第七章-土压力PPT课件

1 第7章土压力 7 2挡土墙侧的土压力 7 4库仑土压力理论 7 3郎肯土压力理论 7 5郎肯理论与库仑理论的比较 8 1概述 2 7 1概述 土压力 挡土墙后的填土因自重和外荷载作用对墙背产生的侧压力 挡土结构物 防止土体塌滑的支撑结构物 挡土墙 地下洞室衬砌等本章所讲的土压力特指作用在挡土墙上的土压力 挡土墙 侧向支撑土体的结构物 研究方法 按平面问题进行研究 即取一延向米 挡土墙的用途 阻挡土体下滑或截断土坡延伸 3 挡土墙类型 1 重力式挡土墙 块石或素混凝土砌筑而成 靠自身重力维持稳定 墙体抗拉 抗剪强度都较低 墙身截面尺寸大 一般用于低挡土墙 2 悬臂式挡土墙 钢筋混凝土建造 立臂 墙趾悬臂和墙踵悬臂三块悬臂板组成 靠墙踵悬臂上的土重维持稳定 墙体内拉应力由钢筋承担 墙身截面尺寸小 充分利用材料特性 市政工程中常用 第7章土压力 概述 4 3 扶壁式挡土墙 针对悬臂式挡土墙立臂受力后弯矩和挠度过大缺点 增设扶壁 扶壁间距 0 8 1 0 h 墙体稳定靠扶壁间填土重维持 4 锚定板式与锚杆式挡土墙 预制钢筋混凝土面板 立柱 钢拉杆和埋在土中锚定板组成 稳定由拉杆和锚定板来维持 5 挡土墙各部名称 墙顶 墙趾 墙面 墙背 挡土墙 墙前 墙后 墙踵 墙底 填土 墙高 填土面 6 一 土压力类型 按挡土结构的位移方向 大小及土体所处的平衡状态 7 土压力值介于上述三种极限状态下的土压力值之间 土压力的大小及分布与作用在挡土结构上的土体性质 挡土结构本身的材料及挡土结构的位移有关 其中挡土结构的位移情况是关键因素 土压力与挡土结构位移d的关系 产生被动土压力所需要的位移量大大超过产生主动土压力所需要的位移量 二 影响土压力的因素 8 二 影响土压力的因素 2 挡土墙的形状挡土墙剖面形状 包括墙背为竖直或是倾斜 墙背为光滑或粗糙 不同的情况 土压力的计算公式不同 计算结果也不一样 3 填土的性质挡土墙后填土的性质 包括填土的松密程度 即重度 干湿程度等 土的强度指标内摩擦角和粘聚力的大小 以及填土的形状 水平 上斜或下斜 等 都将影响土压力的大小 9 7 2挡土墙侧的土压力 太沙基等人通过挡土墙的模型试验 研究了墙的位移与土压力的关系 发现作用在墙背上的土压力随墙的移动方向和大小变化 8 2 1土压力种类 10 7 2 1土压力种类 1 静止土压力E0墙静止不动时 土对墙的压力 产生条件 墙刚度大 本身不变形 结构坚固 不移动 不转动 地基好 如地下室外墙2 主动土压力Ea 土推墙动 墙后填土在自重作用下使墙向前运动 转动或移动 当填土达到向下滑动的极限平衡状态时 对墙的压力称主动土压力或土推力 产生条件 地基沉降不均匀 地基软弱 填土自重产生的推力较大 Ea所需的位移 密砂0 5 H 密实粘土1 2 H 11 3 被动土压力Ep 墙推土动 在外力作用下 墙后推压填土 当填土达到向上挤出破坏的极限平衡状态时 土对墙的压力称被动土压力或土抗力 土对桥台产生的侧向土压力属被动土压力 三种土压力的大小关系为 Ep E0 Ea 12 7 2 2静止土压力计算 假定 墙背直立光滑 填土面水平 13 7 2 2静止土压力计算 静止土压力合力为 1 3H 8 1 8 2 H 3 注意 产生静止土压力时 墙后填土并未达到极限平衡状态 即没有破坏 这与主动土压力 被动土压力不同 14 E0 H 静止土压力的分布 静止土压力计算 水平向的自重应力 15 例1 已知某挡土墙高4 0m 墙背垂直光滑 墙后填土面水平 填土重力密度为 18 0kN m3 静止土压力系数Ko 0 65 试计算作用在墙背的静止土压力大小及其作用点 并绘出土压力沿墙高的分布图 16 