第五章土压力与土坡稳定性

2020年4月19日星期日 TeacherYangPing 第五章土压力与土坡稳定性 2020年4月19日星期日 TeacherYangPing 第一节概述 一 挡土墙 是指支挡其墙后土体不发生倒塌的结构 广泛用于房屋建筑 水利 以及道路和桥梁工程 二 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 2020年4月19日星期日 TeacherYangPing 第二节挡土墙侧的土压力 一 一般挡土墙属于平面问题 下面均按沿墙的长度方向截取单位长度截条进行分析 太沙基等人通过挡土墙的模型实验 研究了墙的位移与土压力的关系如下图 从图中可知 土压力的大小随墙的移动方向和位移量大小而变化 据此可将土压力分为以下三种类型 2020年4月19日星期日 TeacherYangPing 一 主动土压力Ea当挡土墙向离开土体方向偏移至土体达到主动极限平衡状态时 作用在墙背后的土压力称为主动土压力Ea 如右图 一般边坡挡土墙都受主动土压力的作用 所以主动土压力条件最为常见 2020年4月19日星期日 TeacherYangPing 二 被动土压力Ep当挡土墙向土体方向偏移至土体达到被动极限平衡状态时 作用在墙背后的土压力称为被动土压力Ep 如右图 桥台 堤岸挡土墙一般可按被动土压力计算 2020年4月19日星期日 TeacherYangPing 三 静止土压力E0位移为零时 墙后土体处于弹性平衡状态 此时墙背所受的土压力称为静止土压力E0 地下室挡土墙一般可按静止土压力计算 2020年4月19日星期日 TeacherYangPing 四 三者之间的关系 Ep E0 Ea注 在设计挡土墙时 墙身埋入地基中的部分 墙前土压力按被动土压力计算 但实际设计时往往不计这部分土压力可偏于安全 2020年4月19日星期日 TeacherYangPing 二 影响土压力的因素1 挡土墙的高度 结构型式 墙背形状和光滑程度 2 挡土墙的位移方向和位移量大小 3 墙后填土表面的形状及荷载作用情况 4 填土的物理力学性质 包括 c等 2020年4月19日星期日 TeacherYangPing 三 静止土压力的计算 任意点Z处静止土压力强度 式中 K0 土的静止土压力系数 查表选用 也可近似按K0 1 sin 为土的有效内摩擦角 计算 墙背填土的重度 kN m3 静止土压力为 E0的作用点在距墙底H 3处 2020年4月19日星期日 TeacherYangPing 第三节朗金土压力理论 一 基本假定 1 墙是刚性的 2 墙背垂直 光滑 3 墙后填土表面水平 二 主动土压力Ea的计算原理及公式 大主应力 z z小主应力 3 x 主动土压力强度 a由极限平衡条件得主动土压力强度为 2020年4月19日星期日 TeacherYangPing 无粘性土 式中 Ka 主动土压力系数 Ka tan2 45 2 墙后填土的重度 kN m3 地下水位以下取浮重度 c 填土的粘聚力 kPa 填土的内摩擦角 度 z 所计算点离填土面的深度 m 粘性土 2020年4月19日星期日 TeacherYangPing 主动土压力 无粘性土 Ea作用在距墙底H 3处 见上图 粘性土 临界深度 Ea作用在距墙底 H z0 3处 见上图 2020年4月19日星期日 TeacherYangPing 三 被动土压力计算基本原理及公式 小主应力 3 z z 大主应力 x 被动土压力强度 p 由极限平衡条件得被动土压力强度为 无粘性土 粘性土 2020年4月19日星期日 TeacherYangPing 被动土压力 无粘性土 式中 Kp 主动土压力系数 Kp tan2 45 2 