第6章-土压力和土坡稳定..ppt

第六章土压力和土坡稳定 学习要求 掌握土压力的基本概念与常用计算方法 初步具备将土压力理论应用于一般工程问题的能力 1 掌握静止土压力 主动 被动土压力的形成条件 2 掌握朗肯土压力理论和库仑土压力理论 3 了解有超载 成层土 有地下水情况的土压力计算 4 理解土坡稳定分析的方法 基本内容 概述 静止土压力计算 朗肯土压力理论 库仑土压力理论 土坡稳定分析 土压力和土坡稳定 土压力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向压力 挡土墙 或挡土结构 是防止土体坍塌的构筑物 在房屋建筑 水利 铁路工程以及桥梁中得到广泛应用 由于土压力是挡土墙的主要外荷载 因此 设计挡土墙时首先要确定土压力的性质 大小 方向和作用点 土压力的计算是个比较复杂的问题 它随挡土墙可能位移的方向分为主动土压力 被动土压力和静止土压力 土压力的大小还与墙后填土的性质 墙背倾斜方向等因素有关 土压力和土坡稳定 6 1挡土墙及土压力的类型 挡土墙的作用挡土墙是各类工程建设中常见的支挡结构形式 它具有结构简单 占地少 施工方便和造价低廉等诸多优点 目前 不仅广泛应用于公路 铁路 城市建设 同时应用于水坝建设 河床整治 港口工程 水土保持 土地规划 山体滑坡防治等领域 挡土墙的分类挡土墙的种类很多 按照其结构特点可以分为 板桩墙 加筋土 锚定板 支撑式 重力式 扶臂式 悬臂式 挡土墙土压力的大小及其分布规律受到墙体可能的移动方向 墙后填土的种类 填土面的形式 墙的截面刚度和地基的变形等一系列因素的影响 根据墙的位移情况和墙后土体所处的应力状态 土压力可分为以下三种 静止土压力 当挡土墙静止不动 土体处于弹性平衡状态时 土对墙的压力称为静止土压力 一般用E0表示 主动土压力 当挡土墙向离开土体方向偏移至土体达到极限平衡状态时 作用在墙上的土压力称为主动土压力 一般用Ea表示 被动土压力 当挡土墙向土体方向偏移至土体达到极限平衡状态时 作用在挡土墙上的土压力称为被动土压力 用Ep表示 Ea 土压力E 位移 E0 三种土压力关系 试验研究表明 在相同条件下 静止土压力大于主动土压力而小于被动土压力在相同条件下 产生被动土压力时所需的位移量远远大于产生主动土压力时所需的位移量 Ea E0 Ep 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 a p Ep 挡土墙完全没有侧向位移 偏转和自身弯曲变形时 作用在其上的土压力即为静止土压力 1 地下室外墙通常地下室外墙 都有内隔墙支挡 墙位移与转角为零 按静止土压力计算 2 岩基上的挡土墙挡土墙与岩石地基牢固联结 墙不可能位移与转动 按静止土压力计算 3 拱座拱座不允许产生位移 故亦按静止土压力计算 此外 水闸 船闸的边墙 因与闸底板连成整体 边墙位移可忽略不计 也都按静止土压力计算 此时墙后土体处于侧限应力状态 弹性平衡状态 与土的自重应力状态相同 半无限土体中z深度处一点的应力状态 巳知其水平面和竖直面都是主应力面 6 2静止土压力计算 作用于该土单元上的竖直向主应力就是自重应力sz gZ 则水平向自重应力 静止土压力强度 式中 K0 静止土压力系数 0 K0 1 作用于单位长度墙上的静止土压力E0为 合力作用点位于h 3处 水平方向 6 2Rankine土压力理论 基本原理朗肯土压力理论是根据半空间的应力状态和土的极限平衡条件而得出的土压力计算方法 研究一表面为水平面的半空间 土体向下和沿水平方向都伸展至无穷 当整个土体都处于静止状态时 各点都处于弹性平衡状态 基本假定土体是具有水平表面的半无限体 墙背竖直光滑 采用这样假定的目的是控制墙后单元体在水平和竖直方向的主应力方向 由于为半空间 所以土体内每一竖直面都是对称面 因此竖直截面和水平截面上的剪应力都等于零 因而相应截面上的法向应力 z和 x都是主应力 此时的应力状态可用莫尔圆表示 由于该点处于弹性平衡状态 所以莫尔圆位于抗剪强度包线 破坏包线 的下方 如果使整个土体在水平方向均匀伸展 x减小 或压缩 x增大 直到土体由弹性平衡状态转为塑性平衡状态 1 土体在水平方向伸展上述单元体在水平截面上的法向应力 z不变 而竖直截面上的法向应力 x却逐渐减小 直至满足极限平衡条件为止 称为主动朗肯状态 此时 x达到最低限值pa pa是小主应力 z是大主应力 莫尔圆与抗剪强度包线 破坏包线 相切 剪切破坏面与水平面的夹角为 2 土体在水平方向压缩上述单元体在水平截面上的法向应力 z不变而竖直截面上的法向应力 x却逐渐增大 直至满足极限平衡条件为止 称为被动朗肯状态 此时 x达到最高限值pp pp是大主应力 z是小主应力 莫尔圆与抗剪强度包线 破坏包线 相切 