第六章土压力与挡土墙PPT课件

1 第六章土压力和挡土墙 2 挡土墙 挡土墙是一种保证天然或人工土坡稳定的构筑物 用以防止土体滑塌 在土建工程中应用很广 例如路边 堤岸的挡土墙 地下室的外墙以及桥台等 挡土墙就其结构形式可分为重力式 悬臂式和扶臂式等 挡土墙的类型 a 支撑土坡的挡土墙 b 堤岸挡土墙 c 地下室侧墙 d 拱桥桥台 3 4 土压力类型 土压力是指墙后填土由于它的自重或作用在填土表面上的荷载对墙背所产生的侧向压力 它的性质和大小与墙身的位移 墙体的材料 高度及结构形式 墙后填土的性质 填土表面的形状及墙和地基的弹性等有关 而其中又以墙身的位移 墙高和填土的物理力学性质最为重要 根据挡土墙的位移情况与墙后土体的应力状态 土压力可以分为静止土压力 主动土压力和被动土压力 5 静止土压力 静止土压力 当挡土墙具有足够的刚度并建在坚硬岩基上 在土体推力的作用下 墙身不产生任何移动或转动 这时墙后填土对墙背所产生的土压力 6 主动土压力 主动土压力 当挡土墙在土压力作用下向背离土体方向移动至土体达到主动极限平衡状态时 土压力达到最小值 此种情况下的土压力 7 被动土压力 被动土压力 当挡土墙在外力作用下 向后移动 挤压填土 使土体稿后移动 当挡土墙向后达到一定位移时土体内出现滑裂面 其上土的剪应力达到搞剪强度而呈极限平衡状态 此时作用在墙背上的土压力最大 8 1 挡土墙所受土压力类型取决于墙体是否发生位移以及位移的方向及位移量 2 挡土墙所受土压力大小并不是常量 随着位移量的变化 墙所受土压力值也在变化 是三种特定土压力状态值 3 土体达到主动平衡 产生主动土压力所需的墙体位移量较小 而墙体达到被动平衡 产生被动土压力所需的墙体位移量很大 9 图3墙身位移与土压力的关系 10 静止土压力的计算 静止土压力计算 如房屋地下室外墙 地下水池侧墙以及其他不产生位移的挡土结构 作用在外墙上的土压力均可认为是静止土压力 在墙后填土中任意深度Z处取一微小单元体 作用于单元体水平面上的应力为 则该点的静止土压力 即侧压力强度为 式中 土的水平压力系数即静止土压力系数 墙后填土重度 Z 计算点在填土面下的深度 11 沿墙高呈三角形分布 如取单位墙长则在墙上的总压力为 式中H 挡土墙高 m 的作用点距墙底H 3处 12 13 静止土压力系数的确定方法有如下几种 1 通过侧向压缩试验测定 2 对正常固结土 也可按下列半经验公式计算 6 3 式中 土的有效内磨擦角 3 按土的水平压力系数查表 14 朗肯土压力理论 基本假设 1 挡土墙为刚体 2 墙背垂直 光滑 3 填土面水平 其上无超载 朗肯理论特点 设计挡土墙是偏安全的 而且公式简单 便于记忆 被广泛应用 15 16 主动土压力计算 朗肯主动土压力强度的计算式 粘性土 无粘性土 式中 主动土压力系数 墙后土体重度 地下水位以下用有效重度C 墙后土体的粘聚力 KPa Z 计算点处距土面的深度 m 土的内摩擦角 17 无粘性土单位长度墙体上作用的主动土压力大小为式中 通过三角形的形心 作用在距墙底H 3高度处粘性土单位长度墙体上作用的主动土压力大小为对应于处的相应深度作用点距墙底处 18 主动土压力计算 19 被动土压力计算 粘性土 无粘性土 式中 被动土压力系数 墙后土体重度 