第八章 土压力和挡土墙.ppt
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1、土土 力力 学学 王王 晓晓 鹏鹏 土土 木木 学学 院院2010年年2011年第一学期年第一学期第八章第八章 土压力和挡土墙土压力和挡土墙第八章第八章 土压力和挡土墙土压力和挡土墙第一节第一节 挡土墙上的土压力及工程应用挡土墙上的土压力及工程应用挡土墙挡土墙是防止土体(天然土坡或人工斜坡)坍塌的构筑物。是防止土体(天然土坡或人工斜坡)坍塌的构筑物。如:支撑建筑物周围填土的挡土墙,地下室侧墙,桥台以如:支撑建筑物周围填土的挡土墙,地下室侧墙,桥台以及贮藏粒状材料的挡墙等。及贮藏粒状材料的挡墙等。土压力:土压力:挡土墙后的填土因自重或外荷载作用对墙背产生挡土墙后的填土因自重或外荷载作用对墙背产生
2、的侧向压力。的侧向压力。土压力按挡土墙可能位移的方向及墙后填土土压力按挡土墙可能位移的方向及墙后填土所处应力状态又分为主动土压力,被动土压力和静止土压所处应力状态又分为主动土压力,被动土压力和静止土压力。力。土压力是进行挡土墙断面设计和稳定验算的重要荷载。土压力是进行挡土墙断面设计和稳定验算的重要荷载。第八章第八章 土压力和挡土墙土压力和挡土墙一、土压力的类型一、土压力的类型第八章第八章 土压力和挡土墙土压力和挡土墙 土压力的大小和分布规律不仅与挡土墙的高度、填土的土压力的大小和分布规律不仅与挡土墙的高度、填土的性质有关,还与挡土墙的刚度及其位移密切相关。性质有关,还与挡土墙的刚度及其位移密切
3、相关。1.静止土压力静止土压力当挡土墙静止不动,墙当挡土墙静止不动,墙后土体处于后土体处于弹性平衡状弹性平衡状态态,此时墙后土体作用,此时墙后土体作用在墙背上的土压力称为在墙背上的土压力称为静止土压力。静止土压力。第八章第八章 土压力和挡土墙土压力和挡土墙2.主动土压力主动土压力在土压力作用下,挡土墙在土压力作用下,挡土墙离开土体向前位移至一定离开土体向前位移至一定数值,墙后土体达到数值,墙后土体达到主动主动极限平衡状态时极限平衡状态时,作用在,作用在墙背的土压力减至最小,墙背的土压力减至最小,称为主动土压力。称为主动土压力。3.被动土压力(墙推土)被动土压力(墙推土)在外力作用下,挡土墙推在
4、外力作用下,挡土墙推挤土体向后位移至一定数挤土体向后位移至一定数值,墙后土体达到值,墙后土体达到被动极被动极限平衡状态时限平衡状态时,作用在墙,作用在墙背的土压力增至最大,称背的土压力增至最大,称为被动土压力。为被动土压力。4.4.三种土压力之间的关系三种土压力之间的关系 -+-EoapEaEo oEp 对同一挡土墙,在填土对同一挡土墙,在填土的物理力学性质相同的的物理力学性质相同的条件下条件下有以下规律:有以下规律:n1.1.Ea Eo Epn2.2.p a第八章第八章 土压力和挡土墙土压力和挡土墙二、影响土压力的因素二、影响土压力的因素1.挡土墙的位移挡土墙的位移挡土墙的位移的方向和大小决
5、定了土压力的性质挡土墙的位移的方向和大小决定了土压力的性质2.挡土墙形状挡土墙形状挡土墙形状:(墙背为直立或倾斜、墙背为光滑或粗糙),挡土墙形状:(墙背为直立或倾斜、墙背为光滑或粗糙),将影响土压力的大小将影响土压力的大小3.填土的性质填土的性质4.挡土墙的材料挡土墙的材料影响墙背的光滑程度影响墙背的光滑程度第八章第八章 土压力和挡土墙土压力和挡土墙第二节第二节 静止土压力静止土压力静止土压力发生在挡土墙为刚性、墙体不发生任何位移的情况下静止土压力发生在挡土墙为刚性、墙体不发生任何位移的情况下填土表面下任意深度填土表面下任意深度 处的静止土压力处的静止土压力静止土压力系数;静止土压力系数;砂土
