土压力 (2).ppt

第一节土压力,Earthpressure主要研究作用在挡土结构物的土压力的分布规律,第4章土体稳定分析,什么是挡土结构物？是一种防止土体滑坍的支挡（撑）结构物，一般为条形结构的挡土墙，用来保护土坡、基坑、硐壁等土体稳定，使整个建筑物能正常发挥作用。广泛应用于建筑、水利、港口、路桥、边坡等工程中。作用在挡土墙上的主要荷载是土压力。,挡土结构物用途,码头,隧道,支挡边坡的挡土墙,桥台,支撑建筑物周围填土的挡土墙,概述,概述,稳定性问题,垮塌的重力式挡墙,挡土墙类型的型式多样，常见的的挡土墙有重力式扶壁式悬臂式板桩式加筋式等。,4.1.1挡土结构物类型及其土压力4.1.1.1挡土墙类型,重力式(垂直),重力式(仰斜),重力式(俯斜),悬臂式,扶壁式,锚杆式,加筋式,挡土墙的类型,1.重力式挡土墙（1）特点：体积大、靠墙自重保持稳定性；（2）适用：小型工程，墙高H5m；（3）材料：就地取材，砖、石、素混凝土；（4）优点：结构简单，施工方便，应用广；（5）缺点：工程量大，沉降大。,2.悬臂式挡土墙薄壁式挡土墙的稳定主要靠墙踵悬臂以上的土重，墙体内的拉应力由钢筋承担（1）特点：体积小、靠墙后基础上方的土重保持稳定性；（2）适用：重要工程，墙高H5m；（3）材料：砼；（4）优点：工程量小；（5）缺点：费钢材、技术复杂。,3.扶臂式挡土墙（1）特点：为了增强墙的抗弯性能,沿长度方向每隔一定的距离（0.81.0）H设置一道扶臂；（2）适用：重要工程，墙高H10m；（3）材料：砼；（4）优点：工程量小；（5）缺点：技术复杂、费钢材。,4.锚杆式挡土墙锚杆式挡土墙由预制的钢筋混凝土立柱、挡土板构成墙面，与水平或倾斜的钢锚杆联合组成。锚杆的一端与立柱连接，另一端被锚固在山坡深处的稳定岩层或土层中，墙后侧压力由挡土板传给立柱，由锚杆与岩体之间的锚固力，即锚杆的抗拔力，使墙获得稳定。（1）特点：新型结构；（2）适用：一般多用于路堑挡土墙，墙高H=27m；（3）材料：砼、钢材；（4）优点：结构轻柔性大、工程量小造价低、施工方便；（5）缺点：技术复杂。,5.加筋土挡土墙是由填土及布置在填土中的筋带，以及墙面板三部分组成。在垂直墙面的方向，按一定间隔和高度水平的放置拉筋材料，然后填土压实，通过填土与筋带间的摩擦作用，把土的侧压力传给筋带，从而稳定土体。（1）特点：新型结构；（2）适用：适用于填土路基；（3）材料：砼、钢材；（4）优点：结构轻柔性大、对地基变形适应性大，建筑高度大；（5）缺点：技术复杂。,6.土钉墙它也是由钢筋混凝土墙板和设置于土体或岩体中的锚杆组成。锚杆将挡土墙所受的土压力传递到稳定的土体或岩体中去，从而维持挡土墙的稳定。锚定板挡土墙由钢筋混凝土墙板、钢拉杆和锚定板连接而成，然后在墙板和锚定板间填土。作用于墙板上的土压力通过拉杆由锚定板上的土压力平衡。7.板桩墙板桩墙由支护桩和挡土面板组成，常用作深基坑开挖的临时支护。为了提高桩体的稳定性、减少桩向基坑中的位移以及桩体最大弯矩，常在桩体上设置支撑或土体锚杆。,5-22,5-23,加筋挡土墙,混凝土挡土墙及复合排水管,完工,完工,挡土墙按刚度分类,刚性挡土墙,柔性挡土墙,一般指用砖、石、混凝土所构筑而成断面较大的挡土墙；刚度大，土压力的作用下墙仅能发生整体平移或转动，墙身的挠曲变形则可忽略例如：重力式挡土墙,一般指用钢筋混凝土桩或地下连续墙所筑成的断面较小而长度较大的挡土墙。