09第七章挡土的土压力

1、 挡土墙上的土压力挡土墙上的土压力earth pressure on retaining wall第七章第七章 排水管排水管排水孔排水孔混凝土墙混凝土墙土工织物反滤土工织物反滤砂砾石料砂砾石料挡土墙挡土墙 retaining wall土压力土压力earth pressure土压力土压力earth pressure土土为什么破坏？怎么评价、预测？为什么破坏？怎么评价、预测？7.1 概述7.2 朗肯(rankine)土压力理论7.3 库仑(coulomb)土压力理论7.4 几种常见主动土压力计算第七章第七章 挡土结构物上的土压力挡土结构物上的土压力库仑库仑c. a. coulomb(1736-18

2、06)w.j.m. rankine 1820-1872 scotland7.1 概述概述 什么是挡土结构物什么是挡土结构物 retaining structure 什么是土压力什么是土压力 earth pressure 影响土压力的因素影响土压力的因素 7.1 概述概述挡挡土土结结构构物物及及其其土土压压力力 7.1 概述概述支支撑撑天天然然斜斜坡坡e地下室侧墙地下室侧墙e填土填土e填填土土堤岸挡土墙堤岸挡土墙拱桥桥台拱桥桥台erigid wall一一 、挡土结构物、挡土结构物( (挡土墙挡土墙) )支支撑撑天天然然斜斜坡坡e拱桥拱桥桥台桥台e为防止土体坍塌而修建的挡土结构。用来支撑天然或人工

3、斜坡不用来支撑天然或人工斜坡不致坍塌以保持土体稳定性，致坍塌以保持土体稳定性，或使部分侧向荷载传递分散或使部分侧向荷载传递分散到填土上的一种结构物。到填土上的一种结构物。 7.1 概述概述古月堂西侧的挡土墙古月堂西侧的挡土墙挡土墙的存在限制了土体的移动，对墙后土体来讲，是一个约束，因而墙后土体对挡土墙的墙背要产生一个约束反力：土压力二、挡土结构物上的土压力二、挡土结构物上的土压力 7.1 概述概述三、挡土墙类型三、挡土墙类型( (按刚度及位移方式按刚度及位移方式): ):l 刚性挡土墙刚性挡土墙l 柔性挡土墙柔性挡土墙锚杆锚杆板桩板桩板桩变形板桩变形 7.1 概述概述刚性刚性挡土墙挡土墙t型型

4、预应力预应力刚性加筋刚性加筋圬圬工工式式l型型扶壁扶壁 7.1 概述概述古月堂西侧的挡土墙浆砌块石古月堂西侧的挡土墙浆砌块石挡土墙形式挡土墙形式-刚性挡土墙刚性挡土墙 7.1 概述概述挡土墙形式挡土墙形式-刚性挡土墙刚性挡土墙 7.1 概述概述护坡桩形成的挡土结构挡土墙形式挡土墙形式-刚性挡土墙刚性挡土墙 7.1 概述概述混凝土挡土墙及复合排水管完工完工挡土墙形式挡土墙形式-刚性挡土墙刚性挡土墙 7.1 概述概述土工格栅加筋建成土工格栅加筋建成56.5m高高的加筋挡土墙的加筋挡土墙挡土墙形式挡土墙形式-刚性挡土墙刚性挡土墙 7.1 概述概述挡土墙形式挡土墙形式-刚性挡土墙刚性挡土墙 7.1 概

5、述概述加筋土挡墙加筋土挡墙挡土墙形式挡土墙形式-刚性挡土墙刚性挡土墙 7.1 概述概述上海市外环过上海市外环过江隧道岸埋段江隧道岸埋段基坑支撑基坑支撑挡土墙形式挡土墙形式-刚性挡土墙刚性挡土墙 7.1 概述概述柔性支护结构柔性支护结构柔性支护结构柔性支护结构锚杆锚杆板桩板桩板桩变形板桩变形板桩上土压力板桩上土压力 实测实测 计算计算板桩板桩锚杆锚杆基坑支撑上的土压力基坑支撑上的土压力变形变形土压力分布土压力分布 7.1 概述概述地下建筑物地下建筑物发生在土体内部或者与土相邻的结构物上的压力竖向土压力新填土新填土b外外土土柱柱内内土土柱柱等沉面等沉面沟埋式沟埋式上埋上埋式式7.1 概述概述- -