其余符号同前面主动土压力计算公式 Ep作用在距墙底H 3处 见上图 粘性土 Ep作用在梯形的形心处 见上图 2020年4月19日星期日 TeacherYangPing 第四节库仑土压力理论 一 基本原理及适用条件1 基本原理 根据墙后土体处于极限平衡状态并形成一滑动楔块时 从楔块的静力平衡条件得出的土压力计算理论 2 适用条件 适用于墙后填土为无粘性土的任何情况下的墙背及填土面 3 基本假设 墙后填土是均匀的散粒材料 破坏滑动面是通过墙踵的平面 2020年4月19日星期日 TeacherYangPing 二 无粘性土土压力的计算原理及公式1 主动土压力 2020年4月19日星期日 TeacherYangPing 根据力矢三角形图 b 并按正弦定律得 将上式整理得主动土压力计算公式为 2020年4月19日星期日 TeacherYangPing 2020年4月19日星期日 TeacherYangPing 式中 Ka 库伦主动土压力系数 可按上面公式计算或查表 H 挡土墙高度 m 墙后填土的重度 KN M3 墙后填土的内摩擦角 度 墙背的倾斜角 度 以垂直线为准 顺时针为负 仰斜 逆时针为正 俯斜 墙后填土面的倾角 度 土对挡土墙背的摩擦角 也叫外摩擦角 查表确定 注 主动土压力强度沿墙高成三角形分布 如上图 主动土压力的作用点在离墙底H 3处 作用线方向与墙背法线的夹角为 2020年4月19日星期日 TeacherYangPing 2 被动土压力 2020年4月19日星期日 TeacherYangPing 按上述求主动土压力同样的原理可求得被动土压力的库伦公式为 令 则 2020年4月19日星期日 TeacherYangPing 被动土压力强度为 式中 Kp 被动土压力强度 其余符号同主动土压力计算公式 注 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离墙底H 3处 其方向与墙背法线成 角 2020年4月19日星期日 TeacherYangPing 第五节工程中常见情况土压力计算 一 填土表面有荷载作用的情况1 连续均布荷载且墙后填土面水平时的Ea B点的主动土压力强度为 A点的主动土压力强度为 主动土压力为 用假象的土重代替均布荷载 那么当量的土层厚度为 2020年4月19日星期日 TeacherYangPing 2 填土面和墙背倾斜时的Ea 当量土层的厚度仍为h q 假想的填土面与墙背AB的延长线交于A 点 故以A B为假想墙背计算主动土压力 假想的墙高为h H 根据 A AE的几何关系可得 然后 同样以A B为假想的墙背按地面无荷载的情况计算土压力 见图 2020年4月19日星期日 TeacherYangPing 二 成层土情况的Ea 计算第一层土的土压力按均质土计算 分布为图中abc部分 计算第二层土的土压力时 将第一层土按重度换算成与第二层土相同的当量土层厚度h1 h1 1 2 以假想的墙高为h1 h2的均质土计算 其压力分布为bdef部分 2020年4月19日星期日 TeacherYangPing 三 填土中有地下水的情况的Ea 地下水位以下的填土重度减轻为浮重度 地下水对挡土墙产生静水压力 所以 作用在墙背上的侧压力包括土压力和水压力两部分 2020年4月19日星期日 TeacherYangPing 第六节重力式挡土墙的设计 一 挡土墙的类型1 重力式挡土墙 重力式挡土墙由块石 毛石砌筑而成 它靠自身的重力来抵抗土压力 由于其结构简单 施工方便 取材容易 因而得到广泛应用 2020年4月19日星期日 TeacherYangPing 2 悬壁式挡土墙 悬壁式挡土墙一般用钢筋混凝土建造 它的竖壁和底板的悬壁拉应力由钢筋来承受 因而墙高可大于5m 