刚度小，墙体在土压力的作用下会发生明显的挠曲变形，因而会影响土压力的大小和分布例如：深基坑支护结构,刚性挡土墙,以砖、石或者混凝土为主要材料建造的构造物称为圬工结构,柔性支护结构,板桩变形,基坑支撑上的土压力,变形,土压力分布,板桩上土压力实测计算,支撑包括横板、立柱、横撑,上海市外环过江隧道基坑支撑,临时支撑,无法打锚杆，相邻建筑物的基础较深,有地下管线,内支撑,概述,锚杆式挡土墙墙高H=27m,铁路路基,其他结构形式,加筋挡土墙,4.1.1.2土压力,什么是土压力？土压力的影响因素？土压力分类?(土压力的种类),土压力是由土体自重或作用在土体上的外力一起对结构物所产生的侧向压力。挡土墙通常是条形结构，土压力可以按平面问题计算，即取单位长度的墙，求该长度上土压力的大小、方向、分布规律及合力的作用点。,影响土压力的因素：土压力的大小及分布与墙后土的性质墙本身的材料所受荷载墙体的位移（包括线位移和角位移）地表形状其中墙体的位移是影响土压力性质的关键因素。土压力分类：据挡土墙的位移情况和墙后土体所处的应力状态，分为三种：静止土压力主动土压力被动土压力,墙体无任何位移时，土体中的应力状态相当于自重应力作用下的应力条件；静止土压力，常用符号p0来表示，其合力用E0表示。,静止土压力,当d=D/H=0时（如地下室）E=E0,在土压力作用下，挡土墙离开土体向前位移至一定数值，墙后土体达到主动极限平衡状态时，作用在墙背的土压力。墙身受墙后填土的作用使墙绕墙背底部转动或平移；土压力将随这种位移的增大而减小；位移达到某一界限值时，土体中要产生滑裂面，墙后土体所处的应力状态称为主动极限平衡状态。主动土压力，常用符号pa来表示，其合力用Ea表示。,主动土压力,Ea,在外力作用下，挡土墙推挤土体向后位移至一定数值，墙后土体达到被动极限平衡状态时，作用在墙上的土压力。墙身因某种作用而向着土体方向移动平移或转动，作用在墙背上的土压力将随这种位移的增大而增大。当位移达到某一界限值时，土体将出现滑动面，这时墙后土体所处的应力状态称为被动极限平衡状态。被动土压力，常用符号pp来表示，合力用Ep表示。,被动土压力,Ep,试验表明：挡土墙所受到的土压力类型，首先取决于墙体是否发生位移以及位移方向；(2)挡土墙所受土压力的大小随位移量而变化，并不是一个常数；(3)主动和被动土压力是特定条件下的土压力，仅当墙有足够大位移或转动时才能产生。,三种土压力之间的关系,-,+,对同一挡土墙，在填土的物理力学性质相同的条件下有以下规律：,1.EaEoEp2.PaPoPp3.pa,墙身位移与土压力关系,挡土墙的位移方向以及位移量的大小直接影响着土压力的性质和大小。,静止土压力:当墙体没有产生任何位移，墙后土体处于弹性平衡状态时作用在墙上的土压力。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。,总静止土压力,计算公式：,4.1.2静止土压力计算,K0h,z,K0z,h/3,静止土压力系数,静止土压力分布,三角形分布随深度线性增加,土压力作用点,作用点距墙底h/3,土体内每一竖直面都是对称面，地面下深度z处的M点在自重作用下，垂直截面和水平截面上的剪应力均为零，该点处于弹性平衡状态（静止土压力状态），其大小为：,用1、3作摩尔应力圆，如左图所示。