6、地下建筑物地下建筑物本章要讨论的中心问题本章要讨论的中心问题刚性挡土墙刚性挡土墙上土压力性质及土压力计算上土压力性质及土压力计算:土压力的大小、方向、分布及合力作用点。土压力的大小、方向、分布及合力作用点。排水排水管管排水排水孔孔混凝混凝土墙土墙土工织物土工织物反滤反滤3.被动土压力被动土压力passive earth pressure四、墙体位移和土压力性质四、墙体位移和土压力性质7.1 概述概述- -土压力类型土压力类型1.静止土压力静止土压力earth pressure at rest2.主动土压力主动土压力active earth pressure岩石拱桥桥台本章要讨论的中心问题本章要

7、讨论的中心问题刚性挡土墙刚性挡土墙上土压力性质及土压力计算上土压力性质及土压力计算:土压力的大小、方向、分布及合力作用点。土压力的大小、方向、分布及合力作用点。被动土压力被动土压力主动土压力主动土压力五五 、挡土墙上的土压力的影响因素、挡土墙上的土压力的影响因素1.土的性质土的性质2.挡土墙的移动方向挡土墙的移动方向3.墙和土的相对位移量墙和土的相对位移量4.土体与墙之间的摩擦土体与墙之间的摩擦5.挡土墙类型挡土墙类型墙体位移对土压力的影响墙体位移对土压力的影响1墙体位移的方向墙体位移的方向和相对位移量决定着和相对位移量决定着所产生的土压力的性质和土压力的大所产生的土压力的性质和土压力的大小。

8、小。2.挡土墙所受土压力的大小并不是一个常挡土墙所受土压力的大小并不是一个常数，而是随位移量的变化而变化。数，而是随位移量的变化而变化。3.三种特定情况下的土压力，即三种特定情况下的土压力，即静止土压静止土压力力、主动土压力主动土压力和和被动土压力被动土压力。7.1 概述概述- -土压力类型土压力类型三种土压力1. 静止土压力静止土压力7.1 概述概述- -土压力类型土压力类型h+ - = h土压力eepe0ea - h15%15%o = /h=0 地下室地下室 e=e0地下室侧墙地下室侧墙e填土填土墙土间无位移，墙后填土处于弹性平衡状态，此时墙背上的土压力称为静止土压力，记为eo 。2. 主

9、动土压力主动土压力墙体墙体外移外移，土压力逐渐土压力逐渐减小减小，当土体当土体破坏破坏，达到，达到极限平衡极限平衡状态状态时所对应的土压力时所对应的土压力最小最小7.1 概述概述- -土压力类型土压力类型eh+土压力eepe0ea - h = h15%15%o在土压力作用下，挡土墙发生离开土体方向的位移，墙后填土达到极限平衡状态，此时墙背上的土压力称为主动土压力，记为ea 。3. 被动土压力被动土压力墙体内移，墙体内移，土压力逐渐增大，土压力逐渐增大，当土体破坏，当土体破坏，达到极限平衡状态达到极限平衡状态时所对应的时所对应的土压力最大土压力最大7.1 概述概述- -土压力类型土压力类型土压力

10、eepe0ea - h = h15%15%o-在外力作用下，挡土墙发生挤向土体方向的位移，墙后填土达到极限平衡状态，此时墙背上的土压力称为被动土压力，记为ep 。15%15%oaope e eap 0填土为砂土填土为砂土 c0 e库仑库仑rwe朗肯朗肯e库仑库仑rwe朗肯朗肯三、库仑理论应用中的几个问题7.3 库仑库仑土压力理论土压力理论21coscos2cosaaaeh kqhkglhwabcqrea wgreaeaqkaghka三角形相似三角形相似7.3 库仑库仑土压力理论土压力理论五. 填土面上有大面积均布荷载时的土压力计算填土面倾斜时如图：gqh bca90o -90o + - 由图中

