土压力与土坡稳定分析 PPT课件

6土压力与土坡稳定分析 目录 6 1土压力概述 6 3库仑土压力理论 6 4挡土墙设计 6 2朗金土压力理论 6 5土坡稳定分析 挡土结构物 挡土墙 用来支撑天然或人工斜坡不致坍塌以保持土体稳定性的一种结构物 挡土结构物上的土压力 由于土体自重 土上荷载或结构物的侧向挤压作用 使挡土结构物所承受的来自墙后填土的侧向压力 6 1土压力概述 根据不同的用途和各工程的特点 可采用不同的结构类型 挡土结构物的类型 a 边坡挡土墙 b 桥台 c 地下室侧墙 d 扶壁式挡土墙 e 锚杆式挡土墙 f 加筋挡土墙 挡土墙在工程中的应用 挡土墙在工业与民用建筑 水利工程 铁道工程 桥梁 港口及航道建筑中被广泛应用着 例如 山区和丘陵地带 在土坡上修造建筑物时 防止土坡坍塌的挡土墙 图6 2 a 支挡建筑物周围填土的挡土墙 图6 2 b 房屋地下室的侧墙 图6 2 c 桥台 图6 2 d 堆放散粒材料的挡墙 图6 2 e 码头 图6 2 f 等等 图6 2挡土墙的应用 一般的中小工程 比如 小溪河岸护坡 小土坡挡土墙 可以就地取材采用块石建成 重大工程可采用用素混凝土或钢筋混凝土材料建成 在山区的公路 铁道两侧护坡等工程往往采用锚杆式或加筋土挡土墙 见图6 3 几种挡土墙的做法 6 1 1土压力的定义与分类 土体作用在挡土墙上的压力称为土压力 土压力的计算是挡土墙设计的重要依据 挡土墙是最常用的支挡结构物 1 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称为主动土压力 最小 当墙体不产生任何方向的位移或转动 填土处于静止状态时 此时作用在挡土墙上的土压力称为静止土压力 2 静止土压力 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称为被动土压力 最大 3 被动土压力 1 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 4 相同条件下 Pa a 试验表明 1 产生主动压力条件 密砂 0 5 H密实粘性土 1 2 H 2 产生被动土压力的条件 密砂 5 H密实粘性土 10 H 试验研究测得挡土墙移动量和产生主 被动压力的关系 模型试验 长方形模型槽中部插上一块刚性板 在板的一侧安装压力盒 填上土 板的另一侧临空 1 挡土墙的位移挡土墙的位移 或转动 方向和位移量的大小 是影响土压力大小的最主要因素 2 挡土墙的形状挡土墙剖面形状 包括墙背为垂直或倾斜 光滑或粗糙 都关系到采用何种土压力计算理论和计算结果 3 填土的性质包括填土的松密即重度 干湿程度即含水量 土的强度指标内摩擦角和粘聚力的大小 以及填土表面的形状 水平 上斜或下斜 等 都将会影响土压力的大小 6 1 2影响土压力的因素 6 1 3静止土压力 在填土表面下任意深度z处取一微小单元体 作用在此微体上的竖向应力为土的自重应力 z 该处水平向的应力即为该处的静止土压力强度 按下式计算 静止土压力系数K0 即土的侧向压力系数确定方法 1 经验值 砂性土 0 34 0 45 粘性土 0 5 0 7 2 半经验公式 砂性土 粘性土 3 日本规范 建筑基础结构设计规范 建议 不分土的种类 均为0 5 静止土压力分布 总静止土压力 沿墙长度方向取1延米 只需计算土压力分布图的面积 即 总静止土压力作用点 即三角分布图的重心 即1 3H处 例 某岩基上的挡土墙 墙高5m 墙后填土为中砂 重度 18 5kN m3 350 计算作用在挡土墙上的土压力 6 2朗金土压力理论 基本假设 1 挡土墙为刚体 2 挡土墙背垂直 光滑 3 挡土墙后填土表面水平并无限延伸 其上无超载 Rankine 1857 6 2 1基本原理 主动朗肯状态 被动朗肯状态 假想 在竖向力作用下 放松水平方向约束 使土体在水平方向均匀膨胀 则 z不变 x将逐渐减小 直至达到极限平衡状态时 土体处于主动朗肯状态 反之亦然 主动 被动朗肯状态的莫尔应力圆表示 朗肯将上述原理应用于挡土墙土压力计算中 设想用墙背直立的挡土墙代替半空间左边的土 