土力学第六章课件.ppt

1、第六章 挡土结构物上的土压力,河海大学 岩土工程研究所 Research Institute of Geotechnical Engineering, Hohai University,主讲教师：张福海 副教授,61 概述 62 静止土压力计算 63 朗肯土压力理论 64 库仑土压力理论 65 土压力问题的讨论 66 工程中挡土墙的土压力计算 67 支挡结构物上的土压力计算,什么是挡土结构物Retaining structure 什么是土压力(Earth pressure) 影响土压力的因素 挡土结构物类型对土压力分布的影响,61 概 述,挡土结构物,Rigid wall,61 概 述,一、挡

2、土结构物（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，或使部分侧向荷载传递分散到填土上的一种结构物。,61 概 述,挡土结构物上的土压力：由于土体自重、土上荷载或结构物的侧向挤压作用，挡土结构物所承受的来自墙后填土的侧向压力。,一、挡土结构物（挡土墙）,61 概 述,为什么要计算土压力？ 土压力是进行挡土结构物断面设计和稳定验算的重要荷载。,挡土墙类型（按刚度及位移方式）: 1.刚性挡土墙 2.柔性挡土墙,一、挡土结构物（挡土墙）,61 概 述,刚性挡土墙,一、挡土结构物（挡土墙）,61 概 述,一、挡土结构物（挡土墙）,61 概 述,刚性挡土墙,混凝土挡土墙及复合排水管,一、挡土

3、结构物（挡土墙）,61 概 述,刚性挡土墙,柔性支护结构,板桩变形,基坑支撑上的土压力,变形,土压力分布,一、挡土结构物（挡土墙）,61 概 述,上海市外环过江隧道暗埋段基坑支撑,柔性支护结构,一、挡土结构物（挡土墙）,61 概 述,无法打锚杆(相邻建筑物的基础较深,地下管线),内支撑,柔性支护结构,一、挡土结构物（挡土墙）,61 概 述,加筋土挡墙,土压力的影响因素,填土的性质 挡土墙的高度 挡土墙的移动方向 挡土墙和土的相对位移量 挡土墙的刚度 土体与墙之间的摩擦,61 概 述,在影响土压力的诸多因素中，墙体位移条件是最主要的因素。墙体位移的方向和相对位移量决定着所产生的土压力的性质和土压

4、力的大小。,二、位移对土压力的影响及三种典型的土压力,61 概 述,二、位移对土压力的影响及三种典型的土压力,25%,0.10.3%,静止土压力,主动土压力,被动土压力,达到极限状态所需的位移,极限状态,静止土压力：挡土墙完全没有侧向移动（不产生位移和变形）时墙后填土作用于挡土墙上的土压力。以E0表示。,主动土压力：挡土墙背离填土方向转动或位移，墙后填土达到极限平衡状态时作用于挡土墙上的土压力。它是土压力中的最小值。以Ea表示。,被动土压力：挡土墙向填土方向转动或位移，墙后填土达到极限平衡状态时作用于挡土墙上的土压力。它是土压力中的最大值。以Ep表示。,二、位移对土压力的影响及三种典型的土压力

5、,61 概 述,c.被动土压力 （Passive earth pressure),a.静止土压力 （Earth pressure at rest),b.主动土压力 （Active earth pressure),61 概 述,二、位移对土压力的影响及三种典型的土压力,墙体位移对土压力的影响,挡土墙所受土压力的类型，首先取决于墙体是否发生位移以及位移的方向。其中有三种特定情况下的土压力，即静止土压力、主动土压力和被动土压力。 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。,61 概 述,二、位移对土压力的影响及三种典型的土压力,当d =D/H=0 时 E=E0,1. 静止土压力

6、,61 概 述,二、位移对土压力的影响及三种典型的土压力,2. 主动土压力,墙体外移， 土压力逐渐减小， 当土体破坏，达到极限平衡状态时所对应的土压力 (最小),61 概 述,二、位移对土压力的影响及三种典型的土压力,3. 被动土压力,墙体内移， 土压力逐渐增大， 当土体破坏， 达到极限平衡状态 时所对应的土压力 (最大),61 概 述,二、位移对土压力的影响及三种典型的土压力,本章要讨论的中心问题,刚性挡土墙上的土压力性质及土压力计算，包括土压力的大小、方向、分布及合力作用点。,61 概 述,可按土体处于侧限条件下的弹性平衡状态进行计算。,62 静止土压力计算,sv,sv,sh,sh,62

7、静止土压力计算,一、一般情况（填土均质且无地下水）,sv,sv,sh,sh,62 静止土压力计算,二、墙后填土中有地下水,62 静止土压力计算,三、墙后填土为成层土,土层分界面处：,墙趾处：,A,静止土压力在均质地基中随深度呈直线分布； 静止土压力分布线的斜率是容重和静止侧压力系数的乘积； 静止土压力在土层的分界面上一般会发生突变； 静止土压力在地下水位处发生转折； 地下水位以下的土体在计算静止土压力时用浮容重； 当地下水位高于挡土结构物的基底面时，挡土结构物除受到其后填土的土压力作用外，还会受到水压力的作用。,62 静止土压力计算,K0可通过现场或室内试验确定。,四、K0的确定,砂土或正常固

