挡土墙与边坡工程PPT课件

1 建筑施工现场 八大员 岗位资格考试及技能抽查要求掌握朗肯土压力理论和库仑土压力理论的基本知识 并能将其应用于一般工程问题 学会重力式挡土墙设计的基本知识 教学目标知识目标掌握静止土压力 主动土压力 被动土压力的基本概念 掌握朗肯土压力理论和库仑土压力理论的基本知识 熟悉有超载 成层土 有地下水情况等实际工程中的挡土墙土压力计算 掌握重力式挡土墙计算的基本内容 能力目标能正确计算挡土墙的土压力 能进行简单重力式挡土墙的设计 并指导施工 素质目标通过本模块的学习 培养学生理论联系实践的工程素质 通过本模块的学习 培养学生良好的组织 团队协作和沟通能力 模块四挡土墙与边坡工程 2 4 1挡土墙的认知与设计 4 2边坡稳定性计算 模块四挡土墙与边坡工程 3 挡土墙是一种用来侧向支撑土体或防止土体下滑的构筑物 在房屋建筑 铁路桥梁以及水利工程等木工程中应用很广 例如 边坡挡土墙 地下室侧墙 重力式码头的岸壁 桥台 散料仓库 板桩墙及地下洞室的侧墙等 4 1挡土墙的认知与设计4 1 1挡土墙的形式及在工程中的应用 4 按挡墙结构形式 挡土墙可分为 重力式挡土墙 悬壁式及扶壁式挡土墙 锚杆挡土墙 锚定板挡土墙 加筋土挡土墙及土钉挡土墙等 按墙体结构材料 挡土墙可分为 石砌挡土墙 混凝土挡土墙 钢筋混凝土挡土墙 钢板挡土墙等 5 6 7 8 9 10 建成后的坡间挡土墙 11 挡土墙发生事故的例子 多瑙河码头岸墙滑动 12 英国伦敦铁路挡土墙滑动图 13 垮塌的重力式挡墙 14 垮塌的护坡挡墙 15 失稳的立交桥加筋土挡土墙 16 山体滑坡 17 峨眉山山体滑坡正在抢修 18 挡土墙后的被支撑土体作用于挡土墙上的侧向压力 称为土压力 4 1挡土墙的认知与设计4 1 2土压力计算 19 一 土压力类型 20 1 静止土压力 挡土墙在压力作用下不发生任何方向的位移或转动 墙后填土处于弹性平衡状态时 静止状态 作用在挡土墙背的土压力 Eo 21 2 主动土压力 在土压力作用下 挡土墙离开土体向前位移或转动 墙后土体达到主动极限平衡状态时 作用在墙背的土压力 3 被动土压力 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 22 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 23 研究土压力的目的 1 设计挡土构筑物 如挡土墙 地下室侧墙 桥台和贮仓等 2 地下构筑物和基础的施工 地基处理方面 3 地基承载力的计算 岩石力学和埋管工程等领域 24 影响土压力的因素 挡土墙的土压力不是一个常量 其土压力的性质 大小及沿墙高的分布规律与很多因素有关 1 挡土墙的位移方向和位移量 2 挡土墙的性质 墙背的光滑程度和结构形式 3 墙后填土的性质 包括填土的重度 含水量 内摩擦角和黏聚力的大小及填土面得倾斜程度 25 静止土压力强度可按半空间直线变形体在土的自重作用下无侧向变形时的水平侧向应力 h来计算 下图表示半无限土体中深度为z处土单元的应力状态 二 静止土压力计算 26 设想用一挡土墙代替单元体左侧的土体 挡土墙墙背光滑 则墙后土体的应力状态并没有变化 仍处于侧限应力状态 竖向应力为自重应力 z z水平向应力为原来土体内部应力变成土对墙的应力 即为静止土压力强度p0 0 h K0 z 27 静止土压力沿墙高呈三角形分布 作用于墙背面单位长度上的总静止土压力 E0的作用点位于墙底面往上1 3H处 单位 kN m d 图是处在静止土压力状态下的土单元的应力摩尔圆 可以看出 这种应力状态离破坏包线很远 属于弹性平衡应力状态 28 E0 H 静止土压力的分布 29 朗肯土压力简介 土的极限平衡条件 半空间的应力状态 土压力的计算方法 三 郎肯土压力理论 朗肯土压力理论是根据半无限土体内的应力状态和土的极限平衡条件得出的土压力计算方法 朗肯将上述原理应用于挡土墙的土压力计算中 设想用墙背竖直且光滑的挡土墙代替半无限土体左边的土 则墙背与土的接触面上满足剪应力为零的边界应力条件以及产生主动或被动朗肯状态的边界变形条件 由此可推导出主动和被动土压力的计算公式 朗肯土压力理论的假设 1 挡土墙背面竖直2 墙背光滑3 墙后填土面水平 30 0 z K0 z 弹性平衡状态时的莫尔圆 自重应力 竖直截面上的法向应力 朗肯土压力类型 31 1 土体在水平方向伸展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 称为主动朗肯状态 0 z K0 z a 主动朗肯状态时的莫尔圆 32 2 土体在水平方向压缩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 