土压力讲解课件

1、第八章土压力8.1概 述8.2 挡土墙侧的土压力8.3 朗肯土压力理论8.4 库仑土压力理论8.5 朗肯理论与土压力理论的比较在港口、水利、路桥及房屋建筑等工程中，挡土结构物（挡土墙）是一种常见的建筑物。挡土墙（retaining wall）：用来支撑天然或人工斜坡不致坍塌，以保持土体稳定性的一种构筑物。土压力（earth pressure） ：土体作用在挡土墙上的压力。土压力的计算是挡土墙设计的重要依据。8.1概 述建筑物填土挡土墙地下室地下室 外墙桥台道路挡土墙研究土压力的目的主要用于： （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

2、的计算分析； （3）地基承载力的计算，岩石力学和埋管工程等领域。土压力的大小和分布规律受到墙体可能的位移方向、墙背填土的种类、填土面的形式、墙的截面刚度和地基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，土压力分为8.2.1 基本概念静止土压力（earth pressure at rest）主动土压力 (active earth pressure)被动土压力 (passive earth pressure)8.2 挡土墙侧的土压力挡土墙静止不动，墙后土体不产生位移和变形，处于弹性平衡状态，此时作用在挡土墙上的土压力。如果挡土墙直接浇筑在岩基上，且墙的刚度很大，墙体产生的位移很

3、小，不足以使填土产生主动破坏，此时可近似按静止土压力计算。此外，对于地下结构的侧墙，若刚度大，墙顶又无法位移，也可认为墙上作用的是静止土压力。静止土压力 E0地下室地下室 外墙挡土墙向离开土体方向偏移至土体达到极限平衡状态，此时土体作用在墙上的土压力。如果挡土墙在墙后填土自重等作用下产生离开填土方向的位移，并且使墙后填土达到了极限平衡状态，可按主动土压力计算。实验研究表明，挡土墙的位移达到墙高的0.1一0.3%，填土就可能发生主动破坏，而这是一般的挡土墙都容易达到的。因此，通常情况下挡土墙的土压力可按主动土压力计算。主动土压力 Ea道路挡土墙破坏面当挡土墙向土体方向转动或偏移至土体达到极限平衡

4、状态时，作用在挡土墙上的土压力。如果挡土墙在外力作用下产生向着填土方向挤压的位移，并且使墙后填土达到了极限平衡状态，可按被动土压力计算。但实验表明，欲使填土发生被动破坏，挡土墙位移量需达到墙高的2一5%，而这在工程中是不允许的，所以在验算挡土墙的稳定性时，并不采用被动土压力的全部，通常取其30%。被动土压力 Ep桥台破坏面挡土墙土压力计算可看成平面应变问题。均取一延米墙长，土压力单位kN/m，土压力强度kPa。Ea E 0Epa p由于产生被动土压力需要墙身有较大偏移，而在工程中，有时并不容许建筑物产生如此大的位移。铝棒模拟试验铝棒模拟试验影响土压力大小的因素挡土墙的位移量和方向：挡土墙的位移

5、与土压力分布ABCDABD挡土墙形状：挡土墙墙面形状，墙背为竖直或是倾斜、墙背为光滑或粗糙，都关系采用何种土压力计算理论公式和计算结果。填土的性质：填土松密程度即重度、干湿程度即含水量、土的强度指标即内摩擦角和粘聚力的大小。挡土墙的材料：如挡土墙的材料采用素混凝土和钢筋混凝土，可认为墙的表面光滑，不计摩擦力；若为砌石挡土墙，就必须计摩擦力，因而土压力的大小和方向都不相同。 挡土墙按其刚度可分为 刚性挡土墙：土压力呈三角形分布，上小下大 柔性挡土墙 临时支撑 挡土墙结构类型古典的挡土墙土压理论朗肯（Rankine,1857）两种理论均把土体视为刚塑性体，按照极限平衡理论求解库仑（Coulomb,

6、1773）Charles Augustin de Coulomb (1736 - 1806) William John Maquorn Rankine(1820 - 1872) z地下室 外墙静止土压力强度（kN/m2)（经验公式）静止土压力合力大小HP0(kN/m)H/3三角形形心处，距底面 H/3处方向水平或查表K0 静止土压力系数作用点位置8.2.2 静止土压力 假设： 墙背垂直 光滑 墙后填土水平8.3.1 基本假设半空间应力状态，土单元处于极限状态8.3 朗肯土压力理论极限平衡条件主动土压力强度主动土压力系数被动土压力强度被动土压力系数极限平衡条件8.3.2 主动土压力无黏性土（c=

7、0 ）黏性土（c0 ）8.3.3 被动土压力无黏性土（c=0 ）黏性土（c0 ）8.3.4 有局部均匀超载时的土压力8.3.5 非均质填土时的土压力 墙后填土有地下水在地下水位以下，挡土结构上存在水土两种压力。在静水条件下如何计算挡土结构的压力，我国土力学和基础工程学界曾对以下两种计算方法有过争议，即：水土分算和水土合算。（一）水土分算（大部分规范采用） 水压力和土压力分开计算：土中的竖向有效应力对挡土结构产生横向土压力；而孔隙水压力由于各向等压，故直接作用在挡土结构上。根据朗肯土压力理论: 工程上较难确定有效应力抗剪强度指标及超静孔隙水压力，常采用固结不排水或不排水总应力抗剪强度指标，并将超

