第6章挡土墙.ppt

第八章挡土结构物上的土压力 土体作用在挡土结构物上的压力称为土压力 2 土压力 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构物 1 挡土结构物 挡土墙 挡土墙为刚性不动时 土处于静止状态不产生位移和变形 此时作用在挡土墙上的土压力 土压力分为三大类 1 静止土压力p0 当挡土墙在墙后填土压力作用下离开填土移动 土压力逐渐减小 墙后的填土达到极限平衡状态 或破坏 时 作用在墙上的土压力称为主动土压力 2 主动土压力pa 主动 3 被动土压力pp 当挡土墙在外力作用下向填土挤压 墙后填土达到极限平衡状态 作用在墙上的土压力称为被动土压力 如果土推墙而使挡土墙发生一定的位移 使土体达到极限平衡状态 这时作用在墙背上的土压力为 A 静止土压力 B 被动土压力 C 主动土压力 例 在其他条件相同时 悬臂式钢板桩和悬臂式钢筋混凝土地下连续墙所受基坑外侧土压力的结果为A由于连续墙的变形 位移 小 所以墙上土压力更大B由于钢板桩的变形 位移 大 所以桩上土压力更大C 由于钢材的强度高于钢筋混凝土 所以桩上土压力更大 6 2静止土压力 竖直向 水平向 土单元无侧向位移属于有侧限应变条件 根据弹性力学中广义虎克定律 K0静止土压力系数 由于土的 很难确定 K0常用经验公式计算 砂性土 粘性土 超固结粘土 静止土压力分布及总土压力 1 静止土压力分布力 2 静止土压力的总土压力 作用点 均布力求合力 三角形分布力求合力 H 8 3朗肯土压力理论 Rankine土压力理论和Coulomb土压力理论是计算主动土压力和被动土压力的两种基本理论 认为墙后填土达到极限平衡状态时 与墙背接触的任一土单元体都处于极限平衡状态 然后根据土单元体处于极限平衡状态时应力所满足的条件来建立土压力的计算公式 1 挡土墙背面竖直2 墙背光滑3 墙后填土面水平 基本原理 假设 45 2 3 pa 3 1 rz 1 主动土压力 大主应力 1为自重应力小主应力 3为未知力 被动土压力 大主应力 1为未知力小主应力 3为自重应力 c A cctg 无粘性土 c 0 粘性土 例 按朗肯土压力理论计算挡土墙背面上的被动土压力时 墙背为 A 大主应力作用面 B 小主应力作用面 C 滑动面 例 符合朗肯条件 挡土墙后填土发生主动破坏时 滑动面为 A 与水平面夹角呈45 2 B 与水平面夹角呈45 2 C 与水平面夹角呈45 例 符合朗肯条件 挡土墙后填土发生被动破坏时 滑动面为 A 与水平面夹角呈45 2 B 与水平面夹角呈45 2 C 与水平面夹角呈45 8 3 1朗肯理论主动土压力 无粘性土 砂土 的主动土压力分布力 Ka 主动土压力系数 砂土主动土压力的总土压力 作用点 粘性土的主动土压力分布力 粘性土主动土压力的总土压力 作用点 8 3 2朗肯理论被动土压力 无粘性土 砂土 的被动土压力分布力 Kp 被动土压力系数 砂土被动土压力的总土压力 作用点 粘性土的被动土压力分布力 粘性土被动土压力的总土压力 Ep H 作用点的计算 H F1 F2 F总 X 作用点 作用点 例 已知某重力式挡土墙 墙高H 6 0m 墙背竖直 光滑 填土表面水平 填土容重 18 5kN m3 内摩擦角 200 粘聚力c 19kPa 求作用在挡土墙上的主动 被动土压力 并绘出土压力分布图 解 1 主动土压力 作用点 2 被动土压力 Z 0 Z H Ep H 作用点的计算 2 32m 8 4库仑土压力理论 土的极限平衡状态 滑动楔体静力平衡条件 土压力的计算方法 库伦土压力理论的基本假设 1 墙后的填土是理想的散粒体 粘聚力c 0 2 滑动破坏面为一通过墙踵的平面 8 4 1 主动土压力 W R Ea A C B H 作用于土楔上的力 1 土楔体的自重 2 破坏面上的反力R 3 墙背对土楔体的反力Ea 由土楔体的静力平衡条件得 最危险滑动面确定 Ea对 求导 等于零求极大值 当 0时 即 墙背光滑垂直 填土表面水平时 库伦主动土压力强度沿墙高呈三角形分布 主动土压力的作用点在距墙底H 3处 8 4 3 被动土压力 W R Ep A C B H 当 0时 即 墙背光滑垂直 填土表面水平时 库伦被动土压力强度沿墙高呈三角形分布 被动土压力的作用点在距墙底H 3处 例 当挡土墙受到主动土压力作用时 墙背和填土滑动面上摩擦力方向正确的是 库仑土压力理论通常适于 A 粘性土 B 砂性土 C 各类土 例 若挡土墙的墙背竖直且光滑 墙后填土面水平 粘聚力c 0 采用朗金解和库仑解 得到的主动土压力差别为 A 朗金解大 B 库仑解大 C 相同 例 若挡土墙的墙背竖直且光滑 墙后填土面水平 粘聚力c 0 按库仑土压力理论 正确确定被动状态的滑动土楔范围的是 区别朗肯库仑 极限平衡条件滑动楔体法 墙背面竖直光滑墙后填土面水平 墙背 填土无限制适合砂性土 计算误差 主动土压力偏大被动土压力偏小 实际墙背面不竖直不光滑 由于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 