例1已知某挡土墙高4 0m 墙背垂直光滑 墙后填土面水平 填土重力密度为 18 0kN m3 静止土压力系数Ko 0 65 试计算作用在墙背的静止土压力大小及其作用点 并绘出土压力沿墙高的分布图 解 按静止土压力计算公式 墙顶处静止土压力强度为 墙底处静止土压力强度为 17 第三节朗肯土压力理论 朗肯土压力简介 土的极限平衡条件 半空间的应力状态 土压力的计算方法 郎肯 Rankine 于1859年研究了半无限土体在自重作用下 处于极限平衡状态的应力条件 推导出土压力计算公式朗肯土压力理论的假设 1 挡土墙背面竖直 2 墙背光滑 3 墙后填土面水平 18 主动极限平衡应力状态 7 3 2主动土压力 19 1 无粘性土的郎肯主动土压力 7 3 2主动土压力 20 令 主动土压力系数 2 粘性土的郎肯主动土压力 7 3 2主动土压力 21 2 粘性土的郎肯主动土压力 7 3 2主动土压力 土压力分布 8 14b 22 kpa kN m 合力作用点在距底边 H z0 3 2 粘性土的郎肯主动土压力 7 3 2主动土压力 Z0及总土压力 23 Hka 2 粘性土的郎肯主动土压力 7 3 2主动土压力 H 5m C 10kpa 20 18kN m3 z0 Ea H z0 3 解 由 例题2 24 44 13 H 5m C 10kpa 20 18kN m3 14 Z0 1 59 Ea 30 13 例题2 临界深度Z0 3 41 总土压力 合力作用点 25 8 3 3被动土压力 总被动土压力Ep 方向 垂直指向墙背 作用点 按力矩平衡求得 7 3郎肯土压力理论 第7章土压力 26 7 3 4有超载时的主动土压力 以郎肯主动态 c 0为例 q h作用在假想墙高上的土压力 假想墙高为H h 分布为 a zkaz从假想的墙顶算起Z 0 a 0Z h a hka qkaZ H h a H h ka Hka qka 7 3郎肯土压力理论 第7章土压力 27 7 3 4有超载时的主动土压力 上部虚设的土压力不要 则作用在真正挡土墙上的总土压力为 Ea qkaH 1 2 H2ka当计算熟练后 也可以不假想墙高 墙顶土压力用qka一次算出 7 3郎肯土压力理论 28 7 3 5非均质填土的主动土压力 1 成层填土 以郎肯主动态 c 0为例 a zka a点 z 0 a 0b上点 a 1h1ka1b下点 1 2 ka1 ka2 1 2 令h1 2 h1 1则 等代土层法 7 3郎肯土压力理论 29 1 成层填土的主动土压力 b下点 e点 结论 等代土层后的结果是 上层土在其下层土中产生的侧向土压力 等于上层土的自重应力乘以下层土的土压力系数 7 3郎肯土压力理论 7 3 5非均质填土的主动土压力 30 成层土 Rankine主动土压力c 0情况下的土压力分布 a zka 1 成层填土的主动土压力 7 3郎肯土压力理论 7 3 5非均质填土的主动土压力 31 相同ka不变土层界面处无突变 不同 土压力分布在界面处有转折 不同 ka不同 大ka小 界面处 a有突变 反之亦然 1 成层填土的主动土压力 7 3郎肯土压力理论 7 3 5非均质填土的主动土压力 32 将水上 水下视为两种土层 水上用 水下用 与求自重应力的规则相同 按成层土情况计算 但作用在墙背上的总压力为总土压力与总水压力之和 无粘性土地下水对 影响很小 可忽略不计 注意 水压力各个方向相同 所以不乘土压力系数 2 墙后填土有地下水 7 3郎肯土压力理论 7 3 5非均质填土的主动土压力 33 7 3郎肯土压力理论 7 3 5非均质填土的主动土压力 2 墙后填土有地下水 作用在墙背上的总压力 34 填土中有地下水时给土压力带来以下影响 1 水下 