土力学第六章 土压力计算

第六章挡土结构物上的土压力第_节概述第五章已经讨论了土体中由于外荷引起的应力，本章将介绍土体作用在挡土结构物上的土压力，讨论土压力性质及土压力计算，包括土压力的大小、方向、分布和合力作用点，而土压力的大小及分布规律主要与土的性质及结构物位移的方向、大小等有关，亦和结构物的刚度、高度及形状等有关。一、 挡土结构类型对土压力分布的影响定义：挡土结构是一种常见的岩土工程建筑物，它是为了防止边坡的坍塌失稳，保护边坡的稳定，人工完成的构筑物。常用的支挡结构结构有重力式、悬臂式、扶臂式、锚杆式和加筋土式等类型。挡土墙按其刚度和位移方式分为刚性挡土墙、柔性挡土墙和临时支撑三类。刚性挡土墙指用砖、石或混凝土所筑成的断面较大的挡土墙。由于刚度大，墙体在侧向土压力作用下，仅能发身整体平移或转动的挠曲变形则可忽略。墙背受到的土压力呈三角形分布，最大压力强度发生在底部，类似于静水压力分布。柔性挡土墙当墙身受土压力作用时发生挠曲变形。临时支撑边施工边支撑的临时性。二、 墙体位移与土压力类型墙体位移是影响土压力诸多因素中最主要的。墙体位移的方向和位移量决定着所产生的土压力性质和土压力大小。静止土压力（E0）墙受侧向土压力后，墙身变形或位移很小，可认为墙不发生转动或位移，墙后土体没有破坏，处于弹性平衡状态，墙上承受土压力称为静止土压力E。0主动土压力（Ea）挡土墙在填土压力作用下，向着背离填土方向移动或沿墙跟的转动，直至土体达到主动平衡状态，形成滑动面，此时的土压力称为主动土压力。被动土压力（Ep）挡土墙在外力作用下向着土体的方向移动或转动，土压力逐渐增大，直至土体达到被动极限平衡状态，形成滑动面。此时的土压力称为被动土压力E^。同样高度填土的挡土墙，作用有不同性质的土压力时，有如下的关系：E>E0>E在工程中需定量地确定这些土压力值。Terzaghi（1934）曾用砂土作为填土进行了挡土墙的模型试验，后来一些学者用不同土作为墙后填土进行了类似地实验。实验表明：当墙体离开填土移动时，位移量很小，即发生主动土压力。该位移量对砂土约0.001h,(h为墙高)，对粘性土约0.004h。当墙体从静止位置被外力推向土体时，只有当位移量大到相当值后，才达到稳定的被动土压力值E，该位移量对砂土约需0.05h，粘性土填土约需0.1h，而这样大小的位移量实p际上对工程常是不容许的。本章主要介绍曲线上的三个特定点的土压力计算，即E0、Ea和Ep。三、研究土压力的目的研究土压力的目的主要用于：设计挡土构筑物，如挡土墙，地下室侧墙，桥台和贮仓等；地下构筑物和基础的施工、地基处理方面；地基承载力的计算，岩石力学和埋管工程等领域。第二节静止土压力的计算计算静止土压力时，墙后填土处于弹性平衡状态，由于墙静止不动，土体无侧向移动，可假定墙后填土内的应力状态为半无限弹性体的应力状态。这时，土体表面下任意深度Z处，作用在水平面上的主应力为：。z=丫侦 (6-1)在竖直面的主应力为：。*=k0-Y-z (6-2)

式中：K0——土的静止侧压力系数。Y——土的容重。X即为作用在竖直墙背上的静止土压力，即：与深度Z呈线性直线分布。可见：静止土压力与Z成正比，沿墙高呈三角形分布。单位长度的挡土墙上的静压力合力E°为:单位长度的挡土墙上的静压力合力E°为:(6-3)图6-2可见：总的静止土压力为三角形分布图的面积。式中，挡土墙的高度。H挡土墙的高度。的作用点位于墙底面以上H/3处。E的作用点位于墙底面以上H/3处。0' … -— 1—1,一，1称为土的侧压力系数§或静止土压力系数k0。' … -— 1—1,一，1称为土的侧压力系数§或静止土压力系数k0。（6-4）室内测定方法：在有侧限压缩仪中装有测量侧向压力的传感器。（1） 、压缩仪法：在有侧限压缩仪中装有测量侧向压力的传感器。（2） 、三轴压缩仪法：在施加轴向压力时，同时增加侧向压力，使试样不产生侧向变形。上述两种方法都可得出轴向压力与侧向压力的关系曲线，其平均斜率即为土的侧压力系数。对于无粘性土及正常固结粘土也可用下式近似的计算：（6-5）

