6.1 土压力理论.ppt

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1、土压力与挡土墙土压力与挡土墙P188P188土力学土力学与地基基础与地基基础第六章第六章第六章第六章 土压力与挡土墙土压力与挡土墙二、朗肯土压力理论二、朗肯土压力理论三、库伦土压力理论三、库伦土压力理论四、土压力计算方法的讨论四、土压力计算方法的讨论五、挡土墙设计五、挡土墙设计一、土压力产生的条件一、土压力产生的条件概述概述挡土墙挡土墙用来支撑天然或人工斜坡不致坍塌以保持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。土体稳定性的一种构筑物。土压力土压力挡土墙后挡土墙后的填土因自重或外荷的填土因自重或外荷载作用对墙背产生的载作用对墙背产生的侧压力。侧压力。概述概述概述概述挡土墙的几

2、种类型挡土墙的几种类型:E地下室地下室地下室侧墙地下室侧墙E填土填土重力式挡土墙重力式挡土墙E桥面桥面拱桥桥台拱桥桥台概述概述刚性挡土墙刚性挡土墙本身变形极小，只能发生整体位移本身变形极小，只能发生整体位移 重力式重力式悬臂式悬臂式扶壁式扶壁式 锚拉式锚拉式（锚碇式）（锚碇式）概述概述刚性挡土墙的位移及土压力分布刚性挡土墙的位移及土压力分布概述概述柔性挡土墙柔性挡土墙本身会发生变形，墙上土压力分布形式复杂本身会发生变形，墙上土压力分布形式复杂锚杆锚杆板桩板桩板桩变形板桩变形板桩上土压力板桩上土压力 实测实测 计算计算概述概述临时支撑系统的位移及土压力分布临时支撑系统的位移及土压力分布临时支撑临

3、时支撑土压力分布受施工过程和变位条件的影响土压力分布受施工过程和变位条件的影响概述概述刚性挡土墙刚性挡土墙土压力计算比较简单，其它类型的土压力计算土压力计算比较简单，其它类型的土压力计算大都以刚性墙为依据大都以刚性墙为依据本章要讨论的中心问题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、分布及合力作用点括土压力的大小、方向、分布及合力作用点概述概述3.被动土压力被动土压力（Passive earth pressure)1.静止土压力静止土压力（Earth pressure at rest)2.主动土压力主动土压力（Ac

4、tive earth pressure)岩石岩石拱桥桥台拱桥桥台墙体位移与土压力类型墙体位移与土压力类型概述概述山体滑坡山体滑坡延安宝塔面延安宝塔面临滑坡威胁临滑坡威胁2009年年9月月14日日5时时50分发生在兰州市城关区小达分发生在兰州市城关区小达子坪的山体滑坡，已经导致子坪的山体滑坡，已经导致3 3人遇难。人遇难。护坡桩形成的挡土结构护坡桩形成的挡土结构加筋土挡墙加筋土挡墙挡土墙：挡土墙：用来支撑天然或人工斜坡不致坍用来支撑天然或人工斜坡不致坍塌以保持土体稳定性，或使部分侧向荷载塌以保持土体稳定性，或使部分侧向荷载传递分散到填土上的一种结构物。传递分散到填土上的一种结构物。土压力：土压力

5、：由于土体自重、土上荷载或结构由于土体自重、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。来自墙后填土的侧向压力。土压力是挡土墙上承受的主要外力土压力是挡土墙上承受的主要外力天然坝天然坝 坝高坝高290 m滑坡堰塞湖滑坡堰塞湖 库容库容15亿方亿方垮塌的重力式挡墙垮塌的重力式挡墙垮塌的护坡挡墙垮塌的护坡挡墙失稳的失稳的立交桥立交桥加筋土挡土墙加筋土挡土墙E填土填土重力式挡土墙重力式挡土墙挡土墙在土压力的作用下挡土墙在土压力的作用下离开墙后填土发生位移离开墙后填土发生位移墙体位移与土压力类型墙体位移与土压力类型E桥面桥面拱桥桥台拱桥