但却增加了静水压力 所以作用在墙背上的总压力 土压力 水压力 增大 2 使粘性土c 所以 a 3 粘性土遇水膨胀 产生膨胀力 4 冻害产生冻胀力 正因为如此 所以墙后一般要设置排水设施 7 3郎肯土压力理论 7 3 5非均质填土的主动土压力 2 墙后填土有地下水 35 解 ka tg2 450 340 2 0 283土压力分布为 墙顶 a1 qka 10 0 283 2 8kpa墙底 a2 qka Hka 2 8 19 6 0 283 2 8 32 3 35 1kpa 例题3 36 例题3 设距墙底z处 113 8z 2 8 6 3 35 1 2 8 6 2 2z 2 15m 37 解 由题意 1 2则ka1 ka2 分层界面土压力有突变 Ka1 tg2 450 320 2 0 307ka2 tg2 450 160 2 0 568 土压力分布为 0点 a0 zka1 0kpa z 0 例题 38 1点上 a1上 1h1ka1 17 2 0 307 10 4kpa1点下 a1下 1h1ka2 2c ka2 1 2 17 2 0 568 2 10 0 5681 2 4 2kpa2点 a2 1h1ka2 2c ka2 1 2 2h2ka2 4 2 19 3 0 568 36 6kpa总主动土压力 Ea 10 4 2 2 4 2 3 36 6 4 2 3 2 10 4 12 6 48 6 71 6kN m合力作用点 设距底边z处71 6z 10 4 3 2 3 12 6 1 5 48 6 1z 1 48m 39 40 7 4库仑土压力理论 Coulomb在1776年研究了墙后回填砂土 挡土墙的主动土压力 把主动情况墙向前移所产生的极限平衡状态 看成是由墙背和土体中某一平面组成的楔形体同时向下滑动 B C E 第7章土压力 A D 41 土楔与墙背和土中滑动面之间都有摩擦力 根据土楔体外力平衡条件 求出墙支撑楔形体反力 从而求解土压力 基本假定 1 填土为无粘性土c 02 滑动面为平面 从墙踵开始 实为两个滑动面 墙背也是 3 滑动土体为刚体 不考虑楔形体本身的压缩变形 7 4 1基本假设 第7章土压力 7 4库仑土压力理论 42 7 4 2库仑主动土压力 7 4库仑土压力理论 第7章土压力 43 8 16 8 17 8 20 7 4 2库仑主动土压力 第7章土压力 44 8 22 Ka 库仑主动土压力系数 Ka f 查P221表8 1 墙背倾角 俯斜取 仰斜取 ka 7 4 2库仑主动土压力 第7章土压力 把8 20式令dE d 0 求出Emax即为Ea 45 7 4 2库仑主动土压力 7 4库仑土压力理论 第7章土压力 适用填方坡 适用挖方坡 46 当墙背直立 0 光滑 0 填土面水平 0 时 即 郎肯主动土压力是库仑主动土压力的一个特例 7 4 2库仑主动土压力 7 4库仑土压力理论 第7章土压力 47 库仑主动土压力分布 沿墙高 7 4 2库仑主动土压力 7 4库仑土压力理论 第7章土压力 48 库仑主动土压力分布 沿墙背 7 4 2库仑主动土压力 7 4库仑土压力理论 第7章土压力 49 7 4 3库仑被动土压力 kp 第7章土压力 50 Kp f 7 4 3库仑被动土压力 7 4库仑土压力理论 第7章土压力 51 库仑被动土压力分布 沿墙高 7 4 3库仑被动土压力 7 4库仑土压力理论 第7章土压力 52 7 4 3粘性土土压力 当填土c 0时 由于c的作用 墙背土中滑面 产生内聚力 1 对内聚力的考虑 仍然假定c 0 而适当提高 用 D表示 等代内摩擦角 即用假想的无粘性土取代粘性土 以Cs c l l为滑面长度 作为一个总内聚力 1 对填土滑面上c的考虑 7 