称为被动朗肯状态 0 z K0 z p 被动朗肯状态时的莫尔圆 33 0 z K0 z a p 三种状态时的莫尔圆 34 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 35 1 无粘性土 一 土体的极限平衡状态 朗肯土压力计算公式 36 2 粘性土 37 1 无粘性土 二 主动土压力计算 38 Ea H 无粘性土的主动土压力强度分布图 39 2 粘性土 临界深度 40 Ea H 粘性土的主动土压力强度分布图 a d e b c 41 三 被动土压力计算 1 无粘性土 42 Ep 无粘性土的被动土压力强度分布图 H 43 2 粘性土 44 Ep 粘性土的被动土压力强度分布图 45 库仑土压力简介 土的极限平衡状态 滑动楔体静力平衡条件 土压力的计算方法 库伦土压力理论的基本假设 1 墙后的填土是理想的散粒体 粘聚力c 0 2 滑动楔体为刚体 3 楔体沿着墙背及一个通过墙踵的平面滑动 四 库伦土压力理论 46 一 主动土压力 按库伦理论求主动土压力 47 48 作用于土楔上的力 1 土楔体的自重 2 破坏面上的反力R 3 墙背对土楔体的反力E 由土楔体的静力平衡条件得 作用在墙背上的土压力 49 库伦主动土压力的一般表达式 或 Emax所对应的挡土墙后填土的破坏角 cr 即为真正滑动面的倾角 50 库伦主动土压力强度沿墙高呈三角形分布 主动土压力的作用点在距墙底H 3处 当墙背垂直 光滑 填土面水平时 库伦主动土压力的一般表达式与朗肯公式相同 51 二 被动土压力 按库伦理论求被动土压力 52 按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 或 53 库伦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墙底H 3处 当墙背垂直 光滑 填土面水平时 库伦被动土压力的一般表达式与朗肯公式相同 54 五 土压力计算方法的一些问题 朗肯理论与库伦理论的比较 1 朗肯土压力理论 1 依据 半空间的应力状态和土的极限平衡条件 2 概念明确 计算简单 使用方便 3 理论假设条件 4 理论公式直接适用于粘性土和无粘性土 5 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 55 2 库伦土压力理论 1 依据 墙后土体极限平衡状态 楔体的静力平衡条件 2 理论假设条件 3 理论公式仅直接适用于无粘性土 4 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 56 六 几种常见情况的土压力计算 1 填土表面作用均布荷载 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 以无粘性土为例 B点土压力强度 z q 57 利用重力等效原理假设填土为无粘性土墙顶主动土压力的强度 墙底主动土压力的强度 主动土压力分布图为梯形总主动土压力等于梯形的面积作用点 通过梯形的形心作用在墙背上 58 2 墙后填土分层情况 以无粘性土为例 1 1 2 2 3 3 Pa1上 Pa1下 pa2上 Pa3上 pa2下 Pa3下 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 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 59 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 地下水位以下的采用浮重度计算 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 A点 B点 C点 土压力强度 水压力强度 B点 C点 60 七 规范 法计算土压力 建筑地基基础设计规范GB50007 2011 规定 对土质边坡 边坡主动土压力应按式 4 19 进行计算 当填土为无粘性土时 主动土压力系数可按库伦土压力理论确定 当支挡结构满足朗肯条件时 主动土压力系数可按朗肯土压力理论确定 粘性土或粉土的主动土压力也可采用楔体试算法图解求得 规范 主动土压力计算简图 61 4 1挡土墙的认知与设计4 1 3挡土墙的计算与构造 一 挡土墙形式的选择 挡土墙选型主要从以下原则上考虑 1 挡土墙的用途 高度与重要性 2 建筑场地的地形与地质条件 3 尽量就地取材 因地制宜 4 挡墙结构型式安全而经济 62 1 重力式挡土墙截面尺寸设计 二 重力式挡土墙设计 挡土墙的截面尺寸一般按试算法确定 即先根据挡土墙所处的工程地质条件 