第五章地基与基础.pptx
第一节土压力的类型及影响因素由理论分析与挡土墙的模型试验可知挡土墙土压力不是一个常量，其土压力的性质、大小及沿墙高的分布规律与很多因素有关，归纳起来主要有:(1)墙后填土的性质，包括填土的重度、含水量、内摩擦角和钻聚力的大小及填土面的倾斜程度。(2)挡土墙的形状、墙背的光滑程度和结构形式。(3)挡土墙的位移方向和位移量。上一页 返回第1页/共58页第二节静止土压力的计算一、静止土压力的计算方法在填土表面下任意深度二处取一微小单元体，如图5-4所示，其上作用着竖向的土自重应力yz，则该处的静止土压力强度可按下式计算:(5-2)式中 -土的侧压力系数或称为静止土压力系数;-墙后填土重度(kN/m3)。由式(5-2)可知，静止土压力沿墙高为三角形分布，如图5-4所示，如果取单位墙长，则作用在墙上的静止土压力为:(5-3)式中H-挡土墙高度(m)其余符号同前。E0的作用点在距墙底H/3处。下一页返回第2页/共58页第二节静止土压力的计算 静止土压力系数K0由试验确定，Jaky首先在20世纪40年代提出，后被Bishop等的试验证实，对正常固结土可近似取(5-4)式中 -土的有效内摩擦角(o)，由慢剪或三轴固结不排水剪测孔隙水压力试验确定。对超固结土，可取(5-5)式中OCR-土的超固结比。二、静止土压力系数(一)静止土压力系数静止土压力系数参考值见表5-1。(二)土的静止侧压力系数土的静止侧压力系数见表5-2。(三)压实土的静止侧压力系数压实土的静止侧压力系数见表5-3。上一页 返回第3页/共58页第三节朗肯土压力理论 朗肯土压力理论(Rankine,1857)，是根据弹性半空间体内的应力状态和土体的极限平衡理论建立的，即将土中某一点的极限平衡条件应用到挡土墙的土压力计算中。朗肯假设墙身的位移与土体的侧向伸长和压缩变形一致，用竖直墙背代替半空间一边的土，这样可保持土体的原应力状态。再用光滑的墙背(，无摩擦力)来满足剪应力为零的边界条件。于是，土中深度z点处微小单元体在水平面上受到的垂直主应力 ，在垂直面上受到的水平主应力 则由土体所处的状态确定。一、朗肯土压力理论原理 朗肯理论是从研究弹性半空间体的应力状态出发，依据土的极限平衡理论，导出土压力强度的计算公式。如图5-5 (a)所示，假设墙后填土面为水平、均质的各向同性的半无限土体，用一竖直、光滑的挡土墙背取代土体中任一竖直面，当墙背静止不动时，为上节所述的静止土压力状态，墙背上任一点C的应力状态如下:下一页返回第4页/共58页第三节朗肯土压力理论大主应力(5-6)小主应力(5-7)该应力状态仅由填土的自重产生时，必然为弹性平衡状态，其莫尔应力圆如图5-5(d)中的圆I所示，一定处于填土抗剪强度线(线)之下。但是当挡土墙在土压力作用下，使墙体离开填土向前发生微小转动或位移时，墙后土体随之侧向膨胀，则墙背侧向土压力强度 逐渐减少，因墙背竖直光滑，减小后仍为小主应力 ，土体侧胀大到一定值时，减小至 ，C点达到主动极限平衡状态，此时竖向主应力 仍为 不变(因土体侧胀引起的重度 减小量忽略不计)。与 构成主动极限应力圆如图5-5(d)中的II圆所示，必然与 线相切。因假设土体均匀侧胀，则土中各点均达到主动极限平衡状态，被称为主动朗肯状态。达到最低值的小主应力 ，称为朗肯主动土压力强度Ea。此时，土体中存在两簇对称的理论滑裂面，滑裂面与大主应力作用面(水平面)的夹角为 ，如图5-5(b)所示。上一页 下一页返回第5页/共58页第三节朗肯土压力理论 反之，上述挡土墙在外力作用下，墙体向右挤推填土，如图5-5(c)所示，土体产生侧向压缩变形，随之不断加大，变为大主应力，而 不变成为小主应力。当 加大至 时，土体达到被动极限平衡状态，称为被动朗肯状态，最大值 称为朗肯被动土压力强度Ep。与 构成新的被动极限应力圆，如图5-5(d)中的III圆所示。