4库仑土压力理论 第7章土压力 考虑除 外还考虑了c z0 地表裂缝深度 q但都是直线边界 属 数解法 规范法 自学 图解法 53 仍然假定c 0 而适当提高 可用拖板试验实测 以Cw c 墙背长度 作为一个总内聚力 2 对墙背与填土之间c的考虑 填土与墙背的内聚力 2 同时考虑墙背与填土的组合 四种 仍用前述公式计算 等代内摩角法 Ea Cw G R 7 4 4粘性土和粉土的库仑主动土压力 7 4库仑土压力理论 第7章土压力 图解法 54 G Ea R Cs 当填土面有拉裂缝时 Cs按实际长度计算 或 G Ea R Cs Cw 假定若干个滑动面 从相应的闭合三角形中找出Eamax既为所求 教材中的方法 7 4库仑土压力理论 7 4 4粘性土和粉土的库仑主动土压力 图解法 55 56 57 58 59 7 5郎肯理论与库仑理论的比较 1 两种理论的比较 第7章土压力 60 2 对两种古典理论的评价 优点 概念明确方法简单经验丰富 缺点 滑动面假定为直线不符合实际 假定条件过分简化 影响计算精度 7 5郎肯理论与库仑理论的比较 第7章土压力 61 3 古典理论与精确解的比较 当 0 0 0 c 0时 三种计算结果相同 可认为郎肯理论是库仑理论的特例 若不是 的情况 对主动土压力 Rankine公式偏大 为精确解的124 Coulomb公式偏小 为精确解的98 对被动土压力 当 小时 各种理论相近 当变形容许时 两种理论均可采用 当 和 较大时 库伦的误差较郎肯的大 7 5郎肯理论与库仑理论的比较 第7章土压力 62 63 64 65 土压力计算方法讨论 一 朗金与库仑土压力理论存在的主要问题 朗金土压力理论基于土单元体的应力极限平衡条件建立的 采用墙背竖直 光滑 填土表面水平的假定 与实际情况存在误差 主动土压力偏大 被动土压力偏小 库仑土压力理论基于滑动块体的静力平衡条件建立的 采用破坏面为平面的假定 与实际情况存在一定差距 尤其是当墙背与填土间摩擦角较大时 二 三种土压力在实际工程中的应用 挡土墙直接浇筑在岩基上 墙的刚度很大 墙体位移很小 不足以使填土产生主动破坏 可以近似按照静止土压力计算 66 挡土墙产生离开填土方向位移 墙后填土达到极限平衡状态 按主动土压力计算 位移达到墙高的0 1 0 3 填土就可能发生主动破坏 挡土墙产生向填土方向的挤压位移 墙后填土达到极限平衡状态 按被动土压力计算 位移需达到墙高的2 5 工程上一般不允许出现此位移 因此验算稳定性时不采用被动土压力全部 通常取其30 67 三 挡土墙位移对土压力分布的影响 挡土墙下端不动 上端外移 墙背压力按直线分布 总压力作用点位于墙底以上H 3 挡土墙上端不动 下端外移 墙背填土不可能发生主动破坏 压力为曲线分布 总压力作用点位于墙底以上约H 2 挡土墙上端和下端均外移 位移大小未达到主动破坏时位移时 压力为曲线分布 总压力作用点位于墙底以上约H 2 当位移超过某一值 填土发生主动破坏时 压力为直线分布 总压力作用点降至墙高1 3处 68 四 不同情况下挡土墙土压力计算 1 墙后有局部均布荷载情况 局部均布荷载只沿虚线间土体向下传递 由q引起的侧压力增加范围局限于CD墙段 2 填土面不规则的情况 填土面不规则情况 采用作图法求解 假定一系列滑动面 采用静力平衡求出土压力中最大值 69 3 墙背为折线形情况 墙背由不同倾角的平面AB和BC组成 先以BC为墙背计算BC面上土压力E1及其分布 然后以AB的延长线AC 作为墙背计算ABC 面上土压力 只计入AB段土压力E2 将两者压力叠加得总压力 五 规范 土压力计算公式 C E2 E1 Ea 主动土压力 其中 yc为主动土压力增大系数 分布情况 70 土压