式中：中'——为填土的有效摩擦角。对于超固结粘性土：（K°） —（Ko）n°+（OCR）m式中：（K0）*——超固结土的K°值（K0）NC——正常固结土的K°值OCR——超固结比m——经验系数，一般可用m=0.41。第三节朗金土压力理论一、基本原理朗金研究自重应力作用下，半无限土体内各点的应力从弹性平衡状态发展为极限平很状态的条件，提出计算挡土墙土压力的理论。（一） 假设条件挡土墙背垂直墙后填土表面水平挡墙背面光滑即不考虑墙与土之间的摩擦力。（二） 分析方法由图6-3可知：7d.l :.7d.l :.图6-3当土体静止不动时，深度Z处土单元体的应力为。z=rz,。*=korz；当代表土墙墙背的竖直光滑面AB面向外平移时，右侧土体制的水平应力。逐渐减小，而。保持不变。当AB位移至A，B时，应力园与土体的抗剪强度包线相交一一土体达到主z动极限平衡状态。此时，作用在墙上的土压力。z达到最小值，即为主动土压力P；当代表土墙墙背的竖直光滑面AB面在外力作用下向填土方向移动，挤压土时，^'将逐渐增大，直至剪应力增加到土的抗剪强度时，应力园又与强度包线相切，达到被动极限平衡状态。此时作用在A'B'面上的土压力达到最大值，即为被动土压力Pp。二、水平填土面的朗金土压力计算(一)主动土压力当墙后填土达主动极限平衡状态时，作用于任意 Z处土单元上的bz=yz=。1，b=Pa=b3，即b.>b。■c)图6-41、 无粘性土对于无粘性土，粘结力。=0，则有：将a1=bz=r，b3=Pa代入无粘性土极限平衡条件：0b3=b1tan2(45。-2)=yzK (6-6)式中：犬a=tan2(45。-}——朗金主动土压力系数P的作用方向垂直于墙背，沿墙高呈三角形分布，当墙高为H(Z=H)，则作用于单位墙高度上的总土压力E=导K，E垂直于墙背，作用点在距墙底%处，如图6-4(b)a2aa 32、 粘性土将*=br=农,。3=p，代入粘性土极限平衡条件：

b=btan2(45°―?)-2ctan(45。一?)得(6-7)P=b1tan2(45°—?)-2ctan(45°-?)=yzK-2cJK(6-7)为土重产生的，是正值，随说明：粘性土得主动土压力由两部分组成，第一项：YzK为土重产生的，是正值，随a深度呈三角形分布；第二项为粘结力c引起的土压力2^K，是负值，起减少土压力的作用，其值是常量。如图6-4（c）所示。总主动土压力Ea应为图6-4（c）所示三角形面积，即：一I— 2cI1 _ I—2c2E=-(YHK-2cJK)(H-—=\=~7^2K-2cH<K+一 (6-8)曾」Ea作用点则位于墙底以上3(H-h0)处。b>b>b，则b=b如图6-5（a）当墙后土体达到被动极限平衡状态时，b3=b=Yz。1、无粘性土®将b1=Pp，b3=Yz代入无粘性土极限平衡条件式中b1=b3tan2（45°+或）®可得：P=Yztan2（45。+^-）=YzK （6-9）Q式中：K=tan2（45°+）——称为朗金被动土压力系数p2Pp沿墙高底分布及单位长度墙体上土压力合力Ep作用点的位置均与主动土压力相同。如图6-5（b）（6-10）®墙后土体破坏，滑动面与小主应力作用面之间的夹角以=45。-寻，两组破裂面之间的夹角则为90。+甲。2、粘性土将Pp=b1,Yz=b3代入粘性土极限平衡条件b1=b3tan2（45。+?）+2ctan（45。+§可得：P=Yztan2（45°+-）+2ctan（45°+-）=YzK+2cK （6-11）p 2 2pvp粘性填土的被动压力也由两部分组成，都是正值，墙背与填土之间不出现裂缝；叠加后，

