第七章 土压力与土坡稳定分析

第七章土压力与土坡稳定分析 第一节土压力理论 土压力通常是指挡土墙后的填土因自重或外荷载作用对墙背产生的侧压力 一 土压力类型 1 静止土压力 挡土墙在压力作用下不发生任何变形和位移 墙后填土处于弹性平衡状态时 作用在挡土墙背的土压力 Eo 2 主动土压力 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 Ea 3 被动土压力 播放动画 播放动画 Ep 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 4 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 Ea Eo Ep2 p a 二 静止土压力计算 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 K0 h z K0 z h 3 静止土压力系数 静止土压力强度 静止土压力系数测定方法 1 通过侧限条件下的试验测定2 采用经验公式K0 1 sin 计算3 按相关表格提供的经验值确定 静止土压力分布 土压力作用点 三角形分布 作用点距墙底h 3 三 朗肯土压力理论 1 挡土墙背垂直 光滑2 填土表面水平3 墙体为刚性体 z z x K0 z pa Ka z pp Kp z pa pp 土体处于弹性平衡状态 主动极限平衡状态 被动极限平衡状态 主动朗肯状态 被动朗肯状态 处于主动朗肯状态 1方向竖直 剪切破坏面与竖直面夹角为45o 2 处于被动朗肯状态 3方向竖直 剪切破坏面与竖直面夹角为45o 2 1 主动土压力 挡土墙在土压力作用下 产生离开土体的位移 竖向应力保持不变 水平应力逐渐减小 位移增大到 a 墙后土体处于朗肯主动状态时 墙后土体出现一组滑裂面 它与大主应力面夹角45o 2 水平应力降低到最低极限值 z 1 pa 3 极限平衡条件 朗肯主动土压力系数 朗肯主动土压力强度 讨论 当c 0 无粘性土 朗肯主动土压力强度 1 无粘性土主动土压力强度与z成正比 沿墙高呈三角形分布2 合力大小为分布图形的面积 即三角形面积3 合力作用点在三角形形心 即作用在离墙底h 3处 当c 0 粘性土 粘性土主动土压力强度包括两部分 1 土的自重引起的土压力 zKa2 粘聚力c引起的负侧压力2c Ka 说明 负侧压力是一种拉力 由于土与结构之间抗拉强度很低 受拉极易开裂 在计算中不考虑 负侧压力深度为临界深度z0 1 粘性土主动土压力强度存在负侧压力区 计算中不考虑 2 合力大小为分布图形的面积 不计负侧压力部分 3 合力作用点在三角形形心 即作用在离墙底 h z0 3处 2 被动土压力 极限平衡条件 朗肯被动土压力系数 朗肯被动土压力强度 z 3 pp 1 挡土墙在外力作用下 挤压墙背后土体 产生位移 竖向应力保持不变 水平应力逐渐增大 位移增大到 p 墙后土体处于朗肯被动状态时 墙后土体出现一组滑裂面 它与小主应力面夹角45o 2 水平应力增大到最大极限值 讨论 当c 0 无粘性土 朗肯被动土压力强度 1 无粘性土被动土压力强度与z成正比 沿墙高呈三角形分布2 合力大小为分布图形的面积 即三角形面积3 合力作用点在三角形形心 即作用在离墙底h 3处 当c 0 粘性土 粘性土主动土压力强度包括两部分 1 土的自重引起的土压力 zKp2 粘聚力c引起的侧压力2c Kp 说明 侧压力是一种正压力 在计算中应考虑 1 粘性土被动土压力强度不存在负侧压力区2 合力大小为分布图形的面积 即梯形分布图形面积3 合力作用点在梯形形心 土压力合力 1 库仑土压力基本假定 墙后的填土是理想散粒体滑动破坏面为通过墙踵的平面滑动土楔为一刚塑性体 本身无变形 2 库仑土压力 墙向前移动或转动时 墙后土体沿某一破坏面BC破坏 土楔ABC处于主动极限平衡状态 土楔受力情况 墙背对土楔的反力E 大小未知 方向与墙背法线夹角为 土楔自重G ABC 方向竖直向下 破坏面为BC上的反力R 大小未知 方向与破坏面法线夹角为 四 库仑土压力理论 土楔在三力作用下 静力平衡 滑裂面是任意给定的 不同滑裂面得到一系列土压力E E是q的函数 E的最大值Emax 即为墙背的主动土压力Ea 所对应的滑动面即是最危险滑动面 库仑主动土压力系数 查表确定 土对挡土墙背的摩擦角 根据墙背光滑 排水情况查表确定 主动土压力与墙高的平方成正比 主动土压力强度 主动土压力强度沿墙高呈三角形分布 合力作用点在离墙底h 3处 方向与墙背法线成 与水平面成 说明 