6、:砂土:0.250.42粘性土:粘性土:0.50.8或或第八章第八章 土压力和挡土墙土压力和挡土墙沿墙长度方向取沿墙长度方向取1延米,作用在挡土墙上的总静止土压延米,作用在挡土墙上的总静止土压力力合力作用点位于静止土压力合力作用点位于静止土压力三角形分布图的重心,即三角形分布图的重心,即H/3处,方向水平。处,方向水平。第八章第八章 土压力和挡土墙土压力和挡土墙第三节第三节 朗肯土压力理论朗肯土压力理论一、基本假定和基本原理一、基本假定和基本原理1.基本假设基本假设(1)假)假 设土体是半无限空间体设土体是半无限空间体(2)墙背直立光滑)墙背直立光滑2.基本原理基本原理朗肯土压力理论是根据半朗
7、肯土压力理论是根据半空间的应力状态和土的极空间的应力状态和土的极限平衡条件而得出的土压限平衡条件而得出的土压力计算方法。力计算方法。第八章第八章 土压力和挡土墙土压力和挡土墙半空间半空间 在距地表在距地表z处取一单位微体处取一单位微体M,当整个土体都处于,当整个土体都处于静止状态时,各点都处于弹性平衡状态。静止状态时,各点都处于弹性平衡状态。竖向应力竖向应力水平向应力水平向应力由于土体内每一竖直面都是对称面,因此竖直截面和水平截面由于土体内每一竖直面都是对称面,因此竖直截面和水平截面上的剪应力都等于零,上的剪应力都等于零,和和 都是主应力都是主应力第八章第八章 土压力和挡土墙土压力和挡土墙此时
8、的应力状态用莫尔圆表示为如图所示的圆此时的应力状态用莫尔圆表示为如图所示的圆I,由于该点处于,由于该点处于弹性平衡状态,故莫尔圆没有和抗剪强度包线相切。弹性平衡状态,故莫尔圆没有和抗剪强度包线相切。设想由于某种原因将使整个土体在水平方向均匀地伸展或压缩,设想由于某种原因将使整个土体在水平方向均匀地伸展或压缩,使土体由弹性平衡状态转为极限平衡状态。使土体由弹性平衡状态转为极限平衡状态。第八章第八章 土压力和挡土墙土压力和挡土墙如果土体在水平方向伸展,如果土体在水平方向伸展,则则M单元在水平截面上的法向应单元在水平截面上的法向应力力 不变而竖直截面上的法向应力不变而竖直截面上的法向应力 却逐渐减少
9、,却逐渐减少,直至满足直至满足极限平衡条件极限平衡条件为止为止(称为主动朗肯状称为主动朗肯状 态态),此时,此时 达最低限值达最低限值 ,因此,因此,是小主应力,而是小主应力,而 是是大主应力,并且莫尔圆与抗剪强度包线相切,如图大主应力,并且莫尔圆与抗剪强度包线相切,如图4-5(b)圆圆所示。所示。朗肯设想朗肯设想用墙背直立光滑的挡土墙代替半空间左边的土,如果用墙背直立光滑的挡土墙代替半空间左边的土,如果墙背与土的接触面上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主动或被动朗肯状态的边界变形条件,则墙后土体的应力
10、状态,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。不变由此可以推导出主动和被动土压力计算公式。如果土体在水平方向压缩如果土体在水平方向压缩,不断增加而不断增加而 却仍保却仍保持不变,直到满足持不变,直到满足极限平衡条件极限平衡条件(称为被动朗肯状态称为被动朗肯状态)时时 达最大限值达最大限值 ,这时,这时 是大主应力而是大主应力而 是小是小主应力,莫尔圆为图主应力,莫尔圆为图45(b)中的圆中的圆。第八章第八章 土压力和挡土墙土压力和挡土墙二、主动土压力二、主动土压力主动土压力强度主动土压力强度或或无粘性土:无粘性土:粘性土:粘性土:或或无粘性土的主动土压力强度与无粘性土的
11、主动土压力强度与z成正比,沿墙高的压力分布为成正比,沿墙高的压力分布为三角形,如图所示,如取单位墙长计算,则主动土压力为:三角形,如图所示,如取单位墙长计算,则主动土压力为:主动土压力系数主动土压力系数第八章第八章 土压力和挡土墙土压力和挡土墙 通过三角形的形心,即作用在离墙底通过三角形的形心,即作用在离墙底H3处。处。第八章第八章 土压力和挡土墙土压力和挡土墙粘性土的主动土压力强度包括两部分:粘性土的主动土压力强度包括两部分:一部分是由土自重引起一部分是由土自重引起的土压力的土压力 ,另一部分是由粘聚力,另一部分是由粘聚力c,引起的负侧压,引起的负侧压力力 ,这两部分土压力叠加的结果如图所示