其压力强度P沿墙高呈梯形分布；总被动土压力为：p1Ep=2yH2Kp+2cHqKp (6-12)Ep的作用方向垂直于墙背，作用点位于梯形面积重心上，如图6-5(c)。图6-5例6-1已知某混凝土挡土墙，墙高为H=6.0m，墙背竖直，墙后填土表面水平，填土的重度y=18.5kN/m3,4=200,c=19kPa。试计算作用在此挡土墙上的静止土压力，主动土压力和被动土压力，并绘出土压力分布图。解：(1)静止土压力，取K0=0.5，P0=kK0E0=2yH2K0=2x18.5x62x0.5=166.5饥/mH一一E0作用点位于下5=2.0m处，如图a所示。(2)主动土压力根据朗肯主压力公式：P=yzK「2cJK，K=tan(45?)1 一 .——2c2E=-yH2K-2cH..K+——=0.5X18.5X62Xtg2(45°—20°/2)—2X19X6Xtg(45°—20°/2)+2X192/18.5=42.6kn/m_ 2c 2x19 …临界深度：Z=一= =2.93m0y:K 20。18.5xtg(45。-一)2Ea作用点距墙底：3(H-Z0)=3(6.0-2.93)=1.02m处，见图b所示。被动土压力:- 1 1 20。 20。、 E=^yH2K+2cH-K=^x18.5x62xtg2(45。+5)+2x19x6tg(45°+亍)=1005KN/m墙顶处土压力：P]=2cJK=54-34KPa墙底处土压力为：Pb=yHK+2c'=280.78KPa总被动土压力作用点位于梯形底重心，距墙底2.32m处，见图c所示。(a)(b)(c)(a)(b)(c)图6-6讨论:1、 由此例可知，挡土墙底形成、尺寸和填土性质完全相同，但E0=166.5KN/m,E.=42.6KN/m,即：E0FE/或Ea=4E0。因此，在挡土墙设计时，尽可能使填土产生主动土压力，以节省挡土墙的尺寸、材料、工程量与投资。2、 E=42.6KN/m,E=1005KN/m,E>23E。因产生被动土压力时挡土墙位移过大为工程所不许可，通常只利用被动土压力的一部分，其数值已很大。第四节库仑土压力理论一.基本原理：（一）假设条件：墙背倾斜，具有倾角£；墙后填土为砂土，表面倾角为P角;

墙背粗糙有摩擦力，墙与土间的摩擦角为8，且（5<<^）平面滑裂面假设；当墙面向前或向后移动，使墙后填土达到破坏时，填土瘠沿两个平面同时下滑或上滑;一个是墙背AB面，另一个是土体内某一滑动面BC。设BC面与水平面成a角。刚体滑动假设：瘠破坏土楔ABC视为刚体，不考虑滑动楔体内部的应力和变性条件。楔体ABC整体处于极限平衡条件。分析可知：作用于楔体ABC上的力有（1）土体ABC的重量G，（2）下滑时受到墙面AB给予的支撑反力Q（其反方向就是土压力）。（3）BC面上土体支撑反力R。根据楔体整体处于极限平衡状态的条件，可得知G、R的方向。（图6-8）根据楔体应满足静力平衡力三角形闭合的条件，可知G、R的大小求极值，找出真正滑裂面，从而得出作用在墙背上的总主动压力5。和被动压力Ep。二数解法（一）无粘性土的主动压力设挡土墙如图6-8所示，墙后为无粘性填土。取土楔ABC为隔离体，根据静力平衡条件，作用于隔离体ABC上的力G、Q、R组成力的闭合三角形。根据几何关系可知：G与Q之间的夹角平=900-5—aG与R之间的交角为a-甲利用正弦定律可得:Q—[G