朗肯将上述原理应用于挡土墙土压力计算中，他设想用墙背直立的挡土墙代替半空间左边的土，如果墙背与土的接触面上满足剪应力为零的边界应力条件以及产生主动或被动朗肯状态的边界变形条件，则墙后土体的应力状态不变。由此可以推导出主动和被动土压力计算公式。二、用朗肯土压力理论计算主动土压力 (1)由土的强度理论可知，当土体中某点处于极限平衡状态时，大主应力 和小主应力 之间应满足以下关系式:上一页 下一页返回第6页/共58页第三节朗肯土压力理论1)黏性土(5-8)或(5-9)2)无黏性土(5-10)或(5-11)(2)对于如图5-6所示的挡土墙，设墙背光滑(为了满足剪应力为零的边界应力条件)，直立、填土面水平。当挡土墙偏离土时，由于墙后土体中离地表为任意深度二处的竖向应力 不变，亦即大主应力不变，而水平应力 却逐渐减少直至产生主动朗肯状态，此时，是小主应力 ，也就是主动土压力强度，由极限平衡条件式(5-9)和式(5-11)得:上一页 下一页返回第7页/共58页第三节朗肯土压力理论1)无黏性土(5-12)2)粘性土(5-13)式中 -主动土压力系数，-墙后填土的重度(kN/m3),地下水位以下用有效重度;c -填土的黍占聚力(kPa);-填土的内摩擦角(o);z -所计算的点离填土面的深度(m)(3)由上述公式及图5-6(a),(b)可见，主动土压力八、沿深度z呈直线分布。作用在墙背上的主动土压力的合力EA即为pa分布图形的面积，其作用点位置在分布图形的形心处，即无黏性土:上一页 下一页返回第8页/共58页第三节朗肯土压力理论(5-14)或(5-15)Ea通过三角形的形心，即作用在离墙底H/3处。黏性土:当z=0时，由式 ，即出现拉力区。令式(5-13)中的 ，可解得拉力区的高度为:(5-16)(4)由于填土与墙背之间不能承受拉应力，因此在拉力区范围内将出现裂缝。在计算墙背上的主动土压力时，不考虑拉力区的作用，即:上一页 下一页返回第9页/共58页第三节朗肯土压力理论(5-17)将式(5-16)代人上式后得:(5-18)主动土压力E.、通过在三角形压力分布图abc的形心，即作用在离墙底(H-z0)/3处，如图5-6 (c)所示。(5)如挡墙后为成层土层，仍可按式(5-12)、式(5-13)计算主动土压力。但应注意在土层分界面上，由于两层土的抗剪强度指标不同，使土压力的分布有突变，如图5-7所示。其计算方法如下:(5-19)上一页 下一页返回第10页/共58页第三节朗肯土压力理论式中 其余符号意义见图5-7。(6)如图5-8所示，挡土墙后填土表面作用着连续均布荷载q时，计算时可以为在深度z处的竖向应力 增加了一个q值，将式(5-12)、式(5-13)中的 代之以 ，就能得到填土面有超载时的主动土压力计算公式。砂性土(5-20)黏性土(5-21)式中q-地面超载。(7)当无固定超载时，考虑到深基坑边随机发生的施工堆载、车辆行驶动载等因索般可取均布超载q=1020 kPa上一页 下一页返回第11页/共58页第三节朗肯土压力理论 三、用朗肯土压力理论计算被动土压力 当墙受到外力作用而推向土体时图5-9 (a),填土中任意一点的竖向应力 仍不变，而水平向应力 却逐渐增大，直至出现被动朗肯状态，此时，达最大限值 ，因此 是大主应力，也就是被动土压力强度，而 则是小主应力。于是由式(5-8)和式(5-10)可得:无黏性土(5-22)黏性土(5-23)式中KP-被动土压力系数其余符号意义同前。上一页 下一页返回第12页/共58页第三节朗肯土压力理论 由式(5-22)和式(5-23)可知，无钻性土的被动土压力强度呈三角形分布，如图5-9(b)所示;黍占性土的被动土压力强度则呈梯形分布，如图5-9(c)所示。如取单位墙长计算，则被动土压力可由下式计算:无黏性土：(5-24)黏性土：(5-25)被动土压力EP通过三角形或梯形压力分布图的形心。若填土为成层土，填土表面有超载时，被动土压力的计算方法与前述主动土压力计算。