其中3（x）即为静止土压力强度。,若墙后土体内有地下水，计算静止土压力时，水下土应考虑水的浮力作用，对于透水性的土应采用浮重度计算，同时考虑作用在挡土墙上的静水压力,均匀土静止土压力的分布（有地下水）,有地下水时的情况,特殊情况下静止土压力强度p0的计算,对于成层土和有超载情况，第n层土底面处静止土压力强度p0可按下式计算：,（8.2.6）,式中，计算点以上第层土的重度（）；,计算点以上第层土的厚度；,计算点所在土层（第层土）的静止土压力系数；,填土面上的均布荷载。,对于墙后有地下水情况，地下水位以下对于透水性较好的土应采用有效重度计算，同时考虑作用于挡土墙上的静水压力。对于透水性较差的土采用饱和重度来计算，所得到的是水土总压力强度。,静止土压力系数K0,据理论公式计算：,试验确定：室内三轴试验或应力路径三轴仪测得；现场旁压试验。缺乏试验资料时，可据经验公式计算：规范所给出的静止土压力系数的参考值。,【例题】计算作用在图上所示挡土墙上的静止土压力分布值及其合力。,按公式计算土中各点静止土压力p0值,【解】按式计算静止土压力系数K0,基本原理：Rankine(1857)将土作为半无限空间体用自重作用下土体中各点达到极限平衡状态时的应力条件来计算土压力。,假设：表面水平的半无限土体处于极限平衡状态。把垂线AB左侧的土体换成一个具有垂直光滑墙背的挡土墙，则作用在挡土墙上的土压力等于原来作用在垂线AB上的水平法向应力。,4.1.3朗肯土压力理论,朗肯理论的适用条件：1、墙后填土为均质、各向同性；2、墙后填土延伸到无限远处；3、填土表面水平；4、墙背垂直光滑（墙与垂向夹角=0，墙与土的摩擦角=0）。,根据墙的位移方向与大小，可设想半无限土体中产生水平向的拉伸膨胀与压缩，以致产生主动的和被动的两种极限平衡状态相应的土压力。,4.1.3.1主动土压力,假设：土体在水平反复均匀地拉伸膨胀，直到达到极限平衡状态，该应力状态称为朗肯主动状态，由极限平衡条件可导出主动土压力的计算公式。,3=K01,1,3,f=c+tan,A,A,B,无粘性土:当土体达到主动极限平衡状态时，有,主动土压力,自重应力,主动土压力系数,作用点距离墙脚H/3处。,主动土压力方向：垂直于墙背分布：沿墙高呈三角形分布,总主动土压力：,墙后破裂面形状,粘性土：当土体达到主动极限平衡状态时，有,粘性土主动土压力有两部分组成:(1)由自重引起的土压力;(2)由粘聚力引起的负侧压力。,作用点在距离墙脚处。,方向：垂直于墙背。分布：,总主动土压力,4.1.3.2被动土压力,同计算主动土压力一样用1、3作摩尔应力圆。使挡土墙右移，则右半部分土体有压缩的趋势；墙面的法向应力x增大。当挡土墙位移使X增大到使土体达到极限平衡状态时，则X达到最高限值p，就是朗肯被动土压力强度。由极限平衡条件可以得到被动土压力的计算公式。,3=K01,1,1,f=c+tan,B,无粘性土：当土体达到被动极限平衡状态时，有,粘性土：当土体达到被动极限平衡状态时，有,总被动土压力为,被动土压力分布,无粘性土,粘性土,墙后破裂面形状,一挡土墙墙背直立光滑，填土表面水平，墙高H=7m，填土的物理力学性质指标为c=12kPa，=15，=18kN/m3。试计算作用在挡土墙上的主动土压力及其作用点，并绘制主动土压力分布图。