土力学与地基基础 教学配套课件 陈晋中 第5章 土压力与土坡稳定分析.pdf

边坡工程边坡工程 土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础 陈晋中陈晋中陈晋中 陈晋中 主主主 主 编编编编 陈晋中陈晋中陈晋中 陈晋中 刘燕宁刘燕宁刘燕宁 刘燕宁 魏党生魏党生魏党生 魏党生 陈剑波陈剑波陈剑波 陈剑波 邵明波邵明波邵明波邵明波 蔡蔡蔡 蔡 宁宁宁 宁 康会宾康会宾康会宾 康会宾 朱艳丽朱艳丽朱艳丽 朱艳丽 吴卫祥吴卫祥吴卫祥 吴卫祥 何东秋何东秋何东秋何东秋 编编编 编 写写写写 尚 辅 教 学 配 套 课 件 6/5 第第5章 土压力与土坡稳定分析章 土压力与土坡稳定分析 本章学习要求：本章学习要求： 了解土压力的基本概念；了解土压力的基本概念； 熟悉土压力的计算理论、计算方法，学会运用土压力 的计算理论进行一般重力式挡土墙的设计； 熟悉土压力的计算理论、计算方法，学会运用土压力 的计算理论进行一般重力式挡土墙的设计； 了解土坡稳定分析的理论与方法；了解土坡稳定分析的理论与方法； 难点是对土压力理论的理解，学会判别朗肯土压力理 论与库仑土压力理论之间的关系，学会运用土压力理 论解决实际问题 。 难点是对土压力理论的理解，学会判别朗肯土压力理 论与库仑土压力理论之间的关系，学会运用土压力理 论解决实际问题 。 尚 辅 教 学 配 套 课 件 6/5 土压力土压力通常是指挡土墙后的填土因自重或外荷载作用 对墙背产生的侧压力。 通常是指挡土墙后的填土因自重或外荷载作用 对墙背产生的侧压力。 e 填土面 码头 填土面 码头 桥台桥台 e 隧道侧墙隧道侧墙 e .1 土压力概述.1 土压力概述 尚 辅 教 学 配 套 课 件 6/5 一、土压力的类型 一、土压力的类型 ： 主动土压力主动土压力 土 压 力土 压 力 被动土压力被动土压力静止土压力静止土压力 ( b ) e0 ea ( a ) ( c ) ep 尚 辅 教 学 配 套 课 件 6/5 二、土压力的影响因素土压力的影响因素 1. 挡土墙的位移方向和位移量； 2. 挡土墙的形状、墙背的光滑程度和结构形 式； 3. 墙后填土的性质。 包括填土的重土、含水量、内摩擦角和粘聚 力的大小及填土面的倾斜程度 。 尚 辅 教 学 配 套 课 件 6/5 相同的墙高和填土条件下： 主动土压力 静止土压力 被动土压力 即：eaeoep，p a ep eo ea +墙后移 墙前移 e(土侧压力） ap 图 8 - 3 土 压 力 与 墙 身 位 移 的 关 系 5 尚 辅 教 学 配 套 课 件 6/5 5 5- -2 2 土压力的计算土压力的计算土压力的计算土压力的计算 .2.1 静止土压力计算.2.1 静止土压力计算 作用在挡土结构背面 的静止土压力可视为 天然土层自重应力的 水平分量。 作用在挡土结构背面 的静止土压力可视为 天然土层自重应力的 水平分量。 静止土压力强度： 静止土压力为： 静止土压力强度： 静止土压力为： h h/3 k0 h oo khe 2 2 1 zkp oo oo khe 2 2 1 尚 辅 教 学 配 套 课 件 6/5 5.2.2 5.2.2 朗肯土压力理论朗肯土压力理论朗肯土压力理论朗肯土压力理论 朗肯土压力理论基本假定： 挡土墙墙背竖直 墙背光滑 墙后填土面水平 处于主动朗肯状态，1方向竖直，剪切破 坏面与竖直面夹角为45o-/2 处于被动朗肯状态，3方向竖直，剪切破 坏面与竖直面夹角为45o/2 尚 辅 教 学 配 套 课 件 6/5 朗肯土压力理论的基本原理朗肯土压力理论的基本原理朗肯土压力理论的基本原理朗肯土压力理论的基本原理 tg c f a o 主动状态 被动状态 xmin =ea x =k0 z z xmax =ep 尚 辅 教 学 配 套 课 件 6/5 （一）朗肯主动土压力（一）朗肯主动土压力 根据土的强度理论，当土体中某点处于极限平衡 状态时，大、小主应力与的关系式如下： 主动土压力强度： 主动土压力系数： 200 13 tan (45)2 tan(45) 22 c 200 31 tan (45)2 tan(45) 22 c 2 axaa zkc k 20 tan (45) 2 a k 尚 辅 教 学 配 套 课 件 6/5 朗 肯 主 动 土 压 力 分 布 ea ea h/3 rhka ea (h-z)/3 rhka z0 (a)主动土压力图 (b)无粘性土 (c)粘性土 (a)主动土压力图 (b)无粘性土 (c)粘性土 0 2 a c z k 尚 辅 教 学 配 套 课 件 6/5 朗肯主动土压力朗肯主动土压力 无粘性土的主动土压力强度与z成正比，沿 墙高的压力呈三角形分布，则主动土压力计 算式为: 粘性土的主动土压力强度与z成正比，则主 动土压力的大小为: 2 1 2 aa eh k 图形的面积大小 ea通过三角形形 心，即作用在距墙 底h/3的位置 利用力 矩法 尚 辅 教 学 配 套 课 件 6/5 （二）朗肯被动土压力（二）朗肯被动土压力 朗肯被动土压力强度p为 ： 其中：kp为被动土压力系数； c填土的粘聚力(kpa)，粘性土c0， 而无粘性土c=0。 则其总被动土压力为： 2 ppp zkc k20 tan (45) 2 p k 2 1 2 2 ppp eh kch k 尚 辅 教 学 配 套 课 件 6/5 5.2.3 库仑土压力理论库仑土压力理论 库仑土压力理论是根据墙后土体处于极 限平衡状态并形成一滑动碶体时,从碶体的 静力平衡条件得出的土压力计算理论。 基本假定为： 墙后填土是理想的散粒体，墙后填土为无粘 性土（粘聚力c=0）； 滑动碶体为刚体； 滑动破裂面为通过墙踵的平面 。 尚 辅 教 学 配 套 课 件 6/5 （一）库仑主动土压力（一）库仑主动土压力 按 库 仑 理 论 求 主 动 土 压 力 按 库 仑 理 论 求 主 动 土 压 力 g r e g r e a d b 尚 辅 教 学 配 套 课 件 6/5 1.土楔体的自重 ； 2.破坏面上的反力 1.土楔体的自重 ； 2.破坏面上的反力r r； 3.墙背对土楔体的反力 ； 3.墙背对土楔体的反力e e； 由土楔体的由土楔体的静力平衡条件静力平衡条件得：得： gabd sin() sin() eg 2 2 1cos() cos() sin() 2cossin() sin eh 作用在墙背上的土压力作用在墙背上的土压力 作用于土楔上的力：作用于土楔上的力： 尚 辅 教 学 配 套 课 件 6/5 库仑主动土压力的一般表达式：库仑主动土压力的一般表达式： 2 2 2 2 1cos () 2 sin()sin() coscos() 1 cos()cos() a eh 或或 aa khe 2 2 1 0 d deemax所对应的挡土墙后填土的破坏 角 所对应的挡土墙后填土的破坏 角 cr，即为真正滑动面的倾角。，即为真正滑动面的倾角。 库仑主动土压力库仑主动土压力 尚 辅 教 学 配 套 课 件 6/5 库仑主动土压力库仑主动土压力 库仑主动土压力强度沿墙高呈库仑主动土压力强度沿墙高呈三角形分 布 三角形分 布，主动土压力的作用点在，主动土压力的作用点在距墙底距墙底h h/3处/3处。 当墙背垂直、光滑，填土面水平时，库仑 主动土压力的一般表达式与朗肯公式相同。 。 当墙背垂直、光滑，填土面水平时，库仑 主动土压力的一般表达式与朗肯公式相同。 aa khe 2 2 1 尚 辅 教 学 配 套 课 件 6/5 （二）库仑被动土压力（二）库仑被动土压力 按求主动土压力同样的原理可求得被 动土压力的库仑公式为： 按求主动土压力同样的原理可求得被 动土压力的库仑公式为： 2 2 2 2 )cos()cos( )sin()sin( 1)cos(cos )(cos 2 1 hep 尚 辅 教 学 配 套 课 件 6/5 库仑被动土压力强度沿墙高呈库仑被动土压力强度沿墙高呈三角形分 布 三角形分 布，被动土压力的作用点在，被动土压力的作用点在距墙底距墙底h h/3处/3处。 ) 2 45( 2 1 22 tghe p 当墙背垂直、光滑，填土面水平时，库仑被 动土压力的一般表达式与朗肯公式相同。 当墙背垂直、光滑，填土面水平时，库仑被 动土压力的一般表达式与朗肯公式相同。 库仑被动土压力库仑被动土压力 尚 辅 教 学 配 套 课 件 6/5 5-3 挡土墙的设计挡土墙的设计 挡土墙的设计包括： 墙型的选择； 稳定性验算； 地基承载力验算； 墙身材料强度的验算； 构造要求和构造措施。 