6、桥台挡土墙在各种力的共同作挡土墙在各种力的共同作用下向墙后填土挤压用下向墙后填土挤压EE对称的刚性挡土墙在各种对称的刚性挡土墙在各种力的共同作用下静止不动力的共同作用下静止不动 挡土墙可能的位移方向不同，强背面承受挡土墙可能的位移方向不同，强背面承受土压力的类型与大小不同。土压力的类型与大小不同。挡土墙所受土压力的大小并不是一个常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。数，而是随位移量的变化而变化。一、土压力类型及产生条件一、土压力类型及产生条件静止土压力静止土压力E0 挡土墙为刚性不动时，墙后填土处于静挡土墙为刚性不动时，墙后填土处于静止状态不产生位移和变形（处于弹性

7、平衡状止状态不产生位移和变形（处于弹性平衡状态），此时作用在挡土墙上的土压力。态），此时作用在挡土墙上的土压力。填土填土6.1 土压力产生的条件土压力产生的条件 挡土墙背离填土方向转动或移动，至墙挡土墙背离填土方向转动或移动，至墙后填土达到极限平衡状态时，作用在挡土墙后填土达到极限平衡状态时，作用在挡土墙上的土压力。上的土压力。主动土压力主动土压力Ea =H土压力土压力E15EafE墙体墙体外移外移，土，土压力逐渐压力逐渐减小减小Ep土压力土压力E-H15%挡土墙向填土方向转动或移动，至墙后挡土墙向填土方向转动或移动，至墙后填土达到极限平衡状态时，作用在挡土墙上填土达到极限平衡状态时，作用在挡

8、土墙上的土压力。的土压力。被动土压力被动土压力EpfE墙体墙体内移内移，土，土压力逐渐压力逐渐增大增大Ep挡土墙位移与土压力挡土墙位移与土压力E关系关系-H15%=H15EaE0+-转动转动+-移动移动二、静止土压力二、静止土压力z z z z hsh z计算自重应力的假定与静计算自重应力的假定与静止土压力产生的条件相同止土压力产生的条件相同hh/3K0 常用经验公式计算常用经验公式计算对于砂土、正常固结粘土对于砂土、正常固结粘土kPakN/m6.2 朗肯土压力理论朗肯土压力理论基本原理基本原理 墙后填土达到极限平衡状态时，填土墙后填土达到极限平衡状态时，填土中任一土单元体都处于极限平衡状态，

9、根中任一土单元体都处于极限平衡状态，根据土单元体的极限理论来建立土压力的计据土单元体的极限理论来建立土压力的计算公式。算公式。z z hsh z 3f z=z K0 zz不变，不变，h不断减小不断减小z z hsh zz不变，不变，h不断增大不断增大 1f z=z K0 z 1 1 3 3基本假设基本假设挡土墙为刚形体挡土墙为刚形体墙背光滑、垂直墙背光滑、垂直填土表面水平填土表面水平墙后各点均处于极限平衡状态墙后各点均处于极限平衡状态 z、h为主应力为主应力，且，且 z=z一、主动土压力一、主动土压力竖向应力为大主应力竖向应力为大主应力水平向应力为小主应力水平向应力为小主应力主动土压力强度为：

10、主动土压力强度为：朗肯主动土压力系数朗肯主动土压力系数墙后填土为无粘性土（砂土）墙后填土为无粘性土（砂土）c=0主动土压力主动土压力墙后填土为粘性土墙后填土为粘性土主动土压力主动土压力z0zz0 zz0 二、被动土压力二、被动土压力竖向应力为小主应力竖向应力为小主应力水平向应力为大主应力水平向应力为大主应力被动土压力强度为：被动土压力强度为：朗肯被动土压力系数朗肯被动土压力系数墙后填土为无粘性土（砂土）墙后填土为无粘性土（砂土）c=0被动土压力被动土压力墙后填土为粘性土墙后填土为粘性土被动土压力被动土压力土压力作用点的位置根据力矩平衡原理确定土压力作用点的位置根据力矩平衡原理确定土压力土压力：

11、单位长度挡土墙上土压力单位长度挡土墙上土压力单位：单位：kN/m，大小、方向、作用点，大小、方向、作用点土压力强度土压力强度：单位面积上的土压力单位面积上的土压力单位：单位：kN/m2几个概念几个概念每延米每延米土压力计算步骤土压力计算步骤计算墙背上特征点处的土压力强度计算墙背上特征点处的土压力强度绘制土压力强度分布图绘制土压力强度分布图计算土压力计算土压力Ea、Ep确定土压力确定土压力作用点作用点三、几种常见情况主动土压力计算三、几种常见情况主动土压力计算1.填土表面上有均布荷载填土表面上有均布荷载qqHH0计算墙背上特征点处的计算墙背上特征点处的土压力强度土压力强度绘制土压力强度分布图绘制