墙背与土的接触面满足剪应力为零的边界条件以及产生主动或被动朗肯状态的边界变形条件 由此推导出主动和被土压力的计算公式 土体处于主动朗肯状态时 1 z 3 a 由土中一点的极限平衡条件得朗肯主动土压力强度计算公式为 无粘性土 粘性土 6 2 2主动土压力 主动土压力强度分布图 无粘性土 粘性土 主动土压力分布 主动土压力的图示 无粘性土 作用于单位墙长上的总主动土压力Ea 粘性土 临界深度z0 对墙后填土为粘性土的挡土墙 若离填土面某一深度处的主动土压力等于零 则该深度称为临界深度 墙后为粘性填土时的主动土压力强度包括两部分 一部分是由土自重引起的土压力 另一部分是由土的粘聚力引起的负侧土压力 例 有一挡土墙 墙高6m 墙背竖直 光滑 墙后填土表面水平 填土的物理力学指标 求 主动土压力 并绘制出主动土压力分布图 土体处于被动朗肯状态时 3 z 1 p 由土中一点的极限平衡条件得朗肯主动土压力强度计算公式为 无粘性土 粘性土 6 2 3被动土压力 主动土压力分布图 无粘性土 被动土压力分布 被动土压力计算 无粘性土 作用于单位墙长上的总被动土压力Ep 无粘性土 作用于单位墙长上的总被动土压力Ep 例 有一挡土墙 墙高6m 墙背竖直 光滑 墙后填土表面水平 填土的物理力学指标 求 主动土压力 并绘制出主动土压力分布图 6 2 4有超载时的主动土压力计算 以无粘性土为例 均布荷载q 在土中产生的上覆压力沿墙体方向呈矩形分布 6 2 5非均质填土的主动土压力计算 1 成层填土 无粘性土 不同性质土层因 不同 计算时分别采用不同的土压力系数 分层面处竖向应力不变 而土压力有突变 思考 a2上 a2下 粘性土 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 有地下水时 墙后压力由土压力和静水压力共同组成 合力增大 影响墙体稳定 故墙体设排水孔 地下水位以下取有效重度计算 墙脚处压应力 墙后压力合力 土压力 静水压力 2 墙后填土有地下水 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 当墙后填土有地下水时 作用在墙背上的侧压力有土压力和水压力两部分 当墙后无粘性填土中地下水位逐渐上升时 墙背上的侧压力产生的变化是增大 在计算作用在墙背上的总压力应包括水压力和土压力的作用 6 3库仑土压力理论 墙后填土处于极限平衡状态并沿某一滑动面形成滑动土契体 墙后填土为无粘性土 c 0 滑动契体沿墙背及过墙踵的平面滑动 墙与填土均为刚性 基本假定 6 3 1基本原理 6 3 2主动土压力计算 设墙高为h 填土面倾角 墙背与填土摩擦角为 如下图 滑动土契体在G R Ea三力作用处于主动极限静力平衡状态 土契体向下滑动 库仑主动土压力计算图 由力三角形正弦定律得土压力合力 力矢三角形 令 得到E为极大值时的破坏角 代入上式得 Ka 库伦主动土压力系数查表 土压力作用方向 与墙背法线方向成 角 土压力强度分布 沿墙高呈三角形分布 墙后深度z点处主动土压力强度 Ka 主动土压力系数 由 确定 土对墙背的摩擦角 6 3 3被动土压力计算 如下图 墙背在外力作用下 向后移动或转动滑动 土契体在G R Ea三力作用下处于被动极限静力平衡状态 同理得被动土压力强度与合力计算公式 库仑主动土压力计算图 Kp 被动土压力系数 由 确定 按上述求主动土压力的原理 求得被动土压力的库仑公式为 土压力作用方向 与墙背法线方向成 角 土压力强度分布 沿墙高呈三角形分布 讨论 库仑理论计算主动土压力接近实际情况 适于设计填土为无粘性的重力式挡土墙 被动土压力库仑理论误差大 一般不用 6 3 4粘性土的土压力 略 6 3 5车辆荷载引起的土压力计算 略 6 3 6车辆荷载引起的土压力计算 略 1 基本假定 前者假定挡墙光滑 直立 填土面水平 后者假定填土为散体 c 0 2 基本方法 前者应用半空间中应力状态和极限平衡理论 后者按墙后滑动土楔体的静力平衡条件导出计算公式 3 结果比较 朗肯理论忽略了墙背与填土之间的摩擦影响 使计算的主动土压力偏大 被动土压力偏小 库伦理论假定破坏面为一平面 而实际上为曲面 实践证明 