sin（a—甲） sinl80o-（/+a-甲利用正弦定律可得:（6-13）G Qsin（a-中）（6-13）sinG项+中）（式中：Q（式中：Q=y-AABC=邛H2cos（a-甲）.con（Q-a）2-cos2a•sin6-8）Q=fG）；（2）当Q=Q=fG）；（2）当Q=900+a时，即BC与AB重合，Q=0，G=0；当Q=©时，R与G方向相反，P=0。因此，当Q在900+a和©之间变化时，Q瘠有一个极大值，令：华=0，dQGsin（a-®）将求得的Q值代入Q="w^）得:（6-14）E=Q =-2YH2Ka（6-14）其中：K=acos2a其中：K=acos2a•cos（a+6>1+JSin（^+6）.Sin（^-P）VcosCx+5）.cosCx-8）Ea—库仑主动土压力系数。当：a=0，S=0，p=0时；由：E=2yH2K得出:1 "— 6、E=方yH2tan2450--^可见：与朗金总主动土压力公式完全相同，说明当a=0，5=0，P=0这种条件下，库仑与朗金理论得结果时一致得。关于土压力强度沿墙高得分步形式，P=华，adz即:dEdzyz2即:dEdzyz2Ka=y・z-ka可见：「7沿墙高成三角形分布，Ea作用点在距墙底1/3H处。但这种分步形式只表示土压力大小，并不代表实际作用墙背上的土压力方向。而沿墙背面的压强则为y•z-Ka-cosa。（二）无粘性土的被动土压力用同样的方法可得出总被动土压力E值为:pE=1E=1yH2Kp2pCOS2Cp+"（6-15）其中：KPCOS2ECOSG_811一isinCp+8).sinCp+0)

|cosG一8).cosG-8)Kp 库仑被动土压力系。被动土压力强度Pz沿墙也成三角形分布。第五节朗肯理论与库伦理论的比较朗金和库仑两种土压力理论都是研究压力问题的简化方法，两者存在着异同。一分析方法的异同相同点：朗金与库仑土压力理论均属于极限状态，计算出的土压力都是墙后土体处于极限平衡状态下的主动与被动土压力Ea和Ep。不同点：（1）研究出发点不同：朗金理论是从研究土中一点的极限平衡应力状态出发，首先求出的是0或「及其分布形式，然后计算Ea或Ep一极限应力法。库仑理论则是根据墙背和滑裂面之间的土楔，整体处于极限平衡状态，用静力平衡条件，首先求出Ea或Ep，需要时再计算出。或Pp及其分布形式一滑动楔体法。（2）研究途径不同朗金理论再理论上比较严密，但应用不广，只能得到简单边界条件的解答。库仑理论时一种简化理论，但能适用于较为复杂的各种实际边界条件应用广。二适用范围（一） 朗金理论的应用范围墙背与填土条件：（1） 墙背垂直，光滑，墙后填土面水平即a=0，8=0，。=0（2） 墙背垂直，填土面为倾斜平面，即a=0，P^0，但P<^且8>P®（3） 坦墙，地面倾斜，墙背倾角以>（45。—：）（4） 还适应于“匕”形钢筋混凝土地质条件粘性土和无粘性土均可用。除情况（2）填土为粘性土外，均有公式直接求解。（二） 库仑理论的应用范围墙背与填土面条件（1） 可用于a。0，P^0，8。0或a=P=8=0的任何情况。（2） 坦墙，填土形式不限地质条件数解法一般只用于无粘性土；图解法则对于无粘性土或粘性土均可方便应用。三计算误差（一）朗金理论朗金假定墙背与土无摩擦，8=0，因此计算所得的主动压力系数K.偏大，而被动土压力系数Kp偏小。（二）库仑理论库伦理论考虑了墙背与填土的摩擦作用，边界条件式正确的，但却把土体中的滑动面假定为平面，与实际情况和理论不符。一般来说计算的主动压力稍偏小；被动土压力偏高。总之，对于计算主动土压力，各种理论的差别都不大。当§和中较小时，在工程中均可应用；而当§和中较大时，其误差增大。第六节几种常见情况的主动土压力计算由于工程上所遇到的土压力计算较复杂，有时不能用前述的理论求解，需用一些近似的简化方法。一、成土层的压力墙后填土由性质不同的土层组成时，土压力将受到不同天体性质的影响。现以双层无粘性填土为例。1.若中]=中2，邛1<丫2在这种情况，由K=tan2（45o—^）可知孔=Ka2按照p=7zKa可知：两层填土的土压力分布线瘠表现为在土层分界面处斜率发生变化的拆线分布。Ea的计算公式为E=E+E=1丫H2K+1（2丫HK+丫HK）Haal a2211a2 11a22a2若21=Y2，气〈览按照k=tan2（45o—¥）可知：k。k，且k>k。两层土的土压力分布斜a 2 a1 a2 a1 a2率不同，且在交接面处发生突变；在界面处上方， P上=21H1孔；在界面处下方，P下=21H1Ka2。Ea的计算公式为E=12H2K+1[/HK+2（H+H）KH

a2 1a12 1a2 1 2a22对于多层填土，当填土面水平时，且。。0可用Rankine（朗金）理论来分析主动土压力，任取深度z处的单元土体，则*=Z2h，a3=P即：