12、土压力强度分布图作用作用在墙背在墙背上的土上的土压力压力q当均布荷载从某点开始连续分布时当均布荷载从某点开始连续分布时过均布荷载起点作两条线与过均布荷载起点作两条线与水平面夹角分别为水平面夹角分别为、。ED认为认为D点以上土压力不受超点以上土压力不受超载影响，载影响，E点以下完全受影点以下完全受影响，响，D、E间的土压力用直间的土压力用直线连接线连接。q当均布荷载局部分布时当均布荷载局部分布时过均布荷载起、终点作两条过均布荷载起、终点作两条线与水平面夹角为线与水平面夹角为。ED认为认为D点以上点以上E点以下土压点以下土压力不受超载影响，力不受超载影响，E点以下，点以下，D、E间完全受影响间完全

13、受影响。2.填土为成层土填土为成层土g g1 1 c1g g2 2 c2H1H2 第一层按均质土计算土压力分布第一层按均质土计算土压力分布 计算第二层土压力分布时，把第一层重量计算第二层土压力分布时，把第一层重量作用在分层面上的应力，作为第二层的超载。作用在分层面上的应力，作为第二层的超载。成层土中土压力分布图为：成层土中土压力分布图为：计算各土层的计算各土层的土压力系数土压力系数 2 1c1=c2=0 时时g g2 2 H1H2g g1 1 1=2 时时 g g2 g g1 g g2 0 c1 0 c2=0c1、c2不为不为0 时时g g2 2 H1H2g g1 1 g g1=g g2 2=

14、1 时时注意注意 土压力分布在分层面上的连续性；土压力分布在分层面上的连续性；土压力分布线的斜率在分层面上的土压力分布线的斜率在分层面上的连续性；连续性；土压力系数及粘聚力土压力系数及粘聚力c应该采用计算应该采用计算点所在土层的。点所在土层的。3.填土中有地下水填土中有地下水 当墙后填土中有水时，需考虑地下当墙后填土中有水时，需考虑地下水位以下的填土由于浮力作用使有效重量水位以下的填土由于浮力作用使有效重量减轻引起的土压力减小，水下填土部分采减轻引起的土压力减小，水下填土部分采用浮容重进行计算。用浮容重进行计算。计算作用在墙背上的总压力时应包括计算作用在墙背上的总压力时应包括水压力的作用。水压

15、力的作用。H1H2水下部分用浮重度水下部分用浮重度土压力土压力土压力土压力 水压力水压力水压力水压力6.3 库伦土压力理论库伦土压力理论基本原理基本原理CB 当墙背上承受主、当墙背上承受主、被动土压力时，填土必被动土压力时，填土必处于极限平衡状态。处于极限平衡状态。填土中形成一完整滑动面填土中形成一完整滑动面BC，倾角为，倾角为。以滑动土体以滑动土体ABC的静力平衡的静力平衡条件确定土条件确定土压力压力。A基本假设基本假设挡土墙为刚形体挡土墙为刚形体墙后填土为粗粒土，墙后填土为粗粒土，c=0滑动面为过墙踵的平面滑动面为过墙踵的平面滑动土楔体为刚形体滑动土楔体为刚形体AB CH一、主动土压力一、

16、主动土压力 WE R 重力重力W=SABCABC墙背反力墙背反力E土体反力土体反力RWRE -=90-土的外摩擦角土的外摩擦角在力矢量三角形中，利用正弦定律可得：在力矢量三角形中，利用正弦定律可得：库仑主动土压力系数库仑主动土压力系数若若 =0，即墙背垂直光滑，填土表面水平即墙背垂直光滑，填土表面水平 库伦理论与朗肯理论等价库伦理论与朗肯理论等价 主动土压力强度分布主动土压力强度分布ABH 二、被动土压力二、被动土压力ABC HWRE +=90+-W ER EEp库仑被动土压力系数库仑被动土压力系数土压力分布：三角形分布土压力分布：三角形分布W中包括中包括BCDEEaz0WBCDACADCAE

