土力学与地基基础任务11土压力及挡土墙设计.pptx

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1、任务任务11 土压力及挡土墙设计土压力及挡土墙设计一、一、概述概述二、二、土压力的分类土压力的分类三、三、郎肯土压力理论郎肯土压力理论四、四、库仑土压力理论库仑土压力理论学习目标学习目标:1.理解三种土压力的概念。理解三种土压力的概念。2.掌握朗肯土压力理论；掌握朗肯土压力理论；3.理解库伦土压力理论及其与朗肯土压力理论的比较；理解库伦土压力理论及其与朗肯土压力理论的比较；4.掌握常见情况下土压力的计算。掌握常见情况下土压力的计算。挡土墙挡土墙挡土墙挡土墙防止土体坍防止土体坍塌的构筑物。塌的构筑物。桥台桥台（二）土压力（二）土压力（二）土压力（二）土压力土压力土压力土压力土压力挡土墙后的挡土墙

2、后的填土因自重或外荷载作用填土因自重或外荷载作用对墙背产生的侧压力。对墙背产生的侧压力。（一）挡土墙的应用（一）挡土墙的应用（一）挡土墙的应用（一）挡土墙的应用一、一、概述概述 地铁中胜站基坑开挖工程 挡墙与支撑系统 挡 土 墙水泥土挡土墙 隧道受到土压力作用1994年9月上海黄浦区某大厦基坑支护靠马路40m长支撑破坏角撑局部屈压（一）影响土压力的因素（一）影响土压力的因素（一）影响土压力的因素（一）影响土压力的因素1.填土性质：包括填土重度、含水填土性质：包括填土重度、含水量、内摩擦角、内聚力的大小及填量、内摩擦角、内聚力的大小及填土表面的形状（水平、向上倾斜、土表面的形状（水平、向上倾斜、

3、向下倾斜）等。向下倾斜）等。2.挡土墙形状、墙背光滑程度、结挡土墙形状、墙背光滑程度、结构形式。构形式。3.挡土墙的位移方向和位移量。挡土墙的位移方向和位移量。挡土墙的位移方向和位移量。挡土墙的位移方向和位移量。（二）土压力分类：（二）土压力分类：（二）土压力分类：（二）土压力分类：1.静止土压力：墙本身不发生变形和任何位移（移动和转动），静止土压力：墙本身不发生变形和任何位移（移动和转动），土处于弹性平衡状态。土处于弹性平衡状态。2.主动土压力：墙离开填土向前发生位移至土体达到极限平衡状主动土压力：墙离开填土向前发生位移至土体达到极限平衡状态。态。3.被动土压力：墙向填土方向发生位移至土体达

4、到极限平衡状态。被动土压力：墙向填土方向发生位移至土体达到极限平衡状态。二、二、土压力的分类土压力的分类（1）主动土压力）主动土压力（2）被动土压力）被动土压力（3）静止土压力）静止土压力主动土压力主动土压力 被动土压力被动土压力 静止土压力静止土压力实验研究表明：在相同条件下，土压力有如下关系：实验研究表明：在相同条件下，土压力有如下关系：产生被动土压力所需的位移产生被动土压力所需的位移量量 大大超过产生主动土大大超过产生主动土压力所需的位移量压力所需的位移量 。二、二、土压力的分类土压力的分类（三）静止土压力计算：（三）静止土压力计算：（三）静止土压力计算：（三）静止土压力计算：取单位墙长

5、，总静取单位墙长，总静止土压力：止土压力：静止土压力系数，可近似按静止土压力系数，可近似按 计计 算。算。=0K1二、二、土压力的分类土压力的分类 朗肯土压力理论是根据半空间的应力状态和土的朗肯土压力理论是根据半空间的应力状态和土的极限平极限平衡条件衡条件得出的土压力计算方法。得出的土压力计算方法。在半空间中取一微单元体在半空间中取一微单元体M，当整个土体都处于静止状态，当整个土体都处于静止状态时，各点都处于弹性平衡状态：时，各点都处于弹性平衡状态：主动状态：主动状态：被动状态：被动状态：三、三、朗肯土压力理论朗肯土压力理论(Rankine,1857)（一）基本原理与假设（一）基本原理与假设（

6、一）基本原理与假设（一）基本原理与假设朗肯假设：朗肯假设：朗肯假设：朗肯假设：1.挡土墙墙背垂直。挡土墙墙背垂直。2.墙后填土表面水平。墙后填土表面水平。3.墙背光滑无摩擦力，因而无剪应力，即墙背为主应面。墙背光滑无摩擦力，因而无剪应力，即墙背为主应面。三、三、朗肯土压力理论朗肯土压力理论(Rankine,1857)（二）主动土压力（二）主动土压力（二）主动土压力（二）主动土压力 由土的强度理论可知，当土体中某点处于极限平衡状态由土的强度理论可知，当土体中某点处于极限平衡状态时，大小主应力之间应满足以下关系：时，大小主应力之间应满足以下关系：粘性土：粘性土：无粘性土：无粘性土：三、三、朗肯土压

