第六章挡土墙.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 混凝土挡土墙及复合排水管 建成后的坡间挡土墙 垮塌的重力式挡墙 失稳的立交桥加筋土挡土墙 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 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 有效内摩擦角 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 6 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 6 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 6 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 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 6 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 6 4 4 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 6 3 3 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 挡土墙上表面的主动土压力 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 挡土墙上表面的主动土压力 作用点 Ea 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 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 第一层土的上表面 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 5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 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 重力式挡土墙是最古老的结构形式因其料源丰富取材方便形式简单施工简便所以仍然是目前应用最广泛的结构形式 为了适应地基承载力要求和地形条件 在重力式挡上墙基础上发展形成了半重力式和衡重式持土墙 半重力式挡土壤可利用展宽墙趾和墙踵来减小基底应力降低地基承载力的要求 衡重式档土墙可利用衡重台以上的填土重力节省部分墙身圬工 而且墙身建筑高度大适用于地面横坡较大地段 实际上 半重力式和衡重式均属于重力式的范畴为了适应不同的使用要求如建筑高度稳定性等和不同地区的建筑条件如地基料源地形等研究开发了各种形式的挡土墙 如悬臂式扶壁式加筋土式锚杆式和锚定板式等这些形式都是钢筋混凝土结构悬臂式和扶壁式挡土墙在国外应用十分广泛但在我国应用尚未普及 不过随着高等级公路向中西部地区推进其应用会越来越多悬臂式和扶壁式挡土墙适用于缺乏石料的地区它通过墙趾板和墙踵板宽度来调节控制基底应力墙高以内时多采用悬臂式挡土墙当墙高大于时需在立壁墙面板与墙踵板之间增设扶肋形成扶壁式挡土墙 锚定板及锚杆式挡土墙 桥台 港口护岸工程 锚定板结构是我国铁路部门首创的一种新型支挡结构形式 它发展于70年代初期 1974年首次在太焦铁路上使用 目前在铁路部门已广泛应用 公路 水利 煤矿等部门也在立交桥台 边坡支挡 坡脚防护等多种工程中应用 锚定板挡土墙是由墙面 拉杆 锚定板以及充填墙面与锚定板之间的填土所共同组成的一个整体 现在圬工是指除钢筋砼 预应力砼 钢结构以外 由纯混凝土或砖石砌体材料建筑的 准确地说圬工就是材料强度不能充分发挥的结构 比如大体积的混凝土 内部混凝土的强度远没得到充分发挥 也就是说材料的实际应力很小 远没达到材料的设计强度 基本结构就是前面所说的几种类型 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 根据土的类别查表得到 重力式挡土墙计算 2 稳定性验算 抗倾覆稳定和抗滑稳定 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 总结 1 静止土压力e0 K0静止土压力系数 成三角形分布 2朗肯土压力理论 粘性土的主动土压力