第八章：土压力

第八章 土压力 本章的主要内容 土压力的基本概念 两种主要的土压力理论及土压力计算 土压力计算的扩展应用 8 1概述 土压力 挡土构造后的填土因自重或外荷载作用对墙背产生的侧向压力 挡土构造的作用与形式 道路路堤挡土墙边坡护坡挡土墙地下室侧墙桥台散粒材料挡墙基坑支护板桩墙驳岸 水闸边墙 在建筑 桥梁 道路及水利等工程中 需用各种类型的挡土结构物支撑建筑物周围填土 保持建筑物或填土的安全与稳定 挡土墙应用举例 挡土构造应用举例 建成后的挡土墙 挡土构造应用举例 桥台下的挡土墙 挡土构造应用举例 正在建造的加筋土挡土墙 挡土构造应用举例 正在建造的涵洞 挡土构造应用举例 基坑支护 挡土构造破坏举例 防护堤的破坏 挡土构造破坏举例 护坡的破坏 轻型挡土构造的破坏 8 2挡土墙侧的土压力 位移对土压力的影响及三种土压力 挡土墙的位移方向是决定土压力性质的主要因素 被动土压力 主动土压力 静止土压力 Ea Eo Ep p a 位移对土压力的影响及三种土压力 静止土压力E0挡土墙刚性不动 土处于静止状态不产生位移和变形 此时作用在挡土墙上的土压力称静止土压力 主动土压力Ea挡土墙背离填土方向转动或移动 随着位移量的逐渐增大 作用于墙背的土压力逐渐减小 当墙后填土达到极限平衡状态时 土压力降为最小值 该土压力值即作用在挡土墙上的主动土压力 被动土压力Ep挡土墙向着填土方向转动或移动 随着位移量的逐渐增大 墙后土体受到挤压 引起土压力逐渐增大 当墙后填土达到极限平衡状态时 土压力增大为最大值 该土压力值即是作用在挡土墙上的被动土压力 影响挡土墙土压力的主要因素 挡土墙的位移 挡土墙的位移 转动 方向和位移量的大小是影响土压力大小的最主要因素 挡土墙的形状填筑材料的性质 分布及地下水情况地面荷载性质与分布 土压力的计算 挡土墙土压力计算属于平面应变问题 取单位延米墙长进行计算 土压力的计算理论主要有古典的朗肯理论和库伦理论 静止土压力的计算 静止土压力只发生在挡土墙为刚体 墙体不发生任何位移的情况 实际工程中 作用在深基础侧墙或者U形桥台上土压力 可近似看作静止土压力 若墙后填土为均质土 深度z处的静止土压力强度 作用在单位墙长土压力合力 静止土压力系数 考虑地下水的静止土压力计算 若墙后填土中有地下水 则计算静止土压力时 水中土的重度应取浮重度 静止土压力系数K0的确定 静止土压力计算的关键是静止土压力系数的确定 K0可由室内的或现场的静止侧压力试验来测定 对于砂或正常固结的粘土 可根据有效内摩擦角来确定 砂土K0 0 35 0 45 粘性土K0 0 5 0 7 8 3朗肯土压力理论 基本假定 填土及墙体视为均质半无限弹性体 墙背垂直光滑 不考虑墙背与填土间的摩擦力 墙后填土面水平 水平面和竖直面分别为大 小主应力平面 墙后填土处于极限平衡状态 可以利用土中一点的极限平衡条件 基本计算原理 认为墙后填土达到极限平衡状态时 与墙背接触的任一土单元体都处于极限平衡状态 然后根据土单元体处于极限平衡状态时应力所满足的条件来建立土压力的计算公式 基本计算原理 基本计算原理 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 3 z 1 Kp z 主动土压力的计算 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 极限平衡条件 朗肯主动土压力强度 朗肯主动土压力系数 主动土压力的计算 无粘性土的主动土压力 c 0 主动土压力的计算 粘性土的主动土压力 粘性土主动土压力强度包括两部分 土的自重引起的土压力 zKa粘聚力c引起的侧压力2c Ka 临界深度 被动土压力的计算 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 极限平衡条件 朗肯被动土压力强度 朗肯被动土压力系数 被动土压力的计算 无粘性土的被动土压力 c 0 被动土压力的计算 粘性土的被动土压力 粘性土被动土压力强度包括两部分 土的自重引起的土压力 zKp粘聚力c引起的侧压力2c Kp 几种常见情况的土压力计算 填土表面有分布荷载 填土表面有连续均布荷载 无粘性土 c 0 主动土压力 几种常见情况的土压力计算 填土表面有分布荷载 填土表面有连续均布荷载 无粘性土 c 0 被动土压力 几种常见情况的土压力计算 填土表面有分布荷载 填土表面有连续均布荷载 粘性土 c 0 主动土压力 几种常见情况的土压力计算 填土表面有分布荷载 填土表面有连续均布荷载 粘性土 c 0 主动土压力 几种常见情况的土压力计算 填土表面有分布荷载 