,例题4-1,【解】墙底处的主动土压力强度,总主动土压力,主动土压力分布如图,总主动土压力作用点距墙脚的距离为,主动土压力为零的深度，即临界深度,4.1.3.3几种情况下的土压力计算填土为多层土组成,方法：按各层土质情况，分别确定每一层土作用于墙背的土压力。,2）计算第二层土压力时，可将第一层土按第二层土的重度换算成等效土层厚度h，即,以两层非粘性填土为例,3）按第二层土计算顶面至底面h2范围内的主动土压力分别为,1）第一层土按均质土计算，主动土压力：,bc=1h1Ka1bd=1h1Ka2ef=(1h1+2h2)Ka2,注意：土层不同，不同，则Ka不同，分层界面处有突变。,挡土墙高5m，墙背直立、光滑，墙后填土面水平。填土分为两层，各土层的物理力学性质指标如图所示。试计算作用在墙背上的主动土压力及其分布图。,例题4-2,【解】计算各层土的主动土压力系数,计算第一层填土的土压力,第二层填土顶面和底面的土压力分别为,主动土压力为,主动土压力分布,当填土中存在地下水时，将对土压力有三种影响：地下水位以下的填土重度减小成浮重度；水位以下填土的抗剪强度会降低；地下水对墙背施加静水压力。一般工程中，可不计地下水对砂土抗剪强度的影响，但地下水上升会导致粘性土的粘聚力与内摩擦角明显降低。,填土中存在地下水,墙后填土为砂土，设水位上下1=2=，水位以上土的重度为，水位以下为浮重度为，故在地下水位处的土压力强度为：,水土合算法（黏性土）水土分算法（无粘性土）,竖向自重应力：,计算如图所示的挡土墙上主动土压力及水压力的分布及其合力。已知墙后填土为砂土，土的物理力学性质指标见图。,例题4-3,【解】主动土压力系数为,顶面处：,水位处：,底面处：,总压力作用点距墙脚C为,总主动土压力,水压力为,总水压力为,作用在挡土墙上的总压力为,连续均布荷载墙后填土连续均布荷载q将均布荷载换算成当量的土重，即用假想的一定高度的土层代替均布荷载。,以（h+H）为墙高，可按表面无荷载的情况计算土压力。,填土表面有荷载作用,填土表面水平时当量土层厚度为,墙背深度z处的土压力强度为,土压力的作用点为梯形的重心。,总土压力,以无粘性土为例,填土表面和墙背面倾斜,以AB为假想墙背可按表面无荷载的情况计算土压力。,粘性土的主动土压力计算,有均布荷载时粘性土的主动土压力,粘性土的主动土压力计算,有荷载,出现拉力区,不出现拉力区,局部均布荷载,一定距离连续均布荷载,局部荷载,计算如图所示的挡土墙上主动土压力的分布及其合力。已知墙后填土为粉质粘土，土的物理力学性质指标见图。填土表面作用均布荷载q=20kPa。,例题4-4,【解】计算土的主动土压力系数,将超载换算成当量土重，则当量土层高度为,顶面处：,底面处：,总主动土压力,土压力零点深度：,作用点距墙脚的距离为,1776年法国工程师库伦基于极限平衡理论，研究在挡土墙背后土体滑动楔块上的静力平衡，提出了另一种土压力计算理论。,库伦研究课题为：墙背俯斜，倾角为；墙后填土为无粘性土，填土表面倾斜与水平面成角；墙背粗糙，墙与土的摩擦角为。,4.1.4库伦土压力理论,适用条件：墙背不是直立光滑的，墙后填土也不一定水平。,4.1.4.1主动土压力,库伦理论假定挡土墙是刚性的。墙背受土推力向前移动达到某数值时，土体中一部分有沿着某一滑动面发生整体滑动的趋势，以致达到主动极限平衡状态。假定：滑动面BC是一个平面；土楔ABC处于极限平衡状态。