7、力理论朗肯土压力理论(Rankine,1857)假定条件：假定条件：墙背光滑墙背光滑（满足剪应力为零的边界条件）、（满足剪应力为零的边界条件）、直直立立、填土面水平填土面水平。当挡墙偏离土体时，。当挡墙偏离土体时，逐渐减小到逐渐减小到 时达到时达到朗肯主动极限平衡状态，主动土压力强度朗肯主动极限平衡状态，主动土压力强度 为：为：粘性土：粘性土：无粘性土：无粘性土：三、三、朗肯土压力理论朗肯土压力理论(Rankine,1857)主动土压力合力主动土压力合力 （取单位墙长计算）：（取单位墙长计算）：无粘性土无粘性土 粘性土粘性土无粘性土：无粘性土：粘性土：粘性土：令令得得三、三、朗肯土压力理论朗肯

8、土压力理论(Rankine,1857)（三）被动土压力（三）被动土压力（三）被动土压力（三）被动土压力无粘性土：无粘性土：粘性土：粘性土：三、三、朗肯土压力理论朗肯土压力理论(Rankine,1857)无粘性土：无粘性土：粘性土：粘性土：三、三、朗肯土压力理论朗肯土压力理论(Rankine,1857)（四）几种常见情况下的土压（四）几种常见情况下的土压（四）几种常见情况下的土压（四）几种常见情况下的土压力计算力计算力计算力计算1.1.填土表面有均布荷载填土表面有均布荷载填土表面有均布荷载填土表面有均布荷载无粘性土无粘性土Hz情况情况1情况情况2情况情况3三、三、朗肯土压力理论朗肯土压力理论(R

9、ankine,1857)2.2.成层填土成层填土成层填土成层填土3.3.墙后填土有地下水墙后填土有地下水墙后填土有地下水墙后填土有地下水下层应为下层应为 ,可近似可近似认为认为1三、三、朗肯土压力理论朗肯土压力理论(Rankine,1857)三、三、朗肯土压力理论朗肯土压力理论(Rankine,1857)【例题【例题7.1】某挡土墙，高度为】某挡土墙，高度为5m，墙背垂直光滑，填土面水，墙背垂直光滑，填土面水平。填土为粘性土，其物理力学性质指标如下：平。填土为粘性土，其物理力学性质指标如下：，。试计算该挡土墙主动土压力及其作用点位。试计算该挡土墙主动土压力及其作用点位置，并绘出主动土压力强度分

10、布图。置，并绘出主动土压力强度分布图。解：（解：（1）主动土压力系数）主动土压力系数 （2）墙底处的主动土压力强度）墙底处的主动土压力强度三、三、朗肯土压力理论朗肯土压力理论(Rankine,1857)（3）临界深度）临界深度 （4）主动土压力）主动土压力 主动土压力强度分布如图主动土压力强度分布如图7.7所示。所示。总主动土压力总主动土压力 主动土压力作用点距墙底的距离为主动土压力作用点距墙底的距离为 作业作业1、某挡土墙，高度为、某挡土墙，高度为5m，墙背垂直光滑，填，墙背垂直光滑，填土面水平。填土为粘性土，其物理力学性质指土面水平。填土为粘性土，其物理力学性质指标如下：标如下：，。试计算

11、该挡土墙主动土压。试计算该挡土墙主动土压力及其作用点位置，并绘出主动土压力强度分力及其作用点位置，并绘出主动土压力强度分布图。布图。四、库仑土压力理论 库库伦伦土土压压力力理理论论是是根根据据墙墙后后土土体体处处于于极极限限平平衡衡状状态态并并形形成成一一滑滑动动楔楔体体时时，从楔体的静力平衡条件得出的土压力计算理论。从楔体的静力平衡条件得出的土压力计算理论。基本假设：基本假设：滑动破坏面为一通过墙踵滑动破坏面为一通过墙踵B的平面；的平面；滑动体为刚体，即本身无变形滑动体为刚体，即本身无变形 楔体楔体ABC整体处于极限平衡状态。整体处于极限平衡状态。适用条件：适用条件：砂土或碎石填料砂土或碎石

12、填料(c=0 0)(c=0 0)挡土墙面倾斜挡土墙面倾斜(0)(0)填土面倾斜填土面倾斜(0)(0)墙背面粗糙与填土间摩擦角墙背面粗糙与填土间摩擦角(0)(0)由楔体静力平衡条件可求得主动土压力和被动土压力。（一）基本假设（一）基本假设（一）基本假设（一）基本假设：根据墙后土体处于极限平衡状态并：根据墙后土体处于极限平衡状态并形成一滑动楔体，从楔体的静力平衡条件得出的土压形成一滑动楔体，从楔体的静力平衡条件得出的土压力计算理论。（为平面问题）力计算理论。（为平面问题）基本假定基本假定基本假定基本假定：墙后填土是理想的散粒体（：墙后填土是理想的散粒体（c=0）；滑动）；滑动破坏面为通过墙踵的平面