8、静孔隙水压力的影响包含在其中，水土分算方法为（二）水土合算（一般可考虑用于黏性土，我国有些基坑规范采用） 考虑土中的竖向总应力对挡土结构产生横向土压力，采用固结不排水或不排水的总应力强度指标。根据朗肯土压力理论:注：（1）两种方法计算结果有差别。（2）实际工程情况较复杂，很少是静水压情况，所以可考虑渗流及超静水压的水土分算能更合理反应水土的作用。（3）考试时，必须采用水土分算方法。8.3.6 无限斜坡面时的土压力1、主动土压力1、主动土压力2、被动土压力已知条件如图求：作用在墙上的主动土压力Pa6mAB4.20.54Pa1.82例 题6m解：AB4.242.840.54主动土压力合力Pa作用点

9、：方 向：水平Pa1.82H 求图示直立边坡可以保持稳定的最大高度解：由公式本题 设土压力合力为零时的高度为土坡可以自立的高度，则z=0时例 题已知条件如图求：作用在墙上的压力1、墙后无地下水时2、墙后如图有地下水时6mAB4m解136C2430.720例 题6mAB4m36解2C2430.7土压力水压力20合 力P = 102.7 + 20 = 122.7kN/m（大于无水时）（1）库伦理论考虑的挡土墙，墙背可以是倾斜的。（2）墙背可以是粗糙的，与填土之间存在摩擦力。（3）不像朗肯理论是从墙后土体中一点的应力状态出发来研究土压力计算问题，而是从考虑墙后土体某个滑动楔体的整体平衡条件出发，直接

10、求出作用在墙背上的总土压力。8.4.1 基本假设8.4 库仑土压力理论假定（1）填土无粘性(C=0)，即墙后填土是理想散粒体。（2）滑动面为：通过墙踵(zhong)的平面（3）滑动土楔（xie）体视为刚体。滑动土楔墙后土体中的滑动平面沿墙背的滑动面8.4.2 主动土压力（属平面应变问题，取1m长分析）ABC破坏面与水平面的夹角WP墙土间摩擦角， 也称为外摩擦角土的内摩擦角填土坡角W土楔体自重 W， 大小、方向已知RR破坏面BC上的反力 R， 大小未知，方向已知P土压力 P， 大小未知，方向已知墙背倾角HWRP由正弦定理ABCWPRDH由正弦定理WRPABCWPRD即其中是假设的滑动面与水平面的

11、夹角H因为力三角形求极值，令求出破坏角代入上式得即土压力强度（沿墙高）三角形分布Ka已制成表可查表主动土压力合力大小：主动土压力强度主动土压力合力方向：与水平面成主动土压力合力作用点：距底面H/3处若得与朗肯公式相同土对挡土墙墙背的摩擦角墙后填砂土较好。墙背粗糙较好。仰斜式挡土墙较好，但施工困难。ABCWPRWPR得8.4.3 被动土压力H力三角形即被动土压力合力大小：被动土压力强度被动土压力合力方向：与水平面成被动土压力合力作用点：距底面H/3处若得与朗肯公式相同1、主动土压力图解法一、库尔曼图解法复杂情况可采用图解法。8.4.4 粘性填土时的土压力计算1、主动土压力图解法2、被动土压力图解

12、法主动土压力力多边形可能在画力的顺序上不一样主动土压力 被动土压力如果墙体排水失效往往会导致墙后填土中水位较高，此时需考虑地下水的作用。有地下水时的土压力确定方法与前述的类似，需注意的是：（1）在计算水下土体重量时应采用浮重度。（2）要考虑水的存在引起土的抗剪强度的降低。 （3）作用于挡土墙上的压力除土压力外，还有水压力的作用。（4）如果墙后填土中有稳定渗流，那么在建立滑动土体静力平衡条件时，还应考虑渗流力的作用。3、填土中有地下水时的土压力建筑地基基础设计规范（GB50007-2002）推荐的主动土压力计算方法考虑了主动土压力的增大系数c 库仑土压力理论假设墙后填土是理想的散体，从理论上说只

13、适用于无粘性土。但实际工程常不得不采用粘土或粉土作填土。可采用以下方法计算主动土压力： （1）图解法。（2）规范推荐的公式；c：主动土压力增大系数，土坡高度小于5m时宜取1.0；58m时宜取1.1；高度大于8m时宜取1.2；Ka计算见规范附录L二、规范推荐的公式两种理论都是在一定的假定条件下得到的。这些假定与工程实际会有一定的出入。朗肯理论基于土单元体的应力极限平衡条件来建立，采用的假定是墙背面竖直、光滑、填土面为水平，而实际墙背不是光滑的，所以采用朗肯理论计算出的土压力值与实际情况相比，有一定的误差，但偏于保守，即主动土压力偏大，被动土压力偏小。 8.5 朗肯理论与土压力理论的比较库伦理论基于库伦理论基于滑动楔体的静力平衡条件来建立，采用的假定是破坏面为平面。库伦理论从假定上看对墙背要求不如朗肯理论严格，但是，当墙背与填土间的摩擦角较大时，在土体中产生的滑动面往往不是一个平面而是一个曲面。实践