11、的三角形相互关系得：cos cah)90sin()90sin(cosoobahgqh)cos(coscos然后，以cd为墙背，按h+h为墙高进行计算，但这种计算仅在墙高范围内有效。adcbq hhf7.3 库仑库仑土压力理论土压力理论7.4 几种工程中常见的主动土压力计算几种工程中常见的主动土压力计算一一. 坦墙坦墙 cr=45o- /2填土表面水平填土表面水平(1) 假设垂直墙面假设垂直墙面cd上主动土压力上主动土压力ea(2) 作用在真实墙面作用在真实墙面ac上的土压力上的土压力e朗肯理论朗肯理论creabdc45o-/2b朗肯朗肯eawewea7.4 几种工程中常见的主动土压力计算几种工

12、程中常见的主动土压力计算(1) 求解假设墙面求解假设墙面cb上主动土压力上主动土压力 e a(2) 作用在真实墙面作用在真实墙面ac上的土压力上的土压力 e1sin145sin2 22sincr 库仑理论库仑理论r e aw crcabb 一一. 坦墙坦墙填土表面倾斜填土表面倾斜ewe ae7.4 几种工程中常见的主动土压力计算几种工程中常见的主动土压力计算二二. 墙背形状有变化墙背形状有变化带卸荷台的挡土墙土压力带卸荷台的挡土墙土压力h1h245o+/2g g(h1+h2)kag gh1kaabdcece四、库尔曼图解法确定主动土压力当填土表面不规则时，用公式计算很困难，此时可采用图解法确定

13、。比较常用的应属库尔曼（c.culmann.1875)图解法，步骤如下：h1.过墙脚b作水平线bh；abh2.过b点作线，与水平 线成角；3 .过b点作线，与线 成=90o- - 角；4.任选一试算的滑动面bc1，c1它与水平线成1角，计算滑楔体abc1的重力g1，线1线线habh =90o- - c11 线按适当的比例尺在线上画出bd1代表g1 ，d1g1过d1点作直线与线平行，交线于e1 点，e1则d1e1线段的长度就是土楔体abc1对墙背的作用力e1，e1g- 90 + +-+er线90 - - 5.重复上述步骤，假定n个滑动面，可得n个e值habh =90o- - c11 线d1g1e

14、1e1线c2g2e2e2habh =90o- - c1线d1g1e1e1线c2g2e2e2g3c3e3e3habh =90o- - c1线e1e1线c2e2c3encne线或库尔曼线作直线平行于线并与e线相切ea=emaxg1g2g4土压力作用点的位置：habhc形心g过形心作bc的平行线ea墙背法线五、粘性土土压力的图解法h如果墙体不受约束，当位移很大，墙后填土的抗剪强度充分发挥时，填土顶面zo深度处将出现拉力裂缝，按朗肯理论zo =2.c/.m裂缝深度内，内聚力c=0。hzo1.假设滑动面bc1，bac1d2.计算土楔体abc1d的 重力g1，3.作力多边形g1hhzobac1dg1g1c

15、carecca 墙背法线滑动面法线recbc1面上的粘聚力，c=c*bc1的 长度，沿bc1面方向作用，阻止土楔体下滑，方向向上。ca ab面上的粘聚力， ca = ca *ab的 长度，沿ab面方向作用，阻止土楔体下滑，方向向上,ca为墙背与土之间的粘聚力。粘性土的图解法粘性土的图解法02aczkgw中包括中包括bcdeeaz0wbcdacadcaerewearcaecad土压力的确定：hzobc1agccarree1e2e3enea=emax最危险滑动面例题：图示挡土墙，墙背光滑、垂直，填土面水平，其它指标见图，求作用在墙背上的主动土压力和被子动土压力的值。4.0m3.5mc=10kpa=

16、19kn/m=20c=12kpa=18kn/m=30q=20kpa解：主动土压力)245tan(11om70. 0)22045tan(oo)245tan(22om577. 0)23045tan(oo12311211122)(mcmqhpag上70. 010249. 0)200 . 419()(04.33kpa112112)0(mcmqpa70. 010249. 020)(20. 4kpa20. 404.3322221122)(mcmqhpag下577. 012233. 0)200 . 419()(89.17kpa89.172222221132)(mcmqhhpagg577. 012233. 0