13、。破坏面为通过墙踵的平面。（二）主动土压力（二）主动土压力（二）主动土压力（二）主动土压力四、四、库仑土压力理论库仑土压力理论四、四、库仑土压力理论库仑土压力理论 楔体在三力作用下处于静力平衡状楔体在三力作用下处于静力平衡状态，由力矢三角形按正弦定理：态，由力矢三角形按正弦定理：力矢三角形力矢三角形令令得到得到E为极大值时的破坏角为极大值时的破坏角，代入上式得：，代入上式得：库伦主动土压力系数查表。库伦主动土压力系数查表。四、四、库仑土压力理论库仑土压力理论可见在此条件下，库仑主动土压力和朗肯主动土压力可见在此条件下，库仑主动土压力和朗肯主动土压力完全相同。因此朗肯理论是库仑理论的特殊情况。完

14、全相同。因此朗肯理论是库仑理论的特殊情况。当墙背垂直当墙背垂直填土面水平填土面水平（三）被动土压力（三）被动土压力（三）被动土压力（三）被动土压力被动土压力系数。被动土压力系数。四、四、库仑土压力理论库仑土压力理论2 2、被动土压力合力、被动土压力合力可见在此条件下，库仑被动土压力合力和朗肯被动可见在此条件下，库仑被动土压力合力和朗肯被动土压力合力也是相同的。土压力合力也是相同的。当墙背垂直当墙背垂直填土面水平填土面水平（四）朗肯理论与库伦理论比较（四）朗肯理论与库伦理论比较（四）朗肯理论与库伦理论比较（四）朗肯理论与库伦理论比较1.1.基本假定基本假定基本假定基本假定：前者假定挡墙光滑、直立

15、、填土面水平；：前者假定挡墙光滑、直立、填土面水平；后者假定填土为散体（后者假定填土为散体（c=0）。）。2.2.基本方法基本方法基本方法基本方法：前者应用半空间中应力状态和极限平衡：前者应用半空间中应力状态和极限平衡理论；后者按墙后滑动土楔体的静力平衡条件导出计理论；后者按墙后滑动土楔体的静力平衡条件导出计算公式。算公式。3.3.结果比较结果比较结果比较结果比较：朗肯理论忽略了墙背与填土之间的摩擦：朗肯理论忽略了墙背与填土之间的摩擦影响，使计算的主动土压力偏大，被动土压力偏小；影响，使计算的主动土压力偏大，被动土压力偏小；库伦理论假定破坏面为一平面，而实际上为曲面。实库伦理论假定破坏面为一平

16、面，而实际上为曲面。实践证明，计算的主动土压力误差不大，而被动土压力践证明，计算的主动土压力误差不大，而被动土压力误差较大。误差较大。四、四、库仑土压力理论库仑土压力理论小小 结结:主要介绍了土压力的形成过程、土压力计算的朗肯理论主要介绍了土压力的形成过程、土压力计算的朗肯理论和库仑理论、重力式挡土墙的设计以及土坡稳定的分析方法。和库仑理论、重力式挡土墙的设计以及土坡稳定的分析方法。1.土压力的性质和大小与支挡结构位移方向和位移量直接土压力的性质和大小与支挡结构位移方向和位移量直接相关，并由此形成了三种土压力相关，并由此形成了三种土压力静止土压力、主动土压静止土压力、主动土压力和被动土压力。力

17、和被动土压力。2.静止土压力的计算方法由水平向自重应力计算公式演变静止土压力的计算方法由水平向自重应力计算公式演变而来；朗肯土压力计算公式由土的极限平衡条件推导而来；而来；朗肯土压力计算公式由土的极限平衡条件推导而来；库仑土压力公式则是由滑动土楔的静力平衡条件推导获得。库仑土压力公式则是由滑动土楔的静力平衡条件推导获得。各种土压力公式都有其适用条件，应用中应引起注意。各种土压力公式都有其适用条件，应用中应引起注意。作业题作业题1、某挡土墙墙高、某挡土墙墙高5m，墙背倾角为，墙背倾角为10，填土表面倾角填土表面倾角15，填土为无粘性土，重，填土为无粘性土，重度度=15.68kN/m3，内摩擦角，内摩擦角=30。墙。墙背与土的摩擦角背与土的摩擦角=。试求作用在墙上的。试求作用在墙上的总主动土压力三要素。总主动土压力三要素。1、解：解：题中：题中：=30、=10、=15、=20等代入上式得：等代入上式得：，方向在墙被发现上方与法线成，方向在墙被发现上方与法线成20角。角。