尚 辅 教 学 配 套 课 件 6/5 5.3.1 挡土墙的类型挡土墙的类型 1、重力式挡土墙： 一般由块石或者素混 凝土砌筑而成； 结构简单，施工方 便，取材较容易； 是一种应用较广泛的 挡土墙。 墙顶 墙基 墙趾 墙面 墙背 墙顶 墙基 墙趾 墙面 墙背 尚 辅 教 学 配 套 课 件 6/5 挡土墙的类型挡土墙的类型 2、悬臂式挡土墙： 由墙踵悬臂上的土重维护 墙体内部拉应力由钢筋承受。 钢筋混凝土的受力特性能够被 充分利用 墙身截面尺寸小 在市政工程中常用 墙趾墙踵 立壁 钢筋 墙趾墙踵 立壁 钢筋 尚 辅 教 学 配 套 课 件 6/5 挡土墙的类型挡土墙的类型 3、扶臂式挡土墙： 立壁挠度较大； 扶臂间填土可增加 抗滑和抗倾覆能 力； 一般用于重要的大 型土建工程。 墙趾 墙踵 扶壁 墙趾 墙踵 扶壁 尚 辅 教 学 配 套 课 件 6/5 挡土墙的类型挡土墙的类型 4、锚定板与锚杆式挡土墙： 挡土墙的稳定性由拉杆和锚定板保证。 由伸入岩层的锚杆承受土压力的挡土墙结 构。 墙板 锚定板 墙板 锚定板 基岩 锚杆 基岩 锚杆 尚 辅 教 学 配 套 课 件 6/5 5.3.2 重力式挡土墙的计算重力式挡土墙的计算 稳定性验算 抗倾覆稳定 抗滑稳定 地基承载力验算 墙身强度验算 尚 辅 教 学 配 套 课 件 6/5 1、稳定性验算 （1）抗倾覆稳定性验 算： 要保证挡土墙在土压力 的作用下不发生绕墙趾 o点的倾覆，必须要求 抗倾覆安全系数kt满足 要求： 墙 趾 图 图 8-11 8-11 挡 土 墙 的 抗 倾 覆 稳 定 性 o 挡 土 墙 的 抗 倾 覆 稳 定 性 o h h ea x xo o g z g zf f z z 0 墙 踵 b b x xf f 0 1.6 azf t axf gxe x k e z 5 尚 辅 教 学 配 套 课 件 6/5 （2）抗滑移稳定性验算： 在土压力的作用下， 挡土墙也可沿基础底 面发送滑动。因此要 求基底的抗滑安全系 数，即： () 1.3 nan s att ge k eg o o ea g g 0 b h b h ean eat 尚 辅 教 学 配 套 课 件 6/5 2.地基承载力验算 基底平均应力pf 基底最大压应力pmax1.2f f为地基承载 力设计值 为地基承载 力设计值 挡土墙在自重及土压力的 垂直分力作用下，基底压力按线 性分布。其验算方法及要求完全 同如天然地基浅基础验算。 尚 辅 教 学 配 套 课 件 6/5 3.墙身材料强度的验算 根据墙身材料分别按砌体结构、素混凝土 结构或钢筋混凝土结构的有关计算方法进行。 挡土墙墙身材料强度应该满足混凝土 结构设计规范（gb500102002）和 砌体结构设计规范（gb50003- 2001）的规定 。 尚 辅 教 学 配 套 课 件 6/5 5.3.3 重力式挡土墙的构造措施重力式挡土墙的构造措施 重力式挡土墙根据墙背的倾角不同可分为: 仰斜式、垂直式、俯斜式、衡重式。仰斜式、垂直式、俯斜式、衡重式。 (a)直立式(b)俯斜式 (c)仰斜式 (d)衡重式 (a)直立式(b)俯斜式 (c)仰斜式 (d)衡重式 尚 辅 教 学 配 套 课 件 6/5 挡土墙的排水设施 应该设置泄水孔，其间距 宜取23m,外斜5%，孔眼 尺寸宜100； 墙后要做好反滤层和必要 的排水盲沟； 在墙顶地面宜铺设防水 层； 当墙后有山坡时，还应当 在坡下设置截水沟。 滤水层 泄水孔 夯实厚300mm 黏土夯实 h h 图 8-14 挡 土 墙 排 水 设 置图 8-14 挡 土 墙 排 水 设 置 盲沟 5 尚 辅 教 学 配 套 课 件 6/5 5-4土坡稳定分析土坡稳定分析 土坡一般分为： 天然土坡 人工土坡 影响土坡稳定性的因素有： 土的抗剪强度； 土坡作用力的变化； 水压力的作用。 尚 辅 教 学 配 套 课 件 6/5 5.4.1 无粘性土坡稳定分析无粘性土坡稳定分析 如图所示的无粘性土坡，坡角，土的内摩擦 角 ，取坡面的任一单元重力w，可得： 坡面的滑动力： 坡面的法向分力： 由n引起的摩擦力： 稳定安全系数： 坡角 t g n t 坡 顶 坡脚 坡