17、)205 . 3180 . 419()(68.38kpa68.3812320. 404.3389.1768.38zo根据三角形相似比：451.02 .404.332 .40 .4oz)/(63.58)451. 04(04.33211mkneaea1)/(00.995 . 3)68.3889.17(212mkneaea221aaaeee)/(63.15700.9963.58mkn被动土压力11211/2/ )0(mcmqpp70. 010270. 0202)(39.69kpa1121112/2/ )(mcmqhppg上70. 010270. 0)200 . 419(2)(49.224kpa222

18、2112/2/ )(mcmqhppg下577. 0122577. 0)200 . 419(2)(57.329kpa222222113/2/ )(mcmqhhppgg123577. 0122577. 0)205 . 3180 . 419(2)(57.518kpa69.3949.22457.32957.518)/(76.587)49.22439.69(0 . 4211mknep5 .3)57.51857.329(212pe25.148476.58721pppeee)/(01.2072mknep1ep2本题中：ep/ea=2072.01/157.63=13.14可见：被动土压力大大大于主动土压力。)

19、/(25.1484mkn 7.5车辆荷载土压力lo=h*(tg+ctg)l o设桥台计算宽度为b则在b*lo范围内，当量土厚度hog*oelbgh lo破坏棱柱长度,m ；土的容重，kn/m3 ；g破坏棱体内，所有各车轮压之和，kn；b桥台计算宽度，按规范规定取值：hgbbblo破坏面与水平面的夹角余切：确定破坏棱体长度lo )()()(tgtgtgctgtgctg墙背俯斜时（即0)墙背仰斜时（即0)()()(tgtgtgctgtgctg墙背垂直时（即=0)()()(tgtgctgtgctg墙背仰斜0=0ea值最小ea值居中ea值最大有了当量土层厚度he后，将其当成作用在墙后填土面上的大面积均

20、布土体（大面积均布荷载q=*he），利用前面的方法进行计算。即：habaeabkhhkqhp)()(ggaeaakhkqpgaeakhhhe)2(21gcosaaxeesinaayeeeo与水平线之间的夹角。eaeaxeay墙背法线水平线hh.he.ka.(h+ he).ka= +ea.(h+ he).ka .cos.he.ka .cos.he.ka .ctg . sin.(h+he ).ka .ctg. sineaxeay墙背法线7.6 挡土墙设计一、挡土墙的类型1.重力式挡土墙在土压力作用下，墙要向前倾覆或移动，而墙身自重对抗倾覆和抗移动都是有利的；为了增加墙身自重，这类挡土墙通常由素混凝

21、土、毛石等自重较大的材料作成，如图。这样的一类挡墙通常称为重力式挡土墙。重力式挡土墙2.悬臂式挡土墙墙身用钢筋混凝土制作，内配受拉钢筋，墙身稳定性靠墙趾上的土体自重来维持。适用于墙高为10.0m左右的挡土墙。g支撑天支撑天然斜坡然斜坡eh由于依靠自身的重力来抵抗倾覆或移动，当墙高较大时，为满足稳定需要的墙身断面过大，不经济，因此，重力式挡墙的适宜高度以不超过6.0m为宜。3.扶壁式挡土墙在悬臂式挡土墙的基础上，沿纵向每隔12m加设一道胁板，以增加立板的刚度扶壁式挡土墙。4.锚板式挡土墙理论滑裂面挡土墙验算包括地基承载力验算、墙身承载力验算和墙身稳定性验算三部分7.6挡土墙设计5. 加筋挡土墙加

22、筋挡土墙 7.6 挡土墙设计 s s3=2 c tg(45o-/2)1 1 土工合成材料土工合成材料 土工布土工布 土工带土工带 土工格栅土工格栅2 2 原理：原理：筋材在拉应变方筋材在拉应变方向，提供拉力，向，提供拉力，对土体产生压力，对土体产生压力，从而提高土的抗从而提高土的抗剪强度剪强度加筋土中的土加筋土ss3s s1 c素土s s3 5. 加筋挡土墙加筋挡土墙 7.6 挡土墙设计二、墙身稳定性验算工程中的挡土墙，为了增加其基底的抗滑移性能，常做成基底逆坡的形式；其失稳破坏有两种形式：一为沿基底的滑移，另一为绕墙趾a点的转动，作用在挡土墙上的力有土压力ea，墙体自重g，1.倾覆稳定验算g

