工程地质及土力学-土压力与土坡稳定(新版)课件

1、目 录8.1 挡土墙及土压力的类型8.2 朗肯土压力理论8.3 库仑土压力理论8.5 土的边坡稳定分析8.4 普通重力式挡土墙的设计山体滑坡8.1挡土墙及土压力类型挡土墙应用举例建成后的坡间挡土墙 挡土墙发生事故的例子多瑙河码头岸墙滑动英国伦敦铁路挡土墙滑动图垮塌的重力式挡墙垮塌的护坡挡墙8.1.1挡土墙的类型挡土墙：用来支撑天然或人工斜坡不致坍塌以保持土体稳定性，或使部分侧向荷载传递分散到填土上的一种结构物。按常用的结构形式分：重力式、悬壁式、扶臂式、锚式挡土墙按刚度及位移方式分：刚性挡土墙、柔性挡土墙、临时支撑1.重力式挡土墙2.悬臂式挡土墙墙顶墙基墙趾墙面墙背墙趾墙踵立壁钢筋3.扶壁式挡

2、土墙4.锚定板式与锚杆式挡土墙墙趾墙踵扶壁墙板锚定板基岩锚杆5.加筋土挡墙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。E填土面码头桥台E隧道侧墙E8.1.2土压力的类型E填土重力式挡土墙挡土墙在土压力的作用下离开墙后填土发生位移墙体位移与土压力类型E桥面拱桥桥台挡土墙在各种力的共同作用下向墙后填土挤压EE对称的刚性挡土墙在各种力的共同作用下静止不动 挡土墙可能的位移方向不同，强背面承受土压力的类型与大小不同。 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。静止压力被动土压力主动土压力土压力按挡土结构的位移方向、大小及土体所处的平衡状态静止土压力E0 挡土

3、墙为刚性不动时，墙后填土处于静止状态不产生位移和变形（处于弹性平衡状态），此时作用在挡土墙上的土压力。填土 挡土墙背离填土方向转动或移动，至墙后填土达到极限平衡状态时，作用在挡土墙上的土压力。主动土压力Ea = H土压力E15EafE墙体外移，土压力逐渐减小Ep土压力E- H15% 挡土墙向填土方向转动或移动，至墙后填土达到极限平衡状态时，作用在挡土墙上的土压力。被动土压力EpfE墙体内移，土压力逐渐增大三种土压力之间的关系 -+-EoapEaEoEp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. EaE0Ep2. p a土压力值介于上述三种极限状态下的土压力值之间。土压力的大

4、小及分布与作用在挡土结构上的土体性质、挡土结构本身的材料及挡土结构的位移有关，其中1.挡土结构的位移情况是关键因素。土压力与挡土结构位移d的关系产生被动土压力所需要的位移量大大超过产生主动土压力所需要的位移量。影响土压力的因素2挡土墙的形状 挡土墙剖面形状，包括墙背为竖直或是倾斜，墙背为光滑或粗糙，不同的情况，土压力的计算公式不同，计算结果也不一样。3填土的性质 挡土墙后填土的性质，包括填土的松密程度，即重度、干湿程度等；土的强度指标内摩擦角和粘聚力的大小；以及填土的形状（水平、上斜或下斜）等，都将影响土压力的大小。8.1.3静止土压力计算作用在挡土结构背面的静止土压力可视为天然土层自重应力的

5、水平分量 K0h hzK0zzh/3静止土压力系数静止土压力强度 静止土压力系数测定方法： 1.通过侧限条件下的试验测定 2.采用经验公式K0 = 1-sin 计算 3.按相关表格提供的经验值确定静止土压力分布 土压力作用点三角形分布 作用点距墙底h/3 一、基本原理 朗肯理论的基本假设： 1.墙本身是刚性的，不考虑墙身的变形； 2.墙后填土延伸到无限远处，填土表面水平（=0）； 3.墙背垂直光滑（墙与垂向夹角 =0，墙与土的摩擦角=0）。 1857年英国学者朗肯（Rankine）的土压力理论按半无限弹性体的应力状态研究土体极限平衡状态的条件，并提出相应计算挡土墙土压力的方法。又称极限应力法。

6、8.2朗肯土压力理论f=0pappfzK0zf =c+ tan 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水平方向均匀压缩伸展压缩主动朗肯状态被动朗肯状态水平方向均匀伸展处于主动朗肯状态，1方向竖直，剪切破坏面与竖直面夹角为45o-/245o-/245o/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主动土压力45o/2h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z(1)pa(3)极限平衡条件朗肯主动土压力系数