17、REWEaRCAECAD三、粘性填土的主动土压力三、粘性填土的主动土压力四、库尔曼图解法四、库尔曼图解法WRE -=90-AB CH mn按照相同比例表示按照相同比例表示E的大小的大小LWmn 三角形三角形Bmn与力矢量三角形相似与力矢量三角形相似基本原理基本原理 W方向方向Ea方向方向基本步骤基本步骤WW方向方向E Ea a方向方向6.4 土压力计算方法的讨论土压力计算方法的讨论1 分析方法分析方法 E朗肯理论朗肯理论库仑理论库仑理论土体内各点均处于极限土体内各点均处于极限平衡状态：平衡状态：极限应力法极限应力法刚性楔体，滑面上处于刚性楔体，滑面上处于极限平衡状态：极限平衡状态：滑动楔滑动楔

18、体法体法先求土压力强度先求土压力强度p p先求土压力先求土压力E E极限平衡状态极限平衡状态2 应用条件及误差应用条件及误差朗肯理论朗肯理论库仑理论库仑理论 墙背光滑墙背光滑 墙背竖直墙背竖直 填土面水平填土面水平 填土为粗粒土填土为粗粒土 滑动面为平面滑动面为平面 粘性土一般用图解法粘性土一般用图解法主动土压力偏大主动土压力偏大10%左右左右被动土压力偏小可达几倍被动土压力偏小可达几倍主动土压力偏小（可忽略）主动土压力偏小（可忽略）被动土压力偏大可达几倍被动土压力偏大可达几倍在实际工程问题中，土压力计算是比较复杂的在实际工程问题中，土压力计算是比较复杂的工程中使用被动土压力较少，因所需相对位

19、移太大工程中使用被动土压力较少，因所需相对位移太大3 计算误差计算误差朗肯理论朗肯理论WREaEa实际实际0WREpEp主动土压力偏大主动土压力偏大被动土压力偏小被动土压力偏小3 计算误差计算误差库伦理论库伦理论实际滑裂面不一定是平面实际滑裂面不一定是平面主动土压力偏小主动土压力偏小被动土压力偏大被动土压力偏大滑动面滑动面滑动面滑动面主动土压力搜索到主动土压力搜索到的不一定是最大值的不一定是最大值被动土压力搜索到被动土压力搜索到的不一定是最小值的不一定是最小值计算误差计算误差结论结论如果如果 =0，滑裂面是直线滑裂面是直线，两种理论计算两种理论计算Ka、Kp相同相同如果如果 0 Ka 朗肯偏大

20、朗肯偏大10%左右左右，工程偏安全工程偏安全库仑偏小一些（可忽略库仑偏小一些（可忽略)；Kp朗肯偏小可达几倍朗肯偏小可达几倍；库仑偏大可达几倍库仑偏大可达几倍;在实际工程问题中，土压力计算是比较复杂的。在实际工程问题中，土压力计算是比较复杂的。工程中使用被动土压力较少。因为所需相对位移太大工程中使用被动土压力较少。因为所需相对位移太大6.5 挡土墙设计挡土墙设计(自学自学)一、挡土墙的类型一、挡土墙的类型1.重力式挡土墙重力式挡土墙墙顶墙顶墙基墙基墙趾墙趾墙面墙面墙背墙背墙踵墙踵仰斜仰斜垂直垂直俯斜俯斜2.悬臂式挡土墙悬臂式挡土墙墙趾墙趾墙踵墙踵立壁立壁钢筋钢筋3.扶壁式挡土墙扶壁式挡土墙墙趾

21、墙趾墙踵墙踵扶壁扶壁4.锚定板式与锚杆式挡土墙锚定板式与锚杆式挡土墙墙板墙板锚定板锚定板基岩基岩锚杆锚杆二、重力式挡土墙选型及构造二、重力式挡土墙选型及构造1.墙背倾斜形式墙背倾斜形式Ea1 1仰斜仰斜Ea2 2直立直立Ea3 3俯斜俯斜Ea1 1Ea2 2Ea3 32.墙身剖面墙身剖面重力式挡土墙每隔重力式挡土墙每隔10m设置一道伸缩缝。设置一道伸缩缝。bm1n1HB顶宽顶宽b0.4m，块石，块石b0.2m，混凝土，混凝土底宽底宽B=(1/31/2)Hl1墙背墙背m0.25（仰斜）（仰斜）墙面墙面n=0.050.2底坡底坡l=0.1，土质地基，土质地基l=0.2，岩石地基，岩石地基3.挡土墙