填土性质 荷载情况以及墙身材料 施工条件等 凭经验初步拟定截面尺寸 然后逐项进行验算 如不满足要求 修改截面尺寸 或采取其他措施 挡土墙截面尺寸一般包括 1 挡土墙高度2 挡土墙的顶宽和底宽 63 2 重力式挡土墙的计算 1 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 m为基底摩擦系数 根据土的类别查表得到 重力式挡土墙的计算内容包括稳定性验算 墙身强度验算和地基承载力验算 64 2 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 3 整体滑动稳定验算可采用圆弧滑动法计算 见下节 65 4 地基承载力验算满足的条件 5 挡土墙墙身材料强度验算墙身任意断面上的法向应力应小于墙身材料的抗压强度 剪应力小于墙身材料抗剪强度 f为地基承载力设计值 66 3 重力式挡土墙的构造 在设计重力式挡土墙时 为了保证其安全合理 经济 除进行验算外 还需采取必要的构造措施 主要从基础埋深 墙背的倾斜形式 墙面坡度选择 基底坡度 墙趾台阶 伸缩缝 墙后排水措施及填土质量要求等几个方面考虑 1 基础埋深重力式挡墙的基础埋置深度 应根据地基承载力 水流冲刷 岩石裂隙发育及风化程度等因素进行确定 在特强冻涨 强冻涨地区应考虑冻涨的影响 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 67 3 重力式挡土墙的构造 2 墙背的倾斜形式 三种不同倾斜形式挡土墙土压力之间关系 E1 E2 E3 重力式挡土墙按墙背倾斜方向分为仰斜 直立和俯斜三种 应根据使用要求 地形和施工情况综合确定 68 3 重力式挡土墙的构造 2 墙面坡度选择当墙前地面陡时 墙面可取1 0 05 1 0 2的仰斜坡度 亦采用直立墙面 当墙前地形较为平坦时 对中 高挡土墙 墙面坡度可较缓 但不宜缓于1 0 4 4 基底坡度为增加挡土墙身的抗滑稳定性 重力式挡土墙可在基底设置逆坡 但逆坡坡度不宜过大 以免墙身与基底下的三角形土体一起滑动 对于土质地基 基底逆坡坡度不宜大于1 10 对于岩质地基 基底逆坡坡度不宜大于1 5 5 墙趾台阶当墙高较大时 为了提高挡土墙抗倾覆能力 可加设墙趾台阶 图4 25 墙趾台阶的高宽比可取 69 3 重力式挡土墙的构造 6 设置伸缩缝重力式挡土墙应每间隔10m 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 7 墙后排水措施挡土墙因排水不良 雨水渗入墙后填土 使得填土的抗剪强度降低 对产生挡土墙的稳定不利的影响 当墙后积水时 还会产生静水压力和渗流压力 使作用于挡土墙上的总压力增加 对挡土墙的稳定性更不利 70 3 重力式挡土墙的构造 8 填土质量要求挡土墙后填土应尽量选择透水性较强的填料 如砂 碎石 砾石等 因这类土的抗剪强度较稳定 易于排水 当采用粘性作填料时 应掺入适当的碎石 在季节性冻土地区 应选择炉碴 碎石 粗砂等非冻结填料 不宜采用淤泥 耕植土或膨胀土等作为填料 71 具有倾斜表面的土体称为土坡 当土质均匀 坡顶和坡底都是水平且坡面为同一坡度时 称为简单土坡 土坡根据其成因可分为两种 天然土坡 人工土坡 由于土坡表面倾斜 它在自身重力或外部荷载作用下 有从高处向低处滑动的趋势 一旦由于设计 施工或管理不当 或者由于地震 暴雨等不可预估的外部因素 都将可能使土体内部某个面上的剪应力达到并超过该面上的抗剪强度 稳定平衡遭到破坏 造成土坡中的一部分土体相对于另一部分土体向下滑动 这种现象称为滑坡 4 2边坡稳定性分析4 2 1边坡稳定的意义与影响因素 72 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 73 1 天然土坡 江 河 湖 海岸坡 74 2 人工土坡 挖方 沟 渠 坑 池 露天矿 75 2 人工土坡 填方 堤 坝 路基 堆料 小浪底土石坝 76 一部分土体在外因作用下 相对于另一部分土体滑动 滑坡 77 简单土坡 土坡的顶面和底面都是水平的 并伸至无穷远 土坡由均质土组成 78 79 影响土坡稳定的因素有多种 包括土坡的边界条件 土质条件和外界条件 1 土坡坡度 土坡坡度可用坡度角的大小来表示 也可用土坡高度与水平尺度之比来表示 坡度角越小 土坡的稳定性越好 2 土坡高度 土坡高度指坡脚至坡顶之间的垂直距离 在其他条件相同时 坡高越小 土坡的稳定性越好 3 土的性质 土的性质越好 土坡的稳定性越好 4 气象条件 天气晴朗时土坡处于干燥状态 土的强度大 土坡稳定性好 若连续大雨使大量雨水入渗 土的强度降低 可能导致土坡滑动 80 5 地下水渗透