上一页 返回第13页/共58页第四节库伦土压力理论库伦土压力理论(Coulomb,1773)是根据墙后滑动楔体的静力平衡条件建立的，并作了如下假定:(1)挡土墙是刚性的，墙后填土为无钻性土。(2)滑动楔体为刚体。(3)楔体沿着墙背及一个通过墙踵的平面滑动。一、用库伦土压力理论计算主动土压力 主动土压力计算公式如下:(5-26)(5-27)式中 -分别是填土的重度(kN/m3)和内摩擦角(o)；h-挡土墙高度(m);-墙背的倾斜角，即墙背与垂线的夹角(o)。以垂线为准，反时针为正(俯斜);顺时针为负(仰斜);下一页返回第14页/共58页第四节库伦土压力理论 -墙后填土表面的倾斜角(o)；-土对墙背的摩擦角(o)，它与填土性质、墙背粗糙程度、排水条件、填土表面轮廓和它上面有无超载等有关，应由试验确定。一般情况下可取下列数值:墙背粗糙和排水良好，取 ;墙背很粗糙且排水良好，取 ;墙背光滑而排水不良，取 ;墙背与填土间不可能滑动(如砌体砌筑的阶梯形挡土墙)，取 ;Ka-主动土压力系数。沿墙高主动土压力强度是按直线分布的，其强度分布图形为三角形，如图5-10所示，而主动土压力Ea的作用点在距墙底h/3处。当墙背垂直 、光滑 、填土表面水平 且与墙齐高时，式(5-2 6)可简化成:(5-28)上一页 下一页返回第15页/共58页第四节库伦土压力理论 对于高度小于或等于5m的挡土墙，墙后有良好的排水条件且填土质量符合规定时，其主动土压力系数可按建筑地基基础设计规范(GB50007-2002)附录L中图查得。二、用库伦土压力理论计算被动土压力 被动土压力EP公式如下:(5-29)(5-30)上一页 下一页返回第16页/共58页第四节库伦土压力理论式中KP-被动土压力系数。被动土压力EP的作用点在距墙底h/3处，如图5-11所示。当墙背垂直 、光滑 填土表面水平 且与墙齐高时，式(5-29)可简化成:(5-31)上一页 返回第17页/共58页第五节特殊情况下的土压力计算 一、填土表面有均布荷载 假设填土为无黏性土(c=0)，而土的主动土压力强度 即 由垂直向应力 与Ka的乘积组成，当填土表面有竖向均布荷载q时，填土中深度z处的垂直向应力变为 ，其主动土压力强度:(5-32)如图5-12所示，土压力强度图形呈梯形，合力作用点在梯形形心。二、墙后填土有地下水 当墙后填土中出现地下水时，土体抗剪强度降低，墙背所受的总压力由土压力与水压力共同组成，墙体稳定性受到影响。下一页返回第18页/共58页第五节特殊情况下的土压力计算在计算土压力时，如图5-13所示，假定水上、水下土的 、c、均不变，水上土取天然重度，水下土取有效重度进行计算。三、墙后填土分层 以无钻性土为研究对象，当墙后填土为不同种类的水平土层组成时，求出深度z处的垂直向应力，再乘以Ka即可，如图5-14所示。上一页 返回第19页/共58页第六节挡土墙的设计一、挡土墙的类型挡土墙是防止土体坍塌的构造物，主要类型如图5-15所示。挡土墙的类型如图5-16所示，近十多年来，国内外在发展新型挡土结构方面，提出了不少新型结构，例如锚杆挡土墙、锚定板挡土墙和土工织物挡土墙等，图5-17为锚定板挡土墙结构的简图，一般由预制的钢筋混凝土墙面、钢拉杆和埋在填土中的锚定板组成。图5-17 (a)表示锚定板结构的一种，墙面所受的主动土压力完全由拉杆和锚定板承受，只要锚定板的抗拔能力不小于墙面所受荷载引起的土压力，就可使结构保持平衡。图5-17(b)是另一种锚定板结构，它具有结构轻便且经济的特点，较适用于地基承载力不大的软土地基。二、挡土墙的构造要求 (1)重力式挡土墙可在基底设置逆坡。对于土质地基，基底逆坡坡度不宜大于1:10;对于岩质地基，基底逆坡坡度不宜大于1:5。下一页返回第20页/共58页第六节挡土墙的设计(2)重力式挡土墙的基础埋置深度，应根据地基承载力、水流冲刷、岩石裂隙发育及风化程度等因素进行确定。