而截面可小些 当墙高大于10m时 竖壁所受弯矩和产生的位移都较大 因此必须沿墙长纵向 每隔一定距离 0 8 1 0倍墙高 设置一道扶壁 2020年4月19日星期日 TeacherYangPing 3 锚杆式挡土墙 由钢筋混凝土墙板及锚固于稳定土 岩 层中的锚杆组成 锚杆可通过钻孔灌浆 开挖预埋或拧入等方法设置 其作用是将墙体所承受的土压力传递到土 岩层 内部 从而维持挡土墙的稳定 2020年4月19日星期日 TeacherYangPing 4 锚定板挡土墙 由钢筋混凝土墙板 钢拉杆和锚定板连接而成 然后在墙板和锚定板之间填土 作用在墙板上的土压力通过拉杆传至锚定板 再由锚定板的抗力来平衡 2020年4月19日星期日 TeacherYangPing 5 板桩墙 常采用钢板桩 并由打桩机械打入设置 用作深基坑开挖的临时土壁支护时 随着开挖的进行 可设置单层或多层支撑 6 加筋土挡土墙用钢量较多 国内少用 注 本节着重介绍重力式挡土墙的设计 2020年4月19日星期日 TeacherYangPing 二 重力式挡土墙的构造根据墙背倾角的不同 重力式挡土墙可分为以下三种 2020年4月19日星期日 TeacherYangPing 如上图所示 1 重力式挡土墙的顶宽不宜小于500mm 2 通常底宽约为墙高的1 2 1 3 3 仰斜式墙背的坡度不宜缓于1 0 25 墙面与墙背平行 如上图 4 竖直式的墙面坡度不宜缓于1 0 4 以减少墙身材料 5 墙底的埋深应不小于500mm 为了增加墙底的抗倾覆稳定性和抗滑能力 墙体在地面以下部分可做成台阶形 见下图 和基底可做成逆坡 见下图 2020年4月19日星期日 TeacherYangPing 6 墙身应设置泄水孔 其孔径不宜小于100mm 外斜坡度为5 间距2 3m 一般常在墙后做宽约500mm的碎石滤水层 以利于排水和防止填土中细粒土流失 墙身高度大的 还应在中部设置盲沟 见右下图 基底逆坡和基底台阶 2020年4月19日星期日 TeacherYangPing 7 墙后填土宜选择透水性较强的填料 且应分层夯实 当选作粘性土作为填料时 宜掺入碎石 以增大透水性 在季节性冻土地区 宜选用炉渣 粗砂等非冻胀性材料 8 在墙顶和墙底标高处宜设置粘土防水层 墙顶处的防水层可阻止或减少地表水渗入填土中 设置于墙底标高上的防水层 可避免水流进墙底地基土而造成地基承载力和挡土墙抗滑移能力降低 9 对不能采取有效排水措施的挡土墙 进行墙体稳定性验算时 应考虑水的影响 10 挡土墙应每隔10 20m设置伸缩缝 缝宽可取20mm左右 当地基有变化时宜加设沉降缝 挡土墙在拐角和端部处应加强 2020年4月19日星期日 TeacherYangPing 三 挡土墙的稳定验算1 抗倾覆验算 字母意义见图 挡土墙在主动土压力作用下产生倾覆时 一般绕O点转动 所以对O点求抗倾覆安全系数为 2020年4月19日星期日 TeacherYangPing 2 抗滑稳定性验算 抗滑稳定安全系数 土对墙底的磨擦系数 字母意义见图 2020年4月19日星期日 TeacherYangPing 三 地基承载力验算挡土墙的基底压力应小于地基承载力 挡土墙的基底常属偏心受压的情况 所以要求 四 挡土墙的墙身强度验算墙身强度验算 一般应选在截面突变处 进行抗压和抗剪强度验算 2020年4月19日星期日 TeacherYangPing 第七节土坡稳定性 一 概述1 土坡是指倾斜的土体 通常可分为天然土坡和人工土坡 2 当土坡的顶面和底面都是水平的 并延伸至无穷远 且由均质土组成 则称为简单土坡 如下图 3 土坡上的部分岩体或土体在自然或人为因素的影响下沿某一明显界面发生剪切破坏向坡下运动的现象称为滑坡 其根本