达到相

13、当数值时，填土发生破坏，此时作用在墙上的土压力为主动土压力。 若墙的上端不动下端向外移动时，位移的大小不能使填土发生主动破坏，压力为曲线分布。总应力作用在墙底面以上H/2处，如图（b）所示。 若墙的上端和下端都向外移动，位移的大小未使填土发生主动破坏，压力也是曲线分布，如图（c）所示，总应力作用在H/2附近。当位移超过图（a）上端转动所发生的主动破坏的位移时，填土中也将发生主动破坏，压力成为直线分布，压力作用点降至H/3处。 2.5 土压力问题的讨论2.6 工程中挡土墙的土压力计算 几种常见的土压力计算1. 填土上有荷载2. 成层填土情况3. 填土中有水4. 坦墙5. 折线墙背面上的土压力6.

14、开挖情况下的土压力7. 地震时的土压力2.6几种常见的主动土压力计算1 填土上有荷载s145+f/2pa=3fv=z+qK0vz pa=s3q朗肯土压力理论1 填土上有荷载库仑土压力理论2.6几种常见的主动土压力计算局部荷载朗肯理论 2.6几种常见的主动土压力计算局部荷载库仑理论 WERqWREaEaQ2.6几种常见的主动土压力计算2 成层填土情况g1 f1 c1g2 f2 c2H1H22.6几种常见的主动土压力计算f2 f1c1= c2=0 时g2 f2 H1H2g1 f1 f1 = f2 时 g2 g1 g2 0c1 0 c2 = 0c1、 c2不为0 时g2 f2 H1H2g1 f1 g

15、1 = g2 f2 = f1 时2.6几种常见的主动土压力计算H1H23 填土中有水水下部分用浮容重土压力土压力 水压力静水情况水压力2.6几种常见的主动土压力计算4 坦墙a acr=45o-f/2(1) 垂直于假设墙面CD上主动土压力 Ea=1/2KaH2 (2) 作用在真实墙面AC上的土压力WEaEa第一滑裂面第二滑裂面WEa2.6几种常见的主动土压力计算crEaW2.6几种常见的主动土压力计算5 折线墙背面上的土压力Ea1dEa2+CABDADCB小挡土墙土压力假设完整挡土墙土压力的一部分2.6几种常见的主动土压力计算6 开挖情况的土压力 在天然地基、天然土坡及老填土中开挖，然后建造挡土

16、墙，若开挖面较陡，墙后填土受到限制而不可能出现库仑理论的破坏面时，则不能用前述公式计算作用在墙背上的土压力。如左图所示，应当考虑开挖线内滑动土体的平衡条件，用力矢三角形图解法求解作用在墙背上的土压力，还要再假定填土性质与开挖线以下的老土性质相同，用前述公式计算作用在墙背上的土压力，取这两种计算中数值较大的一个。如果开挖面较缓，未限制填土中出现库仑理论的破坏面，就按填土的性质计算土压力。 2.6几种常见的主动土压力计算7 地震时的土压力(1)地震惯性力：水平地震系数 Kh = ah /g 水平惯性力W Kh 垂直地震系数 Kv = av /g 垂直惯性力W Kv拟静力法（物部-冈部公式）(2) 虚拟自重WW=W(1-Kv)Secq于是 g = g (1-Kv)Secqtgq = Kh /(1-Kv)2.6几种常见的主动土压力计算(3) 整体绕点B逆时针旋转q(4) 用库仑理论得到地震下动土压力 Eae= (1-Kv)/2g H2Kae式中：Kae = f (q, a, b, f, d)b =b+qa =a+qH =Hcos(a+q )/cos a2.6几种常见的主动