12、,其中,这两部分土压力叠加的结果如图所示,其中ade部分是负侧压力,对墙背是拉力,但实际上墙与土在很小部分是负侧压力,对墙背是拉力,但实际上墙与土在很小的拉力作用下就会分离,故在计算土压力时,这部分应略去不的拉力作用下就会分离,故在计算土压力时,这部分应略去不计,因此粘性土的土压力分布仅是计,因此粘性土的土压力分布仅是abc部分。部分。a点离填土面的深点离填土面的深度度 常称常称为临界深度为临界深度,在填土面无荷载的条件下,可令公,在填土面无荷载的条件下,可令公式为零求得式为零求得 值,即:值,即:得得如取单位墙长计算,则主动土压力为:如取单位墙长计算,则主动土压力为:粘性土的主动土压力粘性土
13、的主动土压力 通过在三角形压力分布图通过在三角形压力分布图abc的形心,的形心,即作用在离墙底即作用在离墙底 处处三、被动土压力三、被动土压力被动土压力强度被动土压力强度无粘性土:无粘性土:或或第八章第八章 土压力和挡土墙土压力和挡土墙粘性土:粘性土:或或被动土压力系数被动土压力系数无粘性土的被动土压力强度呈三角形分布,粘性土的被动无粘性土的被动土压力强度呈三角形分布,粘性土的被动土压力强度则呈梯形分布。如取单位墙长计算,则被动土土压力强度则呈梯形分布。如取单位墙长计算,则被动土压力可由下式计算:压力可由下式计算:无粘性土无粘性土:粘性土:粘性土:被动土压力,通过三角形或梯形压力分布图的形心。
14、被动土压力,通过三角形或梯形压力分布图的形心。五、常见情况的土压力计算五、常见情况的土压力计算1.填土表面作用均布荷载填土表面作用均布荷载是将均布荷载换算成当量的是将均布荷载换算成当量的土重,即用假想的土重代替土重,即用假想的土重代替均布荷载。当填土面水平时,均布荷载。当填土面水平时,当量的土层厚度为当量的土层厚度为以无粘性土为例,则填土以无粘性土为例,则填土面面A点的主动土压力强度点的主动土压力强度第八章第八章 土压力和挡土墙土压力和挡土墙第八章第八章 土压力和挡土墙土压力和挡土墙墙底墙底B点的土压力强度点的土压力强度2.墙后填土中有地下水墙后填土中有地下水当墙后填土有地下当墙后填土有地下水
15、时,作用在墙背水时,作用在墙背上的上的侧压力有土压侧压力有土压力和水压力两部分力和水压力两部分,计算土压力时假设计算土压力时假设地下水位上下土的地下水位上下土的内摩擦角和墙与土内摩擦角和墙与土之间的摩擦角相同。之间的摩擦角相同。第八章第八章 土压力和挡土墙土压力和挡土墙以无粘性土为例以无粘性土为例水压力水压力3.成层填土情况成层填土情况图示挡土墙,墙后有几层不同种类的水平土层,在计算土压图示挡土墙,墙后有几层不同种类的水平土层,在计算土压力时,第一层的土压力按均质土计算,计算第二层土压力时,力时,第一层的土压力按均质土计算,计算第二层土压力时,将第一层土按重度换算成与第二层土相同的当量土层,即
16、其将第一层土按重度换算成与第二层土相同的当量土层,即其当量土层厚度为当量土层厚度为 ,然后以,然后以 为墙高为墙高第八章第八章 土压力和挡土墙土压力和挡土墙按均质土计算土压力,按均质土计算土压力,但只在第二层土层厚度但只在第二层土层厚度范围内有效。由于各土范围内有效。由于各土层的性质不同,主动土层的性质不同,主动土压力系数也不同。压力系数也不同。A点点B点上界面点上界面B点下界面点下界面C点上界面点上界面C点下界面点下界面D点点第八章第八章 土压力和挡土墙土压力和挡土墙某点的主动土压力强度某点的主动土压力强度 等于该点的竖向应力等于该点的竖向应力相应土相应土层的主动土压力系数,若为粘性土减去层
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