在特强冻胀、强冻胀地区应考虑冻胀的影响。在土质地基中，基础埋置深度不宜小于0.5m;在软质岩地基中，基础埋置深度不宜小于0.3 m。(3)重力式挡土墙适用于高度小于6m、地层稳定、开挖土石方时不会危及相邻建筑物安全的地段。(4)重力式挡土墙应每间隔1020 m设置一道伸缩缝。当地基有变化时宜加设沉降缝。在挡土结构的拐角处，应采取加强的构造措施。(5)块石挡土墙的墙顶宽度不宜小于400 mm;混凝土挡土墙的墙顶宽度不宜小于200 mm。三、挡土墙的验算方法(一)整体滑动稳定性与地基承载力验算整体滑动稳定性验算可采用圆弧滑动面法。上一页 下一页返回第21页/共58页第六节挡土墙的设计地基承载力验算，基底合力的偏心距不应大于0.25倍基础的宽度。(二)抗倾覆稳定性验算抗倾覆稳定性应按下式验算，如图5-18所示(5-33)(5-34)(5-35)(5-36)(5-37)式中z-土压力作用点离墙踵的高度;x0-挡土墙重心离墙趾的水平距离;-挡土墙墙背的倾角;-土对挡土墙墙背的摩擦角;上一页 下一页返回第22页/共58页第六节挡土墙的设计b-基底的水平投影宽度。(三)抗滑移稳定性验算抗滑移稳定性应按下式验算，如图5-19所示:(5-38)(5-39)(5-40)(5-41)(5-42)式中G-挡土墙每延米自重;-挡土墙基底的倾角;-土对挡土墙基底的摩擦系数由试验确定，也可按表5-4选用。上一页 返回第23页/共58页第七节边坡工程稳定性分析 一、边坡稳定性分析原则 边坡滑裂面的形式多种多样，对于无钻性边坡，多为平面滑动;黍占性边坡，多产生圆柱形滑动面;不均匀的成层边坡，地基中有软弱层，易产生复合滑动面。边坡稳定性分析时应根据边坡类型和可能的破坏形式，按下列原则确定:(1)土质边坡和较大规模的碎裂结构岩质边坡宜采用圆弧滑动法计算。(2)对可能产生平面滑动的边坡宜采用平面滑动法进行计算。(3)对可能产生折线滑动的边坡宜采用折线滑动法进行计算。(4)对结构复杂的岩质边坡，可配合采用赤平极射投影法和实体比例投影法进行分析。(5)当边坡破坏机制复杂时，宜结合数值分析法进行分析。二、影响边坡稳定性的因素 影响边坡稳定性的因素有多种，包括土坡的边界条件、土质条件和外界条件，如图5-20所示。下一页返回第24页/共58页第七节边坡工程稳定性分析 三、无猫性土边坡稳定性分析 无钻性土边坡是由松散土颗粒堆积而成的。颗粒之间不存在钻聚力，只存在摩擦力。边坡失稳一般为平面滑动。现在边坡坡面取一微小单元体进行分析，如图5-21所示。土体自重W铅垂向下，W的两个分力为:法向分力 切向分力 稳定性系数(5-43)由上式可知，无钻性土边坡稳定的极限坡角B等于其内摩擦角，即当 (K=1)时，土坡处于极限平衡状态。故砂土的内摩擦角也称为自然休止角。由上述平衡关系还可以看出:无钻性土边坡的稳定性与坡高无关，仅决定于坡角 ，只要 (K1)，边坡就可以保持稳定。上一页 下一页返回第25页/共58页第七节边坡工程稳定性分析 四、猫性土边坡的稳定性分析 钻性土边坡的滑动情况如图5-22所示。边坡失稳前一般在坡顶产生张拉裂缝，接近坡脚的地面有较大的侧向位移和部分土体隆起，随着剪切变形的增大，边坡沿着某一曲面产生整体滑动。通常滑动曲面接近圆弧。在稳定分析中常假定滑动面为圆弧面。当边坡沿 圆弧滑动时，可视为土体ABD绕圆心O点转动。取土坡1m长度进行分析。滑动土体的重力在滑动面上的分力为滑动力，而沿滑动面上分布的土体抗剪强度合力为抗滑力，滑动力与抗滑力对滑动圆弧的圆心取矩计算。因滑动面为曲面，为简化计算，分析时将滑动土体沿横向分成若干小土条，每条的滑动面近似取为平面。逐条计算滑动力矩和抗滑力矩，最后叠加，得到总抗滑力矩和滑动力矩及稳定性系数。上一页 下一页返回第26页/共58页第七节边坡工程稳定性分析(5-44)在上面所述计算中，由于滑动面AB是任意选定的，不一定是最危险的真正滑动面。