7、朗肯主动土压力强度zh/3EahKa讨论：当c=0,无粘性土朗肯主动土压力强度h1.无粘性土主动土压力强度与z成正比，沿墙高呈三角形分布2.合力大小为分布图形的面积，即三角形面积3.合力作用点在三角形形心，即作用在离墙底h/3处2cKaEa(h-z0)/3当c0, 粘性土h粘性土主动土压力强度包括两部分1. 土的自重引起的土压力zKa2. 粘聚力c引起的负侧压力2c说明：负侧压力是一种拉力，由于土与结构之间抗拉强度很低，受拉极易开裂，在计算中不考虑负侧压力深度为临界深度z01.粘性土主动土压力强度存在负侧压力区（计算中不考虑）2.合力大小为分布图形的面积（不计负侧压力部分）3.合力作用点在三角

8、形形心，即作用在离墙底(h-z0)/3处z0hKa-2cKa被动土压力极限平衡条件朗肯被动土压力系数朗肯被动土压力强度z(3)pp(1)45o/2hz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讨论：当c=0,无粘性土朗肯被动土压力强度1.无粘性土被动土压力强度与z成正比，沿墙高呈三角形分布2.合力大小为分布图形的面积，即三角形面积3.合力作用点在三角形形心，即作用在离墙底h/3处hhKph/3Ep当c0, 粘性土粘性土主动土压力强度包括

9、两部分1. 土的自重引起的土压力zKp2. 粘聚力c引起的侧压力2cKp说明：侧压力是一种正压力，在计算中应考虑1.粘性土被动土压力强度不存在负侧压力区2.合力大小为分布图形的面积，即梯形分布图形面积3.合力作用点在梯形形心土压力合力hEp2cKphKp 2cKphp几种常见情况下土压力计算1.填土表面有均布荷载（以无粘性土为例） zqh填土表面深度z处竖向应力为(q+z)AB相应主动土压力强度A点土压力强度B点土压力强度若填土为粘性土，c0临界深度z0z0 0说明存在负侧压力区，计算中应不考虑负压力区土压力z0 0说明不存在负侧压力区，按三角形或梯形分布计算zq2.成层填土情况（以无粘性土为

10、例） ABCD1，12，23，3paApaB上paB下paC下paC上paD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h1h2h3A点B点上界面B点下界面C点上界面C点下界面D点说明：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3.墙后填土存在地下水（以无粘性土为例） ABC(h1+ h2)Kawh2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，可分作两层计算，一般假设地下水位上下土层的抗剪强度指标相同，地下水位以下土层用浮重度计算A点B点C点土压力强度水压力强度B点C点作用在墙背的总压力为土压力和水压力之

11、和，作用点在合力分布图形的形心处h1h2h一、库仑土压力基本假定1.墙后的填土是理想散粒体 （粘聚力C=0），填土表面倾斜2.滑动破坏面为通过墙踵的一个平面 3.滑动土楔（墙背与滑裂面间的楔形土体）为一刚性体，本身无变形 1776年法国的库伦（C.A.Coulomb）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的土压力计算理论，成为著名的库伦土压力理论。8.3库仑土压力理论WHCAB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土楔受力情况：3.墙背对土楔的反力E,与它大小相等、方向相反的作用力就是墙背上的土压力。反力E方向与墙背法

12、线N2夹角为，为墙背与填土之间的摩擦角，称为外摩擦角。当土楔下滑时，墙对土楔的阻力向上，故反力E必在N2下侧。ER1.土楔自重W=ABC,只要破坏面BC确定，W已知，方向竖直向下2. 破坏面为BC上的反力R,大小未知，方向已知，与破坏面法线N1夹角为 ，且位于N1的下侧N1N2库仑主动土压力主动土压力 按库仑理论求主动土压力WREWREACB 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。 库伦主动土压力强度沿墙

13、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被动土压力 按库伦理论求被动土压力WREWREACB被动土压力受力分析 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 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。规范法计算土压力对于墙后为粘性土的土压力计算可选用建筑地基基础设计规范（GB500072011）所推荐的公式。 主动力土压力系数，土坡高度小于5m时宜取1.0；高度为58时宜取1.1；高度大于8