地下水位以下用有效重度C 墙后土体的粘聚力 KPa Z 计算点处距土面的深度 m 土的内摩擦角 20 粘性土被动土压力分布 无粘性土被动土压力分布 21 被动土压力计算 粘性土 无粘性土 式中 被动土压力系数 墙后土体重度 地下水位以下用有效重度C 墙后土体的粘聚力 KPa Z 计算点处距土面的深度 m 土的内摩擦角 22 无粘性被动土压力呈三角形分布土单位长度墙体上作用的主动土压力通过三角形的形心 作用在距墙底H 3高度处粘性土被动土压力呈梯形分布 单位长度墙体上作用的被动土压力作用点通过梯形形心 23 库仑土压力理论 基本假设为 挡土墙是刚性体 墙后填土为均质无粘性砂土 c 0 挡土墙产生主动或被动土压力时 墙后填土形成滑动土楔 其滑裂面为通过墙踵的平面 滑动楔体可视为刚体 24 主动土压力计算 25 取单位墙长楔块为隔离体进行分析其上所受力有 楔体自重G 破裂面AM上的反力F其大小未知 方向与AM法向成角 并位于的下方 为土的内摩擦角 墙背处的反力E 大小未知 方向与墙背AN的法向成角 并位于的下方 为墙背与土之间的摩擦角 称处摩擦角 此力为挡土墙所受土压力的反作用力 土楔体ABM在上述三个力作用下处于静力平衡状态 三力构成的力的三角形必然是闭合 26 根据正弦定理有令 求出最危险滑动面所对应的破坏角为 27 主动土压力计算 库仑主动土压力计算公式式中 库仑主动土压力系数通过上式计算或查表取值 墙后填土重度 墙背倾角 俯斜为正 倾斜为负 墙后填土表面倾角 土对墙后的摩擦角 查表取库仑主动土压力强度沿墙高呈三角形分布 合力作用点在距墙踵1 3H处 合力方向与墙背法线成角 28 被动土压力计算 29 被动土压力计算 库仑被动土压力 30 规范法计算土压力 建筑地基基础规范 GB5007 2002 根据库仑理论原理 并考虑了土的粘聚力C的影响 推荐主动土压力理论公式式中 主动土压力系数 主动土压力增大系数 H 5m时取1 0 5m H 8m时取H H 8m时 取1 2 31 建筑地基基础规范 公式具有普遍性 但计算系数较繁 1 当填土为无粘性土时 可按库仑土压力理论确定 2 当挡土墙满足朗肯条件时 可按朗肯土压力理论确定 粘性土或粉土的也可采用楔体式算法图解求得 3 规范 对于高度小于或等于5m的挡土墙 当排水条件及填土质量符合要求时 其主动土压力系数可由规范中所规定的不同填土质量图查得 32 例1 已知一挡土墙 如图6 12 H 5m 墙背垂直 光滑 填土面水平 填土的物理性质指标为 KN m C 10KPa 试求主动土压力及被动土压力的分布 合力及其作用点的位置 解 因符合朗肯土压力条件 所以用朗肯理论计算 1 计算中心土压力系数 0 53 2 计算墙顶填土表面处土压力强度 3 计算墙底处土压力强度 4 计算单位墙长的总压力 33 例2 挡土墙高H 5m 墙背倾角 填土重度 c 0 填土与墙背摩擦角 试按库仑土压力理论求主动土压力及作用点 解 根据 查表得 由公式计算主动土压力为 作用点距墙底距离方向 与墙背夹角 34 填土面作用均布荷载时 土压力的计算 当挡土墙后填土表面有连续的均布荷载q作用时粘性土主动土压力粘性土被动土压力无粘性土主动土压力 35 成层填土 无粘性土 则主动土压力若墙后土体为粘性土 