22、挡土墙埋深埋深土质地基不小于土质地基不小于0.5m岩石地基不小于岩石地基不小于0.3m4.墙后排水措施墙后排水措施泄水孔泄水孔粘土夯实粘土夯实滤水层滤水层泄水孔泄水孔粘土夯实粘土夯实粘土夯实粘土夯实 截水沟截水沟排水孔间距排水孔间距23m 墙后填土宜选择透水性较强的填料，若墙后填土宜选择透水性较强的填料，若采用粘土，应混入一定量的块石，增大透水采用粘土，应混入一定量的块石，增大透水性和抗剪强度，墙后填土应分层夯实。性和抗剪强度，墙后填土应分层夯实。5.填土质量要求填土质量要求三、重力式挡土墙的计算三、重力式挡土墙的计算1.抗倾覆稳定验算抗倾覆稳定验算挡土墙在土压力作用下可能绕墙趾挡土墙在土压力

23、作用下可能绕墙趾O点向外倾覆点向外倾覆zfEaEazEaxGaa0dOx0 xfbz2.抗滑稳定验算抗滑稳定验算EaEanEatdGGnGtaa0O挡土墙在土压力作用下可能沿基础底面发生滑动挡土墙在土压力作用下可能沿基础底面发生滑动为基底摩擦系数为基底摩擦系数1.6 1.6 几种常见的主动土压力计算几种常见的主动土压力计算1 填土上有荷载填土上有荷载 145+/2pa=3f v=z+q K0 vz pa=3q朗肯土压力理论朗肯土压力理论1.6 1.6 几种常见的主动土压力计算几种常见的主动土压力计算2 成层填土情况成层填土情况g g1 1 c1g g2 2 c2H1H2 2 11.6 1.6

24、几种常见的主动土压力计算几种常见的主动土压力计算c1=c2=0 时时g g2 2 H1H2g g1 1 1=2 时时 g g2 g g1 g g2 0 c1 0 c2=01.6 1.6 几种常见的主动土压力计算几种常见的主动土压力计算c1、c2不为不为0 时时g g2 2 H1H2g g1 1 g g1=g g2 2=1 时时H1H21.6 1.6 几种常见的主动土压力计算几种常见的主动土压力计算3 填土中有水填土中有水水下部分用浮容重水下部分用浮容重土压力土压力土压力土压力 水压力水压力静水情况静水情况水压力水压力E地下室地下室地下室侧墙地下室侧墙E填土填土重力式挡土墙重力式挡土墙E桥面桥面

25、拱桥桥台拱桥桥台各用什么样的土压力？各用什么样的土压力？【例例】某挡土墙高某挡土墙高7m7m，墙背直立、光滑，墙后填，墙背直立、光滑，墙后填土面水平，并作用有均布荷载土面水平，并作用有均布荷载q q20kPa20kPa。各层土。各层土的物理力学性质指标如图，试计算该挡土墙墙背的物理力学性质指标如图，试计算该挡土墙墙背总侧压力总侧压力E E及其作用点位置，并绘侧压力分布图。及其作用点位置，并绘侧压力分布图。【解答解答】因墙背因墙背竖直、光滑。填土面水平竖直、光滑。填土面水平，符合朗肯土压力假定的，符合朗肯土压力假定的条件，可计算得第一层填土的土压力强度为：条件，可计算得第一层填土的土压力强度为：第二层填土的土压力强度为：第二层填土的土压力强度为：3.3.朗肯土压力理论朗肯土压力理论第二层底部水压力强度为：第二层底部水压力强度为：又设临界深度为又设临界深度为z0，则有：，则有：即即各点土压力强度绘于上图中，可见其总侧压力为：各点土压力强度绘于上图中，可见其总侧压力为：总侧压力总侧压力E至墙底的距离至墙底的距离x为：为：3.3.朗肯土压力理论朗肯土压力理论