,适用于无粘性土,取土楔ABC为脱离体，作用在土楔的力有：墙对土楔的反力E，方向与墙背面的法线成角(墙与土之间的外摩擦角)；滑动面BC上的反力R，方向与BC面的法线成角(土的内摩擦角)；土楔ABC的重力W，大小和方向均为已知。,据W、E、R三力构成力的平衡三角形求出E的大小,由正弦定理：,E=f()某个特定值的最危险的滑动面，E值最大。与最大E大小相等，方向相反的力，就是作用于墙背的主动压力Ea。,D,E=f(),可求出Emax时的角。,按微分条件,主动土压力为,Ka:主动土压力系数，为、的函数;、:分别为填土的重度与内摩擦角；:墙背与铅直线之夹角，以铅直线为准，顺时针为负，称仰斜；逆时针为正，称俯斜；:墙背与土的摩擦角，由试验或按规范确定；:填土表面与水平面所成坡角。,特例：当=0时，即墙背垂直光滑，填土表面水平，与郎肯土压力等价,土对挡土墙墙背的外摩擦角,挡土墙墙背倾角,俯斜为正仰斜为负,Ea作用点距离墙底为墙高的1/3处,土压力的方向与水平面成+角,4.1.4.2被动土压力,当墙身受外力作用被推向填土，使填土达到被动极限平衡状态时，土楔将沿着某个滑动面向上滑动。土楔对于墙身移动的阻力，是土楔施加于墙身的被动土压力。,由力的三角形的平衡可推导出总被动土压力,当挡土墙向填土方向挤压时，最危险滑动面上的E值一定是最小的，因为此时滑动土体所受阻力最小，最容易被向上推出，所以作用在墙背上的被动土压力EP值，应是假定一系列破坏面上计算出的土压力最小值Emin,挡土墙高5m，墙背倾斜角=10，填土坡角=30，填土重度=18kN/m3，=30，c=0，填土与墙背的摩擦角。试按库伦土压力理论计算主动土压力及其作用点。,例题4-5,【解】根据=10，=30，=30，,Ka=1.051,主动土压力为：,作用点在离墙脚的距离C为：,4.1.4.3粘性土土压力计算,库伦土压力理论假设墙后填土是非粘性土，因此从理论上说，只适用于无粘性土。实际工程中当填土为粘性土时，需要考虑内聚力对土压力的影响。,图解法规范推荐方法,填土顶面z0深度处出现裂缝，按朗肯土压力理论计算临界深度。假定一滑动面，则作用于滑动土楔体上的力有：,据力系平衡，由力多边形可以确定E的大小。通过假定若干个滑动面按上述方法试算求得其中的最大值即为总主动土压力Ea。,土楔体自重W；滑动面上的反力R；面上的总内聚力C；墙背与土接触面上的总内聚力Ca；墙背对填土的反力E。,图解法,规范GB50007-2002推荐主动土压力公式：,主动土压力增大系数,规范推荐公式,不计地表裂缝h0及墙背与粘土间的粘结力c，即h0=c=0,H5m墙后填土要求：1类碎石土，中密，干密度.0g/cm32类砂土，包括砾砂、粗砂、中砂，中密，干密度1.65g/cm33类粘土夹块石，干密度1.90g/cm34类粉质粘土，干密度1.65g/cm3查图表得到Ka值,Ka,Ka,基本原理BD面与水平面成角，称为自然坡面。BC是任意选定的一个破坏面，它与水平面成角。通过B点作BF线（称为基线）与墙面AB呈+角，与BD的夹角为=90-。在BD与BC之间作一直线MN与基线BF平行，则MNB=，NBM=-。,4.1.4.4库尔曼图解法,力矢三角形中，cab=，abc=-，故BMN相似于力矢三角形abc。,BN按某一比例尺表示滑动体的自重W，则MN将按同样的比例尺代表相应的土压力E。