其主动土压力强度应扣除 36 例 挡土墙高为6m 填土的物理性质指标如下 墙背直立 光滑 填土面水平并有均布荷载q 试求挡土墙的主动土压力及作用点的位置 解 将均布荷载换算成填土的当量土层厚度h 0 526m在A点处的土压力强度在墙底处的土压力强度总主动土压力Ea 2 8 35 1 6 113 8KN m土压力作用点位置z 37 墙后填土中有地下水位时的土压力 粘性土 地下水位以下按饱和重度计算土压力 土压力分布在地下水位处有一转折点 不再另计静水压力 称为 水土合算 无粘性土 地下水位以下按有效重度计算土压力 另再计算静水压力 两者叠加为挡土墙所受总侧压力称之为 水土分算 38 挡土墙设计 挡土墙类型按结构形式可分为重力式 悬臂式 挟壁式 锚杆式及锚定板式和加筋挡土墙 39 1 重力式挡土墙此种类型的挡土墙 墙面暴露于外 墙背可以做成仰斜 直立和俯斜三种 一般由块石或混凝土材料砌筑 墙身截面较大 墙高一般小于8m 当h 8 12m时 宜用衡重式 重力式挡土墙依靠墙身自重抵抗土压力引起的倾覆弯矩 其结构简单 施工方便 能就地取材 在建筑工程中应用最广 40 2 悬臂式挡土墙悬臂式挡土墙一般由钢筋混凝土材料制成 主要依靠墙踵悬臂以上土重维持墙的稳定性 拉应力由墙体内的钢筋承受 其优点是能充分利用钢筋砼的受力特点 多用于市政工程及厂矿贮料仓库 41 3 扶壁式挡土墙当墙后填土较高时 挡土墙立壁挠度较大 为了增强立壁的抗弯性能 常沿墙的纵向每隔一定距离设置一道扶壁 称为扶壁式挡土墙 扶壁间填土可增强搞滑和抗倾覆能力 一般用于重要的大型土建工程 42 4 锚定板及锚杆式挡土墙锚定板挡土墙由预制的钢筋砼立柱 墙面 钢拉杆和埋置在填土中的锚定板在现场拼装而成 依靠填土与结构的相互作用力维持其自身稳定 与重力式挡土墙相比 其结构轻 预想性大 工程量少 造价低 施工方便 特别适用于地基承载力不大的地区 43 5 其他型式的挡土结构此外 还有混合式挡土墙如图6 22 a 所示 构架式挡土墙如图6 22 b 所示 板桩墙如图6 20 c 所示 加筋土挡土墙以及近年来发展的土工合成材料挡土墙图6 22 d 等 44 重力式挡土墙设计 1 埋置深度挡土墙的基础埋置深度 如基底倾斜 基础埋置深度从最浅处的墙趾计算 应根据持力层土的承载力 冻结深度 岩石风化程度 流水冲刷等因素确定 一般不应小于0 5m 2 截面形式的选择重力式挡土墙按前所述有三种形式 其中主动土压力最小的是仰斜式 最大的是俯斜式 所以从减小土压力因素来考虑 应优先选用仰斜式 若在填土方工程中造成填后填土压实困难时 也可选用其他形式 3 截面尺寸的选择采用试算法确定 一般先根据设计资料 由经验初选截面尺寸 然后进行验算 如不满足要求 再进行修改 一般规定块石挡土墙顶宽不宜小于500mm 混凝土挡土墙顶宽一般取200 400mm 底宽为 45 4 构造要求重力式挡土墙适用于高度小于6m 地层稳定 开挖土石方时不会危及相邻建筑物安全的地段 重力式挡土墙可在基底设置逆坡 对于土质地基 基底逆坡坡度不宜大于1 10 对岩质地基 基底逆坡坡度不宜大于1 5 块石挡土墙的墙顶宽度不宜小于400mm 混凝土挡土墙的墙顶宽度不宜小于200mm 重力式挡土墙的基础埋置深度应根据地基承载力 