所以通过试算法，找出稳定性系数最小值Kmin的滑动面，才是真正的滑动面。为此，取一系列圆心O1、O2、O3和相应的半径R1、R2、R3.，可计算出各自的稳定性系数K1、K2、K3，取其中最小值Kmax的圆弧来进行设计。上一页 返回第27页/共58页第八节(基坑)支护结构一、支护结构的类型为保证她下结构施工及基坑周边环境的安个，对基坑侧壁采用的支挡、加固与保护措施统称为基坑支护。基坑支护结构主要承受基坑土方开挖卸荷时所产生的土压力、水压力和附加荷载产生的侧压力，起到挡土和止水作用，是保证基坑稳定的一种临时施工措施。(1)支护结构按其受力状况可分为重力式支护结构和非重力式支护结构两类。深层搅拌水泥土桩、水泥旋喷桩和土钉墙等皆属于重力式支护结构。钢板桩、H型钢桩、混凝土灌注桩和地下连续墙等皆属于非重力式支护结构。(2)支护结构根据不同的开挖深度和不同的工程地质与水文地质等条件，可选用悬臂式支护结构或设有撑锚体系的支护结构。悬臂式支护结构由挡墙和冠梁组成，设有撑锚体系的支护结构由挡墙、冠梁和撑锚体系三部分组成。下一页返回第28页/共58页第八节(基坑)支护结构 二、支护结构的选型原则 (幼符合基坑侧壁安全等级要求，确保坑壁稳定及施工安全。(2)方便土方开挖和地下结构工程施工。(3)确保邻近建筑物、道路、地下管线等的正常使用。(4)做到经济合理、工期短、效益好。三、边坡坡度允许值 土方边坡的大小，应根据土质条件、开挖深度、地下水位、施工方法及开挖后边坡留置时间的长短、坡顶有无荷载以及相邻建筑物情况等因素而定。(1)当地质条件良好、土质均匀且地下水位低于基坑(槽)底面标高时，挖方边坡可做成直立壁不加支撑，但深度不宜超过表5-5的规定。(2)若不符合上述要求时，可采用放坡开挖。永久性挖方边坡应按设计要求放坡，临时性挖方边坡值应符合表5-6的规定。上一页 返回第29页/共58页图5-1土压力的类型返回第30页/共58页图5-2土压力的三种类型(a)静止土压力(b)主动土压力(c)被动土压力返回第31页/共58页图5-3墙身位移和土压力的关系返回第32页/共58页图5-4静止土压力的分布返回第33页/共58页表5-1静止土压力系数K0参考佰返回第34页/共58页表5-2土的静止侧压力系数K0返回第35页/共58页表5-3压实土的静止侧压力系数K0返回第36页/共58页图5-5朗肯土压力理论返回第37页/共58页图5-6主动土压力强度分布图(a)主动土压力的计算(b)无黏性土(c)黏性土返回第38页/共58页图5-7成层土的主动土压力计算返回第39页/共58页图5-8填土上有超载时的主动土压力计算返回第40页/共58页图5-9被动土压力的计算(a)被动土压力的计算(b)无黏性土(c)黏性土返回第41页/共58页图5-10主动土压力强度分布图(a)沿墙高的分布;(b)沿墙背的分布返回第42页/共58页图5-11被动土压力的计算返回第43页/共58页图5-12填土面有均布荷载的土压力计算返回第44页/共58页图5-13填土中有地下水的土压力计算返回第45页/共58页图5-14成层填土的土压力计算返回第46页/共58页图5-15挡土墙类型返回第47页/共58页图5-16挡土墙的类型(a)重力式挡土墙;(b)臂式挡土墙;(c)扶壁式挡土墙返回第48页/共58页图5-17锚定板挡土墙结构返回第49页/共58页图5-18挡土墙抗倾覆礁定性验算示意图返回第50页/共58页图5-19挡土墙抗滑移礁定性验算示意图返回第51页/共58页表5-4土对挡土墙基底的摩擦系数u返回第52页/共58页图5-20影晌边坡稳定性的因素返回第53页/共58页图5-21无黏性土边坡稳定性分析返回第54页/共58页图5-22黏性土边坡的稳定性分析返回第55页/共58页表5-5直立壁不加支撑挖方深度返回第56页/共58页表5-6临时性挖方边坡值返回第57页/共58页感谢您的观看！第58页/共58页