14、m时宜取1.2； Ka主动土压力系数Ka:对于高度小于或等于5m的挡土墙,可将土分四类,查表。 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。 2.库伦土压力理论： （1）依据：墙后土体极限平衡状态、土楔体的静力平 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

15、是一平面，与按滑动面为曲面的计算结果有出入。(1)墙型选择仰斜( 0)主动土压力以仰斜为最小，俯斜最大，垂直居于两者之间。宜优先采用仰斜墙背。8.4 普通重力式挡土墙设计 挡土墙用于护坡工程，宜采用仰斜墙背的型式,可与边坡紧密贴合，而俯斜时墙背后就必须回填土。如果是填方工程，则宜用俯斜或垂直墙背的型式，以便填土易夯实。 当墙前地形比较平坦时，用仰斜墙背比较合理。若地形较陡，宜用垂直墙背。 (2)尺寸要求 重力式挡土墙的尺寸随墙型、墙高和墙身材料而变。当采用混凝土砌块和毛石砌筑时，墙顶宽度不宜小于0.5m；整体现浇的混凝土挡土墙，墙顶宽不应小于0.2m。设计时，墙顶宽可取为(1/101/12)h

16、，墙底宽约为(1/21/3)h，最后尺寸通过计算确定。挡土墙墙背和墙面坡度一般选用1：0.2 1：0.3；仰斜墙背坡度愈缓，主动土压力愈小。 为了避免施工困难，墙背坡度不宜缓于l：0.25，且墙面与墙背尽量平行。对于垂直墙背，当墙前地形较陡时，墙面坡度可取为1：0.051：0.2，对于中、高挡土墙，在墙前地形平坦时，墙面坡度可较缓，但不宜缓于1：0.40 。为增加挡土墙抗滑能力，可将基底做成逆坡形式;对于土质地基，基底逆坡坡度不宜大于0.1：1；对于岩质地基，基底逆坡坡度不宜大于0.2：1。 为了扩大基础底面尺寸，减少作用在地基上的基底压力，可沿墙底加设墙趾台阶，如图所示。墙趾台阶的尺寸应满足

17、刚性角要求，即： (3)基础埋深要求挡土墙底部一般位于地面以下，墙前地面到基础底面的距离称为基础埋深，用d表示。在土质地基中，基础埋深不宜小于 0.5m；在软质岩地基中，埋深不宜小于0.3m。 位于斜坡上的挡土墙，埋深d不小于1.0m，墙趾距墙前地面的水平距离L应取为1.502.50m，如图所示。(4)墙体材料要求 挡土墙采用毛石砌筑时，石料的抗压强度应不小于MU20；采用混凝土时，标号不小于C15。墙体砌筑宜采用水泥砂浆或混合砂浆，当挡土墙高h6m时，砂浆标号不小于M5，h6m时，不小于M7.5。1.稳定性验算：抗倾覆稳定和抗滑稳定抗倾覆稳定验算zfEaEazEaxGaa0d抗倾覆稳定条件挡

18、土墙在土压力作用下可能绕墙趾O点向外倾覆Ox0 xfbz8.4.2挡土墙稳定性计算抗滑稳定验算抗滑稳定条件EaEanEatdGGnGtaa0O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8.4.3地基承载力验算基底平均应力pkfa基底最大压应力pkmax1.2fafa为修正后的地基承载力特征值EanEatGGnGtaa0O 根据墙身材料分别按砌体结构、素混凝土结构或钢筋混凝土结构的有关计算方法进行。8.4.4墙身材料的强度验算土坡稳定概述天然土坡人工土坡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、堤坝坡底坡脚坡角坡顶坡高土坡稳定分析问题8.5土的边坡稳定分析土坡：具有倾斜面的土体1天然土坡江、河、湖、海岸坡 山、岭、丘、岗、天然坡2人工土坡挖方：沟、渠、坑、池2人工土坡填方：堤、坝、路基、堆料8.5.1影响土坡稳定的因素土坡坡度：两种表示。 坡比（高平比）1：2；坡角大小。土坡高度（H）：指坡脚至坡顶之间的铅直距离。土的性质（、c、）：抗剪强度指标值大的更安全。气象条件：雨季水的渗透使土的强度降低。地下水渗透（水的渗透力、土坝下游）：渗透力存在则不利水的渗透力、土坝下游。地震：产生附加荷载；使孔隙水压升高，降低土体抗剪强度。人类活动和生态环境的影响。8.5.2 无粘性土坡稳定分析