渤海湾冲刷 岩石裂隙发育及风化程度等因素进行确定 在特强冻胀 强冻胀地区应考虑冻胀的影响 在土质地基中 基础埋置深度不宜小于0 5m在软质岩地基中 基础埋置深度不宜小于0 3m 重力式挡土墙应每间隔10 20m设置一道伸缩缝 当地基有变化时宜加设沉降缝 在挡土结构的拐角处 应采取加强的构造措施 46 5 挡土墙稳定性验算 1 抗滑移稳定性按下式验算 其安全系数Ks应满足 KS G 挡土墙每延米自重 挡土墙基底的倾角 挡土墙墙背的倾角 土对挡土墙墙背的摩擦角可按表6 2选用 土对挡土墙基底的摩擦系数 由试验确定 也可由表6 4选用 47 验算不满足要求 可采取以下措施 1 加大挡土墙截面 增大墙身自重 2 在基底作砂 石垫层 增加摩擦系数 3 墙背做成仰斜或在墙背作卸载平台 4 加大墙底面逆坡 增加抗滑力 5 在墙踵后加拖板 利用拖板上的土重增加抗滑力 48 边坡稳定性分析 土坡失稳 又称滑坡 土坡在一定范围内整体地沿某一浮动面向内或向外移动而丧失其稳定性 49 边坡稳定性分析 影响土坡稳定的因素 1 土坡作用力发生变化 如在坡顶堆放材料或建造建筑物使坡顶受荷 或由于一些振动改变了原来的平衡状态 2 土体的抗剪强度低 如土中含水量和超静水压力的增加 3 静水力的作用 如雨水或地面水流人土坡中的竖向裂缝 对土坡产生的侧向压力 致使土坡滑动 50 边坡开挖要符合下列规定 在山坡整体稳定的条件下 土质边坡的开挖应符合下列规定 1 边坡的坡主允许值 应根据当地经验 参照同类土层的稳定坡度确定 娄土质良好且均匀 无不良地质现象 地下水不丰富时 可按表确定 2 土质边坡开挖时 应采取排水措施 边坡的顶部应设置截水沟 在任何情况下不允许在坡脚及坡面上积水 3 边坡开挖时 应由上往下开挖 依次进行 弃土应分散处理 不得将弃土堆置在坡顶及坡面上 当必须在坡顶基坡面上设置弃土转运站时 应进行坡体稳定性验算 严格挖制堆栈的土方量 4 边坡开挖后 应立即对边坡进行防护处理 在岩石边坡整体稳定的条件下 岩石边坡的开挖坡度允许值 应根据当地经验按工程类比的原则 参照本地区已有稳定边坡的坡度值加以确定 当地质条件良好时 按表6 6确定 51 边坡稳性分析 无粘性土坡稳定性分析抗滑力与滑动力的比值称为稳定安全系数K滑动力 T Wsin 垂直于坡面上的分力 N Wcos 最大静摩擦力 T Ntan Wcos tan K 52 当 时 K 1 土坡处于极限平衡状态 砂土的内摩擦角也称为自然休止角 当 即K 1 土坡就是稳定的 可取K 1 1 1 5 无粘性土土坡的稳定性与坡高无关 仅取决于坡角 53 粘性土坡的稳定性分析 滑动破坏特点粘性土坡发生滑动破坏时 破坏面的形状大多数为一近似于圆弧面的曲面 在进行理论分析时通常采用圆弧面计算 粘性土坡稳定性分析的常用方法 条分法和稳定数法 但应用最多的是条分法 基本假设 土坡沿最危险圆弧面发生破坏 各土条间的侧向作用力忽略不计 54 条分法 计算步骤如下 1 按比例绘出土坡剖面 图 a 2 任选一圆心O 以为半径作圆弧 AC为滑动面 将滑动面以上土体分成几个等宽 不等宽亦可 土条 3 计算每个土条的力 以第i土条为例进行分析 第i条上作用力有 纵向取1m 自重Wi 法向反力Ni和剪切力Ti