填土表面有连续均布荷载 粘性土 c 0 被动土压力 几种常见情况的土压力计算 填土表面有分布荷载 填土表面有局部均布荷载的主动土压力简化计算方法 均布荷载自墙后某一距离开始连续分布 几种常见情况的土压力计算 填土表面有分布荷载 填土表面有局部均布荷载的主动土压力简化计算方法 均布荷载分布在墙后某一宽度范围内 几种常见情况的土压力计算 考虑墙后地下水作用的土压力计算 当墙后填土中有地下水时 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 当墙后填土有地下水时 作用在墙背上的侧压力有土压力和水压力两部分在计算作用在墙背上的总压力时应考虑水压力和土压力的共同作用 几种常见情况的土压力计算 考虑墙后地下水作用的土压力计算 主动土压力 几种常见情况的土压力计算 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进行计算 几种常见情况的土压力计算 坦墙墙背上的土压力 8 4库仑土压力理论 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 库仑土压力的计算原理 根据墙后土体处于极限平衡状态并形成一滑动楔体时 从楔体的静力平衡条件得出土压力的理论 库仑主动土压力计算图式 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 库仑主动土压力计算图式 库仑主动土压力的计算式 分析处于主动极限平衡状态土楔体ABC的静力平衡 3 墙背对土楔的反力E 方向与墙背法线夹角为 1 土楔自重G ABC 方向竖直向下 2 破坏面BC上的反力R 方向与破坏面法线夹角为 土楔在三力作用下的静力平衡条件 滑裂面是任意给定的 土压力E是 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 库仑主动土压力的分布 主动土压力强度 主动土压力 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 土压力强度分布图只代表强度大小 不代表作用方向 库仑被动土压力计算图式 库仑被动土压力计算图式 库仑被动土压力的计算式 分析处于被动极限平衡状态土楔体ABC的静力平衡 与主动土压力分析类似 被动土压力强度 被动土压力 库尔曼图解法 上述库仑土压力计算是基于填土表面为平面的假定上建立的 若填土的表面不是平面 而是折线或曲线时 就不能应用前述解析解直接计算 此时可以用图解法 库尔曼图解法 F A L 90 0 C1 W1 n1 m1 粘性填土的土压力 粘性填土的抗剪强度中包括粘聚力 采用库仑土压力理论对滑动块体进行受力分析时 当墙后填土达到极限平衡状态时 力矢多边形需考虑墙背面和滑动面上粘聚力作用 粘性填土的库仑土压力确定可采用试算图解法 对于工程实际中粘性填土问题 往往采用等代内摩擦角法 不直接考虑粘性填土粘聚力的影响 而是用一个等代内摩擦角来代替粘土的两个强度指标 然后再按无粘性填土问题求解 粘性填土的土压力 建筑地基基础设计规范 方法 考虑经典土压力理论适用范围的局限性 规范提出一种适合各种条件的土压力计算公式 Ka 主动土压力计算系数 可按规范公式计算 开挖情况下的土压力 8 5土压力理论的讨论 朗肯理论与库伦理论的比较 依据 半空间的应力状态和土的极限平衡条件 概念明确 计算简单 使用方便 理论假设条件 理论公式直接适用于粘性土和无粘性土 由于忽略了墙背与填土之间的摩擦 主动土压力偏大 被动土压力偏小 朗肯土压力理论 朗肯理论与库伦理论的比较 库仑土压力理论 依据 墙后土体极限平衡状态 楔体的静力平衡条件 理论假设条件 理论公式仅直接适用于无粘性土 考虑了墙背与土之间的摩擦力 并可用于墙背倾斜 填土面倾斜的情况 但库伦理论假设破裂面是一平面 与按滑动面为曲面的计算结果有出入 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 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 三种土压力在实际工程中的应用 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 挡土墙位移对土压力分布的影响 挡土墙下端不动 上端向外移动 无论位移多少 作用在墙背上的压力都按直线分布 当墙上端的移动达到一定数值后 墙后填土会发生主动破坏 此时作用在墙上的土压力称为主动土压力 挡土墙位移对土压力分布的影响 挡土墙上端不动 下端向外