8、结粘土：,K0通常小于1，但对于超固结粘土和压实土也可能会大于1。,由泊松比计算：,62 静止土压力计算,6-3 朗肯(Rankine)土压力理论,一、基本原理和基本假定,基本假定： 土体是具有水平表面的半无限体，墙背竖直光滑。,朗肯理论认为当墙后填土达到极限平衡状态时，与墙背接触的任一土单元体都处于极限平衡状态，然后根据土单元体处于极限平衡状态时应力所满足的条件来建立土压力的计算公式。,6-3 朗肯(Rankine)土压力理论,一、基本原理和基本假定,主动极限平衡应力状态,6-3 朗肯(Rankine)土压力理论,一、基本原理和基本假定,被动极限平衡应力状态,6-3 朗肯(Rankine)土

9、压力理论,一、基本原理和基本假定,二、朗肯主动土压力计算,(一)基本计算公式,6-3 朗肯(Rankine)土压力理论,主动土压力系数,二、朗肯主动土压力计算,(二)无粘性土的主动土压力计算公式,6-3 朗肯(Rankine)土压力理论,45/2,二、朗肯主动土压力计算,(二)无粘性土的主动土压力计算公式,6-3 朗肯(Rankine)土压力理论,二、朗肯主动土压力计算,(三) 粘性土的主动土压力计算公式,6-3 朗肯(Rankine)土压力理论,二、朗肯主动土压力计算,(三) 粘性土的主动土压力计算公式,6-3 朗肯(Rankine)土压力理论,三、朗肯被动土压力计算,(一) 基本计算公式,

10、6-3 朗肯(Rankine)土压力理论,被动土压力系数,(二)无粘性土的被动土压力计算,6-3 朗肯(Rankine)土压力理论,三、朗肯被动土压力计算,(二)无粘性土的被动土压力计算,6-3 朗肯(Rankine)土压力理论,三、朗肯被动土压力计算,(三)粘性土的被动土压力计算,6-3 朗肯(Rankine)土压力理论,三、朗肯被动土压力计算,(三)粘性土的被动土压力计算,6-3 朗肯(Rankine)土压力理论,三、朗肯被动土压力计算,以无粘性土的主动土压力计算为例,6-3 朗肯(Rankine)土压力理论,四、填土中有地下水时的土压力计算,6-3 朗肯(Rankine)土压力理论,五、

11、填土中为成层土时的土压力计算,注意两点：,1、由于各层填土的重度不同，使得填土的竖向应力分布在交界面上出现转折；,2、由于各层填土的粘聚力和内摩擦角不同，所以在计算土压力系数时，需采用计算点所在土层的粘聚力和内摩擦角。,以无粘性土的主动土压力计算为例,6-3 朗肯(Rankine)土压力理论,五、填土中为成层土时的土压力计算,例题,挡土墙高5米，墙后填土由两层组成，填土表面有20kPa的均布荷载，试计算作用在墙上总的主动土压力和作用点的位置。,C1=15kPa r1=16kN/m3 1=200,C2=10kPa r2=18kN/m3 2=160,2m,3m,6-3 朗肯(Rankine)土压力

12、理论,总结：,朗肯土压力理论假定土体是具有水平表面的半无限体，墙背竖直光滑。 朗肯理论认为当墙后填土达到极限平衡状态时，与墙背接触的任一土单元体都处于极限平衡状态，然后根据土单元体处于极限平衡状态时应力所满足的条件来建立土压力的计算公式。,6-3 朗肯(Rankine)土压力理论,总结：,土压力在均质地基中随深度呈直线分布； 土压力分布线的斜率是容重和土压力系数的乘积； 土压力在土层的分界面上一般会发生突变； 土压力在地下水位处发生转折，地下水位以下土体的容重用浮容重； 当地下水位高于挡土结构物的基底面时，挡土结构物除受到其后填土的土压力作用外，还会受到水压力的作用。,如果墙背不垂直、粗糙 墙

13、后填土表面不水平 如何计算挡土墙后的土压力？,6-4 库仑土压力理论,6-4 库仑土压力理论,一、基本原理和基本假定,6-4 库仑土压力理论,基本假定：,一、基本原理和基本假定,滑动面为平面、滑动体为刚体。,6-4 库仑土压力理论,二、无粘性土主动土压力计算,6-4 库仑土压力理论,二、无粘性土主动土压力计算,6-4 库仑土压力理论,二、无粘性土主动土压力计算,6-4 库仑土压力理论,二、无粘性土主动土压力计算,墙背光滑 垂直， 填土表面水平时 与朗肯土压力理论一致,6-4 库仑土压力理论,二、无粘性土主动土压力计算,6-4 库仑土压力理论,三、无粘性土被动土压力计算,6-4 库仑土压力理论,