23、ea取x、z轴，将各力向坐标轴上投影xzeax= ea sin( -)eaz= ea cos ( -)oxobzfz6.1faxfazozexexg所有各力对a点取矩，要求：xfa 7.6挡土墙设计2.滑移稳定验算tngn= g.coso ， gt= g.sino eat= ea .sin(- o -)ean= ea .cos(- o -)要求：其中：g挡土墙每延米自重；o挡土墙基底倾角；挡土墙墙背倾角；土对挡土墙墙背的摩擦角；土对挡土墙基底的摩擦系数；geaoxobzfzxfa3 .1)(tatanngeeg沿着基度方向取为轴t ，其垂直方向取为n 轴，将各力向坐标轴上投影 7.6 挡土墙设

24、计挡土设计中的几个名词墙顶 墙面 墙背墙底墙背倾角填土面倾角墙趾墙踵 7.6挡土墙设计三、重力式挡土墙构造要求1.墙背倾斜方式=00墙背仰斜墙背垂直墙背俯斜ea值最小ea值居中ea值最大适用于墙前平坦地面适用于墙前倾斜地面=0适用于填土筑墙墙背的倾斜形式应根据使用要求、地形和施工情况综合确定。2.墙面坡度选择墙前地面较陡时，墙面坡度可取1：0.051：0.2，亦可直立。 7.6挡土墙设计墙前地面较缓时，对中、高挡土墙，墙面坡度可适当放缓，但不宜缓于1：0.4，以免增加墙身高度或开挖宽度。仰斜墙墙背越缓，主动土压力越小，但为了避免施工困难，仰斜墙墙背坡度一般不宜缓于1：0.25，墙面坡尽量与墙背

25、坡平行。3.基底逆坡为了增加基底的抗滑移性，常将基底做成逆坡；但逆境坡坡度过大，破坏面常不在墙土接触面上，而是发生在土中；因此，设计时逆坡坡度不宜过大。在土质地基中，可取n：l=0.1：1，在岩石地基中，可取n：l=0.2：1nl4.墙趾台阶和墙顶宽度为增加承压面积，满足地基承载力要求，可在墙趾设置台阶，对重力式挡土墙，墙趾台阶宽度不小于200mm，且墙趾台阶高宽比可取h:a=2:1。 7.6挡土墙设计1bah墙顶宽度采用毛石时，不应小于500mm，混凝土挡土墙，可为200400。同时，基底法向力的偏心距应小于等于b1/4。5. 排水措施墙后积水时，要产生水压力，若土粒受到水浮力，虽使自重减轻

26、，土压力减小；但此时水压力和土压力之和却比无水时的土压力大；且土体浸水后软化，强度降低，很容易导致墙体失稳、破坏；特别是在季节性冻土地区，浸水后的冻胀作用非常严重，设计上难以计算，是造成挡土墙失稳破坏的重要原因。因此，正常使用中墙后不允许存水排水、隔水。i=5%排水沟排水孔反滤层(500mm)隔水层隔水层 7.6 挡土墙设计i=5%排水孔排水沟排水孔反滤层(500mm)隔水层隔水层隔水层 7.6 挡土墙设计 7.7 支撑结构物上的土压力一、悬臂式板计墙的土压力天然地面天然地面h天然地面ht天 然 地 面ht天然地面htzaeaepep2d0dmnimjpipiaiaizekze111其中的k为