=tan2450-—I2)Pa=^虾「-2/,Kai==tan2450-—I2)式中的—，c由所计算点决定，在性质不同的分层填土的界面上下可分别算得两个不同得P值（P上和P下）、P由K上和K下（和c和c）来确定，在界面处得土压力强a a a aa a 上下度发生突变；各层得Y"直不同，土压力强度分布图对各层也不一样。二、墙后填土中有地下水位当墙后填土中有地下水位时，计算P时，在地下水位以下的Y应用Y'。同时地下水对土压力产生影响，主要表现为：（1） 地下水位以下，填土重量瘠因受到水的浮力而减少；（2） 地下水对填土的强度指标c的影响，一般认为对砂性土的影响可以忽略；但对粘性填土，地下水使c，—值减小，从而使土压力增大。（3） 地下水对墙背产生静水压力作用。三、填土表面有荷载作用（一）连续均匀荷载1、当档土墙墙背垂直，在水平面上有连续均布荷载q作用时填土层下，Z深度处，土单元所受应力为=Pa=bK-2CM当c=0时：为无粘性土公式J=tan245kP=qK+yP=qK+yzK一部分由均匀荷载q引起，是常数；其分布与深度Z无关；另一部分由土重引起，与深度Z成正比。总土压力Ea即为上图所述梯形的面积。E=qHK+2yH2K②当c。0时：为粘性土公式P=（q+yz）K—2^K~=qK+yzK—2^K~当Z=0时，P=qK-2c「K若小于0为负值时，出现拉力区。当Z=H时，P=qK+yHK-2c*令P=0，则qKa+气七-2c克=。2c.（K-qKz= fl o rKa2c q r*ra可见作用在墙背面的土压力P由三部分组成：a一是由均布荷载q引起，为常数，与深度z无关；二是由土重引起，与z成正比；三是由内聚力引起。总土压力Ea即P.的分布图形的面积。E=2y+yHK-2^K~/-z°）（二）局部荷载作用填土表面有均布荷载q作用时，图6-10所示，则q对墙背产生的附加土压力强度值仍可用朗金土压力公式计算，即：P=（YZ+q）K「2c<K若填土表面上为局部荷载q作用时工程中常采用近似方法计算。从荷载的两点。及O'点作两条辅助线OC和OD，它们都与水平面成（45。+?）角，认为C点以上和D点以下的土压力不受地面荷载的影响，c、D之间的土压力按均布荷载计算，AB墙面上的土压力如图中阴影部分所示。如图6-11所示。图6-10 图6-11例6-2某挡土墙高5m，墙后填土由两层组成。第一层土厚2m，y1=15-68KN/m3,?1=400,c1=9.8KPa；第二层土厚3m，Y2=17.64KN/m3,?2=37。,c2=14.7KPa，填土表面有的均布荷载q=31.36KN/m2；试计算作用在墙上总的主动土压力和作用点的位置。解：①先求二层土的主动压力系数KaK1=tan2£。-5。）=tan240。*0.70

K=tan237。-0.57②c1=9.8>0为粘性土求匕=0的点Z0i2c q2x9.8 31.36%广VK—r=15.68珀40。—1568=_052刀'al1z01<0所以在第一层土中没有拉力区。同理可求出，第二层中土压力强度Pa2=0的点z02z=*^-"r1H1=-1.35m02r：Kr'a2 2可见，第二层土中也没有拉力区。③求A,B,C三个的Pa当Z=0时，由P=qK+rzK—2cjK可知（P/A=6.68kN/m2当Z=2m时，（P）=yHK+qK—2c.K=27.7KN/m2

aB上 11a1 a1 1,a1（P）=yHK+qK—2c.jK~aB下 11