14、三、无粘性土被动土压力计算,6-4 库仑土压力理论,三、无粘性土被动土压力计算,6-4 库仑土压力理论,三、无粘性土被动土压力计算,四、库尔曼图解法,6-4 库仑土压力理论,库伦土压力计算公式是基于填土表面为平面的假定建立的，若填土表面不是平面，而是折线或曲线状时，就不能应用前述解析解直接计算，此时可以用图解法。,库尔曼图解法是其中的一种，由库尔曼在1875年提出的、目前较常用的图解方法。,图解法的思路：假定一系列的破坏面，分别作出相应的力矢三角形，可以直接由作图确定出相应E值，则所有E值中的最大值就是总的主动土压力Ea。,四、库尔曼图解法,6-4 库仑土压力理论,五、有超载作用时的土压力计算

15、,6-4 库仑土压力理论,以主动土压力计算为例,五、有超载作用时的土压力计算,6-4 库仑土压力理论,五、有超载作用时的土压力计算,6-4 库仑土压力理论,64 库仑土压力理论,六、粘性填土、地下水对土压力的影响,（一）粘性填土,64 库仑土压力理论,六、粘性填土、地下水对土压力的影响,（一）粘性填土,1. 构造要求： 墙设排水孔以及反滤层，填土表面设沟、堤等截流 2. 水下部分 土压力 水压力 pu=u (静水压力、渗流压力、超静孔压),三、填土中有水,6-4 几种工程中常见的主动土压力计算,一、挡土结构物（挡土墙）,61 概 述,刚性挡土墙,64 库仑土压力理论,六、粘性填土、地下水对土压

16、力的影响,（二）填土中有地下水,64 库仑土压力理论,六、粘性填土、地下水对土压力的影响,（二）填土中有地下水,填土中有稳定渗流,65 土压力问题的讨论,一、朗肯和库仑土压力理论存在的主要问题,朗肯土压力理论基于土单元体的应力极限平衡条件下建立，假定墙背面竖直、光滑、填土表面水平。,库仑土压力理论基于滑动块体的静力平衡条件建立，假定破坏面为平面。,当墙背倾斜角度较大超过一定范围后，滑动块体不会沿墙背滑动，而是沿土中某一面滑动。,65 土压力问题的讨论,一、朗肯和库仑土压力理论存在的主要问题,二、三种典型土压力在实际工程中的应用,1、如果挡土墙直接浇筑在岩基上，且墙的刚度很大，墙体产生的位移很小

17、，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。,2、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%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。,65 土压力问题的讨论,3、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

18、墙高的2%5%，而这是工程中所不允许的，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%。,二、三种典型土压力在实际工程中的应用,65 土压力问题的讨论,三、挡土墙位移对土压力分布的影响,1、如果挡土墙的下端不动，上端向外移动，无论位移多少，作用在墙背上的压力都按直线分布，总压力作用点位于墙底以上H/3处。当墙上端的移动达到一定数值后，墙后填土内会发生主动破坏，此时作用在墙上的土压力成为主动土压力。,65 土压力问题的讨论,2、如果挡土墙的上端不动，下端向外移动，无论位移达到多大，都不能使填土内发生主动破坏，压力为曲线分布，总压力作用点位于墙底以上约H/2处。,三、挡土墙位

19、移对土压力分布的影响,65 土压力问题的讨论,3、如果挡土墙的上端和下端都向外移动，当位移的大小未达到足以使填土发生主动破坏时，压力也是曲线分布，总压力作用点位于墙底以上H/2附近；当位移超过某一值后填土中将发生主动破坏，压力成为直线分布，总压力作用点降至墙高的1/3处。,三、挡土墙位移对土压力分布的影响,65 土压力问题的讨论,四、朗肯和库仑土压力理论的比较,（一）分析方法,区别 朗肯 库仑,极限平衡状态,与墙体接触的各单元体均处于极限平衡,刚性楔体,滑面上处于极限平衡状态,极限应力法 滑动楔体法,6-5 库仑土压力理论,（二） 应用条件,四、朗肯和库仑土压力理论的比较,6-5 库仑土压力理论,（三） 计算误差-朗肯土压力理论,墙背垂直 实际 d 0,郎肯主动土压力偏大 郎肯被动土压力偏小,四、朗肯和库仑土压力理论的比较,6-5 库仑土压力理论,（三）计算误差-库伦土压力理论,由于实际滑裂面不是平面,被动土压力误差大,四、朗肯和库仑土压力理论的比较,6-5 库仑土压力理论,66 工程中挡土墙的土压力计算,一、填土表面有局部均布荷载时的土压力计算