土压力强度分布图只代表强度大小 不代表作用方向 主动土压力 五 几种特殊情况下的土压力计算 1 填土表面有均布荷载 以无粘性土为例 z q 填土表面深度z处竖向应力为 q z 相应主动土压力强度 A点土压力强度 B点土压力强度 若填土为粘性土 c 0 临界深度z0 z0 0说明存在负侧压力区 计算中应不考虑负压力区土压力 z0 0说明不存在负侧压力区 按三角形或梯形分布计算 2 成层填土情况 以无粘性土为例 1 1 2 2 3 3 paA paB上 paB下 paC下 paC上 paD 挡土墙后有几层不同类的土层 先求竖向自重应力 然后乘以该土层的主动土压力系数 得到相应的主动土压力强度 A点 B点上界面 B点下界面 C点上界面 C点下界面 D点 说明 合力大小为分布图形的面积 作用点位于分布图形的形心处 3 墙后填土存在地下水 以无粘性土为例 挡土墙后有地下水时 作用在墙背上的土侧压力有土压力和水压力两部分 可分作两层计算 一般假设地下水位上下土层的抗剪强度指标相同 地下水位以下土层用浮重度计算 A点 B点 C点 土压力强度 水压力强度 B点 C点 作用在墙背的总压力为土压力和水压力之和 作用点在合力分布图形的形心处 六 车辆荷载引起的土压力计算 公路桥涵设计通用规范 JTGD60 2004 中对车辆荷载引起的土压力计算方法 作出了具体规定 汽车荷载产生的土压力 立面布置 平面尺寸 等代均布土层厚度 为桥台或挡土墙后填土的破坏棱体长度 m 见上图 对于墙顶以上有填土的路堤式挡土墙 为破坏棱体范围内的路基宽度部分 B为桥台的计算宽度或挡土墙的计算长度 m 为布置在面积内的车轮的总重力 kN 车辆荷载应按图规定作横向布置 车辆外侧车轮中线距路面边缘0 5m 计算中设计多车道加载时 车轮总重力应按规定进行相应折减 车辆荷载横向布置 图中尺寸单位为m 1 破坏棱体长度 2 桥台的计算宽度或挡土墙的计算长度 规范 JTGD60 2004 对挡土墙的计算长度作了如下规定 1 桥台的计算宽度为桥台横向全宽 2 挡土墙的计算长度可按下列公式计算 但不应超过挡土墙分段长度 主动土压力计算 第二节挡土墙设计 一 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 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 二 重力式挡土墙的计算 1 稳定性验算 抗倾覆稳定和抗滑稳定 2 地基承载力验算 挡土墙计算内容 3 墙身强度验算 抗倾覆稳定验算 d 抗倾覆稳定条件 挡土墙在土压力作用下可能绕墙趾O点向外倾覆 抗滑稳定验算 抗滑稳定条件 挡土墙在土压力作用下可能沿基础底面发生滑动 三 重力式挡土墙构造 m为基底摩擦系数 根据土的类别查表得到 1 墙背倾斜形式 重力式挡土墙按墙背倾斜方向分为仰斜 直立和俯斜三种形式 三种形式应根据使用要求 地形和施工情况综合确定 2 挡土墙截面尺寸 砌石挡土墙顶宽不小于0 5m 混凝土墙可缩小为0 20m 0 40m 重力式挡土墙基础底宽约为墙高的1 2 1 3 为了增加挡土墙的抗滑稳定性 将基底做成逆坡 当墙高较大 基底压力超过地基承载力时 可加设墙趾台阶 三种不同倾斜形式挡土墙土压力之间关系 E1 E2 E3 3 墙后排水措施 挡土墙后填土由于雨水入渗 抗剪强度降低 土压力增大 同时产生水压力 对挡土墙稳定不利 因此挡土墙应设置很好的排水措施 增加其稳定性 墙后填土宜选择透水性较强的填料 例如砂土 砾石 碎石等 若采用粘土 应混入一定量的块石 增大透水性和抗剪强度 墙后填土应分层夯实 4 填土质量要求 第三节土坡稳定分析 由于地质作用而自然形成的土坡 在天然土体中开挖或填筑而成的土坡 山坡 江河岸坡 路基 堤坝 土定概述坡稳 无粘性土坡稳定分析 均质的无粘性土土坡 在干燥或完全浸水条件下 土粒间无粘结力 只要位于坡面上的土单元体能够保持稳定 则整个坡面就是稳定的 单元体稳定 T T 土坡整体稳定 稳定条件 T T 砂土的内摩擦角 抗滑力与滑动力的比值 安全系数 粘性土土坡稳定分析 一 瑞典圆弧滑动法 假定滑动面为圆柱面 截面为圆弧 利用土体极限平衡条件下的受力情况 滑动面上的最大抗滑力矩与滑动力矩之比 饱和粘土 不排水剪条件下 u 0 f cu 粘性土土坡滑动前 坡顶常常出现竖向裂缝 裂缝的出现将使滑弧长度由AC减小到A C 如果裂缝中积水 还要考虑静水压力对土坡稳定的不利影响 Fs是任意假定某个滑动面的抗滑安全系数 实际要求的是与最危险滑动面相对应的最小安全系数 二 条分法 对于外形复杂