计算的主动土压力误差不大 而被动土压力误差较大 朗肯理论与库伦理论比较 朗肯土压力理论的优缺点 朗肯土压力理论应用半空间中的应力状态和极限平衡理论计算土压力 概念比较明确 公式简单 应用方便 对于粘性土和无粘性土都可以用该公式直接计算 故在工程中得到青睐 但为了使墙后填土中的应力状态符合半空间应力状态 必须假设墙背是直立光滑的 填土面是水平的 因而使其应用范围受到限制 并由于该理论忽略了墙背与填土之间摩擦的影响 使计算的主动土压力偏大 被动土压力偏小 朗肯与库仑土压力理论的适应性 朗肯理论求得的是墙背各点土压力强度分布 而库仑理论求得的是墙背上的总土压力朗肯理论适用于填土表面为水平的无粘性土或粘性土的土压力计算库仑理论只适用于填土表面为水平或倾斜的无粘性土 对粘性土只能用图解法计算被动土压力的计算常采用朗肯理论挡土墙在满足墙背直立光滑且填土面水平的条件下 库仑土压力理论与朗肯土压力理论计算得到的土压力是一致的 1 重力式挡土墙 材料 块石或素混凝土砌筑 稳定 自身重力维持 尺寸大 形式 仰斜式 垂直式 俯斜式 特点 结构简单 施工方便 就地取材 应用 一般土坡的挡护 墙身抗拉强度低 墙高不宜过大 重力式挡土墙结构平衡示意图 6 4挡土墙设计 6 4 1挡土墙概述 重力式挡土墙按墙背倾斜形式又可分为如下三种形式 试比较土压力大小 适用条件 a 仰斜式 b 垂直式 c 俯斜式 2 悬臂式挡土墙 材料 钢筋混凝土 稳定 悬臂板上填土重力维持 形式 由立臂 墙趾悬臂 墙踵悬臂三块板组成 特点 根据钢筋砼力学特性 结构尺寸小 墙高大 应用 市政工程 厂矿材料储库 3 扶臂式挡土墙 材料 钢筋混凝土 稳定 悬臂板与扶臂板上填土重力维持 形式 墙高很大时 立臂加扶臂墙体抗弯 特点 钢筋砼力学特性 结构尺寸小 墙高大 应用 市政工程 厂矿材料储库 4 其它形式挡土墙 锚定板 锚杆桩墙 建成后的坡间挡土墙 设计条件 荷载大小 地质条件 填土性质 建筑材料等 设计方法 根据经验拟定尺寸 然后验算 计算内容 稳定性验算 抗倾覆与抗滑移 地基承载力验算 墙身强度验算 6 4 2挡土墙计算 构造尺寸 墙顶宽度 砌石 H 12 0 5m混凝土 0 2 0 4m 墙底宽度 H 3 H 2 墙基埋深 d 0 5m 墙面坡度 仰斜式 1 0 05 0 25 垂直式 1 0 4 墙背坡度 仰斜式 1 0 25 墙底逆坡 土质地基 1 10岩石地基 1 5 设计方法 依此初步拟定结构尺寸 进行稳定性验算 3 仰斜式重力式挡土墙 c 4 衡重式重力式挡土墙 c 重力式挡土墙构造 1 俯斜式重力式挡土墙 a 2 直立式重力式挡土墙 b 仰斜式 垂直式 挡土墙排水条件 不宜采用粘性土 墙后填土宜选择透水性较强的填料 墙后填土均应分层夯实 每隔10 20m应设置一道伸缩缝 伸缩缝宽可取20mm 墙后排水构造 泻水孔 孔径 100间距 2 3m外斜 5 滤水层 级配砂石 防水层 黏土夯实 填土质量 砂石或黏土 参块石 分层夯实 墙体每隔10 20m设置沉降缝 重力式挡土墙构造示意图 抗倾稳定验算示意图 1 重力式挡土墙倾覆稳定性验算 挡土墙受力 土压力墙体重力 对墙趾点将力分解为竖向力与水平力 抗滑稳定安全系数 挡土墙受力 受力分析 2 重力式挡土墙滑动稳定性验算 土压力墙体重力 抗滑移稳定验算示意图 沿墙底滑动面将力分解为正压力与滑动力 抗滑稳定安全系数 土对墙摩擦系数 3 重力式挡土墙地基承载力与墙身强度验算 与一般偏心受荷基础验算方法相同 应同时满足下列两个公式 另外 基底合力偏心距不应大于0 2倍基础宽度 例5 3 某挡土墙高5m 墙背垂直光滑 填土表面作用有均布荷载 18kN m3 30 c1 0 采用MU30毛石M5混合砂浆砌筑 基底摩擦系 0 5 砌体重度 22kN m3 试设计挡土墙构造尺寸 解 根据设计条件 应用朗肯理论计算 根据构造要求拟定断面尺寸 墙顶宽度 0 8m H 12 0 5m 墙底宽度 3 0m H 3 H 2 取1m墙长为计算单元计算自重 G1 0 5 3 0 1 0 22 33kN G2 1 2 1 7 4 5 1 0 22 84 15kN G3 0 8 4 5 1 0 22 79