剪切破坏面与水平面的夹角为 极限平衡条件 主动土压力强度B点 pa 0时 求得临界深度 单位长度墙上的总主动土压力为合力点位于处 水平向左 墙与土在很小的拉力作用下就会分离 一般情况下认为土不能承受拉应力 故在计算土压力时 这部分应忽去不计 对于无粘性土 且土体表面无荷载的情况 对于无粘性土 且土体表面有荷载的情况 被动土压力强度A点 B点 单位长度墙上的总主动土压力为合力点位于形心处 水平向左 对于无粘性土 且土体表面无荷载的情况 对于无粘性土 且土体表面有荷载的情况 对于粘性土 且土体表面有荷载的情况 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 在计算作用在墙背上的总压力中应包括水压力的作用 砂土 水土分算 粘性土 水土合算 假设上图中为粘性土 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 例 已知条件如图 求 作用在墙上的主动土压力Ea 6m 解 求土压力强度求临界深度作用点 方向 水平向左主动土压力合力Ea 6m A B 4 2kPa 0 54m Ea 1 82m 42 84kPa 例 挡土墙高7m 墙背竖直 光滑 墙后填土面水平 并作用有均布荷载q 20kPa 各土层物理力学性质指标如图所示 试计算该挡土墙墙背总侧压力及其作用点位置 并绘出侧压力分布图 第一层底部的土压力强度 解 因墙背竖直 光滑 填土面水平 符合朗肯条件 填土表面的土压力强度 第二层顶部的土压力强度 又设临界深度为z0 则有 第二层底水压力强度 各点土压力强度绘于图中 总侧压力为 第二层底部的土压力强度 作用点至墙底的距离为 或按材料力学求截面形心方法计算 基本原理把墙后达到极限平衡的滑动土楔体视为刚体 从滑动土楔体的静力平衡条件得出土压力理论 基本假定墙后的填土是理想的散粒体 粘聚力c 0 滑动破坏面为一通过墙踵的平面 墙后填土沿墙背和破坏面同时下滑 形成滑动楔体 刚体滑动 土楔体处于极限平衡状态 不计本身压缩变形 6 4Coulomb土压力理论 Ea 主动土压力强度取滑动楔体ABC为隔离体进行受力分析 作用于土楔ABC上的力有 自重 方向向下 反力R 方向与破坏面的法线之间的夹角j 反力E 反力E的方向必与墙背法线成d角 由正弦定理由正弦定理 上式中 g h e b和j d都是已知的 而滑动面与水平面的倾角q则是任意假定的 因此 假定不同的滑动面可以得出一系列相应的土压力E值 也就是说 E是q的函数 E的最大值Emax即为墙背的主动土压力 其所对应的滑动面即是土楔最危险的滑动面 求极值 主动土压力强度分布作用点在离墙底H 3处 方向与墙背法线的夹角为 左图中所示的土压力分布只表示其大小 而不代表其作用方向 e e e 被动土压力强度当墙受外力作用推向填土 直至土体沿某 破裂面BC 假设 破坏时 土楔ABC向上滑动 并处于被动极限平衡状态 此时土楔ABC在其自重W和反力R和E的作用下平衡 R和E的方向都分别在BC和AB面法线的上方 采用与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 被动土压力强度 e e e 粘性土的库仑土压力理论由前所知 库仑土压力理论假设墙后填土是理想的散体 只适用于无粘性填土 但在实际工程中常不得不采用粘性填土 为考虑粘性土的粘聚力c对土压力的效应 以往常采用所谓 等值内摩擦角j 代入公式计算 但误差较大 在低墙时偏于保守 高墙偏于危险 因此 近年来较多学者在库仑理论的基础上 计入了墙后填土面超载 填土粘聚力 填土与墙背间的粘结力以及填土表面附近的裂缝深度等因素 下图 的影响 提出了所谓的 广义库仑理论 根据图示计算图示 可导得主动土压力系数 建筑地基基础设计规范 推荐采用上述所谓 广义库仑理论 解答 但不计地表裂缝深度及墙背与填土间的粘结力见规范GB50007 2011 第六章土压力与土坡稳定 6 4土压力 朗肯与库伦土压力理论的比较 第六章土压力与土坡稳定 6 4土压力 朗肯与库伦土压力理论的比较 一土坡的基本概念 第六章土压力与土坡稳定 6 7土坡稳定分析 土坡的滑动 般系指土坡在一定范围内整体地沿某一滑动面向下和向外移动而丧失其稳定性 土坡的失稳常常是在外界的不利因素影响下触发和加剧的 一般有以下几种原因 1 土坡作用力发生变化 例如由于在坡顶堆放材料或建造建筑物使坡顶受荷 或由于打桩 车辆行驶 爆破 地震等引起的振动改变了原来的平衡状态 2 土抗剪强度的降低 例如土体中含水量或孔隙水压力的增加 3 静水力的作用 例如雨水或地面水流入土坡中的竖向裂缝 对土坡产生侧向压力 从而促进土坡的滑动 二土坡失稳的原因及稳定性分析 6 7土坡稳定分析 第六章土压力与土坡稳定 第六章土压力与土坡