8 5几种计算土压力的特殊情况 1 填土面有均布荷载的土压力计算 Ea C 0 砂土的主动土压力 将均布荷载换算成当量的土重 挡土墙上表面的主动土压力 挡土墙下表面的主动土压力 例 已知某混凝土挡土墙 墙高H 5 0m 墙背竖直 光滑 填土表面水平 作用有均布荷载q 20kPa 填土容重 17kN m3 内摩擦角 300 粘聚力c 10kPa 求作业在挡土墙上的主动土压力 并绘出土压力分布图 解 将均布荷载换算成当量的土重 挡土墙下表面的主动土压力 作用点 Ea 局部荷载作用 45 2 h1 45 2 b0 q b1 压力分布图形矩形分布其值为 朗肯土压力理论计算 2 填土中有地下水时的土压力计算 当墙后填土中有水时 需考虑地下水位以下的填土由于浮力作用使有效重量减轻引起的土压力减小 水下填土部分采用浮容重进行计算 在计算作用在墙背上的总压力中应包括水压力的作用 3 填土为成层土时的土压力计算 由于各层填土重度不同 使得填土竖向应力分布在土层交界面上出现转折由于各层填土粘聚力和内摩擦角不同 所以在计算主动或被动土压力系数时 需采用计算点所在土层的粘聚力和内摩擦角 采用当量法 一 第一层土的主动土压力计算 按常规方法 二 第二层土的主动土压力计算 h 1 第二层土的上表面 2 第二层土的下表面 例 已知某混凝土挡土墙 墙高H 5 0m 墙背竖直 光滑 填土表面水平 墙后土体分为两层如图 求作业在挡土墙上的主动土压力 并绘出土压力分布图 C 1 第一层土的主动土压力计算 2 第二层土的主动土压力计算 h B A H1 2m H2 3m 12kPa 5 9kPa 40 4kPa 例 已知某混凝土挡土墙 墙高H 7 0m 墙背竖直 光滑 填土表面水平 墙后土体分为两层如图 地下水位于填土表面以下3m处 求作业在挡土墙上的主动土压力 并绘出土压力分布图 解 一 第一层土的主动土压力计算 1 第一层土 r2 19kN m3 C B A H1 3m H2 4m r1 16 5kN m3 1 200 C1 0 2 300 C2 10kPa rsat 20kN m3 q 100kPa h0 二 第二层土的主动土压力计算 h r2 19kN m3 B A H1 3m H2 4m 49kPa 42kPa 74kPa 56kPa q rwH2 4 墙背形状有变化 AB墙 按常规计算BC墙 将BC延伸至D 以DBC作为假想墙面计算 带卸荷台的挡土墙土压力 在实际工程中 当墙背倾斜角较大超过一定范围后 滑动块体不会沿墙背滑动 而是沿着途中某一平面滑动 即产生所谓的第二滑裂面 查铁路工程设计技术手册 8 6地震情况下的土压力计算 拟静力法 1 地震加速度 竖向分力av 水平分力ah水平地震系数Kh ah g水平惯性力WKh垂直地震系数Kv av g垂直惯性力WKv 2 虚拟自重W W W 1 Kv Secq其中tgq Kh 1 Kv 按支档结构受力情况 可分为 悬臂式排桩支护桩锚内支撑 8 7开挖坑沟支撑结构物上的土压力 单支点支挡结构的设计计算 车辆荷载引起的土压力 汽车 路面行使 给挡土结构荷载的作用 根据 公路桥涵设计通用规范 来计算等效的土压力计算原理是按照库仑土压力理论 把填土滑动的土体范围内的车辆荷载 换算成厚度的土层 作用在破坏棱体范围内的车辆荷载 换算成厚度为的土层 G L0 H 填土重度 B 挡土墙的计算长度 挡土墙的计算长度B 300 L a B l a Htan300 H H 2 B l a Htan300 L0 H tan cot 主动土压力为 H 1 重力式挡土墙 2 悬臂式挡土墙 8 7挡土墙设计 1挡土墙类型 3 扶壁式挡土墙 4 锚定板式与锚杆式挡土墙 2重力式挡土墙的初定尺寸1 挡土墙的高度H 土质边坡不易高于8m 岩质边坡不易高于10m2 挡土墙的顶宽 保证具有整体性和足够的强度顶宽应大于0 5m3 挡土墙的底宽 初步为B 0 5 0 7H 1 抗滑稳定验算 挡土墙在土压力作用下可能沿基础底面发生滑动 为基底摩擦系数 根据土的类别查表8 8 1 3重力式挡土墙稳定性验算 2 抗倾覆稳定验算 挡土墙在土压力作用下可能绕墙趾O点向外倾覆 1 6 3 地基承载力验算同时满足下列两个公式 例 已知某挡土墙 墙高H 6 0m 墙背倾斜 100 填土表面倾斜 100 墙摩擦角 200 强身重度为24KN m3墙后填土为中砂 内摩擦角 300 填土容重 18 5KN m3 地基承载力设计值f 180kPa 设计挡土墙的尺寸 解 1 初步确定挡土墙尺寸 顶宽取1m 底宽取4m h H 3 2m b 3 65m 求梯形的重心 a 2 17m 2 求主动土压力 查表8 5 1求Ka 0 438 3 抗滑稳定验算 中砂查表8 8 1得 0 4 4 抗倾覆稳定验算 抗滑抗倾覆稳定验算均满足要求 5 地基承载力验算 合力作用点与墙前趾的距离 偏心距e 2 1 82 0 18m 4 6 满足地基承载力要求最终确定挡土墙尺寸 顶宽1m 底宽4m 总结 1 静止土压力p0 K0静止土压力系数 成三角形分布 2朗肯土压力理论 粘性土