27、安全系数，一般取k=2.0下面通过例题，来看看上式的具体应用。天然地面ea1ea2ea3ep2ep3ep1zp2htza2za1za3zp1d4.0mc =21kpa=18kn/m=23粉质粘土粘土(很深）c=10kpa=19kn/m=16欲在图示土层上垂直开挖h=5.5m深的基坑，采用悬臂板桩墙支护，求板桩墙的入土深度t。4.0m粉质粘土粘土(很深）4.0m1.5mtc =21kpa=18kn/m=23c=10kpa=19kn/m=16解：考虑10kpa的地面超载4.0m粉质粘土4.0m1.5mtabcdc=10kpa=19kn/m=16粘土(很深）c =21kpa=18kn/m=23)24

28、5tan(11om)21645tan(oo753. 0662.0)22345tan()245tan(22ooom)(39. 9753. 0*10*2753. 0*10221121kpamcmqpaa)(70.33753. 0*10*2753. 0*)100 . 4*19(2)(2112111kpamcmqhpabg上)(88. 9662. 0*21*2662. 0*)100 . 4*19(2)(2222211kpamcmqhpabg下)(72.21662. 0*5 . 1*1888. 92kpapac4.0m粉 质粘 土4.0m1.5mtabcdc=10kpa=19kn/m=16粘 土(很 深

29、 ）c =21kpa=18kn/m=234.0mc=10kpa=19kn/m=16c =21kpa=18kn/m=23粉 质粘 土粘 土(很 深 ）4.0m1.5mtabcd9.8833.7021.72-9.39)(872. 04*70.3339. 939. 9mzc)872. 04(*70.33*211ae)/(71.52mkn)872. 04(*311cz4.0mc=10kpa=19kn/m=16c =21kpa=18kn/m=23粉 质粘 土粘 土(很 深 ）tabcd9.8833.7021.72-9.394.0m0.872mea1.043m1.5m)(043.1m22/2mcppc66

30、2. 0/21*2)(44.63kpa4.0mc=10kpa=19kn/m=16c =21kpa=18kn/m=23粉质粘土粘土(很深）4.0m1.5mtabc9.8833.7021.72-9.390.872m1.043mead63.4421.72+18*t*0.66263.44+18*t/0.66222 0dm)35 .1(*21*5 .1*)88.972.21()25 .1(*5 .1*88.9)5 .1043.1 (*71.52ttt03*2*662.0*182*44.63*13*2*662.0*182*72.212222ttttktttt取k=2，整理得：06 .149*47.71*0

31、 . 5*108. 223ttt0968.70*904.33*372. 223ttt926.113904.339372. 2392221bbp968.70)904.33(*372. 2*31372. 2*272*31*272332131bbbbq032213bxbxbx173.430252.1230)926.11()2173.43()2(3232pqa185.41926.1133pr625. 1173.43926.11*4173.43tan4tan321321qpq58.39o)(721. 53372. 2339.58cos*185.41*233cos2311311mbrt)(040. 633

32、72. 2336039.58cos*185.41*2332cos2311312mbrto)(054. 23372. 2372039.58cos*185.41*2334cos2311313mbrto)(6 . 6)(578. 672. 5*15. 1mmt取：二、桩（板）锚结构土压力及入土深度计算天 然 地 面ea1ea2ea3ep2ep3ep1zp2htza2za1za3zp1悬臂式板桩基坑深度一般不宜超过6.0m，且周边没有高大建筑物或重要管线等设施的情况；天 然 地 面htea1ea2ea3ep1ep2ep3za1za2za3zp1zp2xt天然地面hea1ea2za1tza3za2ep3

33、ea3ep2ep1zp2zp1t1t2xx2这种结构一般采用等值梁法计算。根据pa=pp的条件求出y值，经分析认为该点处的m=0（反弯点）m=0，可求出t1，所有各力对桩尖取矩，可得桩的入土深度t。天 然 地 面htea1ea2ea3ep2ep3za1za2za3zp1zp2t1xypa=pp当基坑深度较大或需要限制桩顶位移时，可在适当位置进行拉锚，以减少板桩的入土深度和限制桩顶位移。天 然 地 面htea1ea2ea3ep2ep3za1za2za3zp1zp2t1xypa=pp天 然 地 面htea1ea2ea3ep2ep3za1za2za3zp1zp2t1xypa=ppt2x如果是多个支点，则根据下一个开挖面的pa=pp条件求出下一个y值，对新的pa=pp点取