土力学EarthPressure土压力详解.pptx

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1、会计学 1土力学EarthPressure土压力详解第一节 概述 挡土墙是一种常见的结构形式，它可 挡土墙是一种常见的结构形式，它可用来支撑天然 用来支撑天然或人工斜坡不致坍塌，或使部分侧向荷载传递分散到 或人工斜坡不致坍塌，或使部分侧向荷载传递分散到填土上。填土上。土压力是作用于这类建筑物上的重要荷载 土压力是作用于这类建筑物上的重要荷载,它是 它是由 由于土体自重、土上荷载或结构物的侧向挤压作用，挡 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。土结构物所承受的来自墙后填土的侧向压力。u u挡土墙的种类 挡土墙的种类 u u作用在挡土墙上的土压力 作

2、用在挡土墙上的土压力 第1页/共49页一、挡土墙的几种类型E地下室地下室侧墙E 填土重力式挡土墙E桥面拱桥桥台第一节 概述第2页/共49页1 刚性挡土墙本身变形极小，只能发生整体位移 重力式 悬臂式 锚拉式（锚碇式）扶壁式第3页/共49页2 柔性挡土墙本身会发生变形，墙上土压力分布形式复杂锚杆板桩板桩变形 板桩上土压力 实测 计算第4页/共49页垮塌的重力式挡墙垮塌的重力式挡墙第5页/共49页垮塌的护坡挡墙垮塌的护坡挡墙第6页/共49页失稳的失稳的立交桥立交桥加筋土挡土墙加筋土挡土墙第7页/共49页二、土压力的种类二、土压力的种类第8页/共49页E a:墙体外移,土压力逐渐减小,当土体破坏,达

3、到极限平衡状态时所对应的土压力(最小)E p: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)墙位移与土压力E关系土压力EEpE0 Ea 15%15E0:墙体不移动,土压力即是土体产生的侧压力第9页/共49页不同类型土压力需满足的条件1 1、静止土压力：土静止不动、静止土压力：土静止不动2 2、主动土压力：、主动土压力：1 1）土推墙 土推墙 2 2）土体达到主动极限平衡状态）土体达到主动极限平衡状态3 3、被动土压力：、被动土压力：1 1）墙推土 墙推土 2 2）土体达到被动极限平衡状态）土体达到被动极限平衡状态第10页/共49页三、静止土压力计算 静止土压力：

4、墙体不发生任何位移(即=0)相当于天然地基土的应力状态（侧限状态或K 0 应力状态)。zvvhp0=h K0为静止土压力系数；对于侧限应力状态，理论上：K0=/(1-)；由于土的 很难确定，K0 常用经验公式计算，对于砂土、正常固结粘土：第11页/共49页静止土压力计算总静止土压力主动土压力与被动土压力计算方法见第二节与第三节。HzE0第12页/共49页K0 计算公式n n Jaky(1948)正常固结土 K0=1-sinn n Kulway等(1982)超固结土(K0)OC=(K0)NC(OCR)mm=0.41 0.5(K0)NC 1.01.02.03.0K0OCR1 2 3 32第13页/

5、共49页第二节 朗肯土压力理论一、朗肯极限平衡应力状态 自重应力作用下，半无限土体内各点的应力从弹性平衡状态发展为极限平衡状态的情况。3 fv=zK0v主动极限平衡应力状态1345+f/2竖向应力不变！第14页/共49页 1 fv=zK0v被动极限平衡应力状态133145-f/2竖向应力不变！第15页/共49页二、朗肯基本假定假定：1.墙背垂直 2.墙背光滑 3.填土表面水平图中:sv、sh为主应力，且sv=zHzvh土压力强度计算公式：思考：上述公式中摩擦角和粘聚力是有效应力指标？总应力指标？第16页/共49页1、朗肯主动土压力计算1）无粘性土总主动土压力三、土压力计算145+f/2 a=3

6、z其中：a为朗肯主动土压力系数思考：上述公式中摩擦角和粘聚力是有效应力指标？总应力指标？第17页/共49页2）粘性土主动土压力强度45+f/2z0 z0zz0 zz0 式中：如右图：思考：上述公式中摩擦角和粘聚力是有效应力指标？总应力指标？第18页/共49页总主动土压力HEa z0思考：上述公式中摩擦角和粘聚力是有效应力指标？总应力指标？第19页/共49页2、朗肯被动土压力计算1）无粘性土被动土压力强度总被动土压力45-f/2 pp=13z式中Kp为朗肯被动土压力系数：思考：上述公式中摩擦角和粘聚力是有效应力指标？总应力指标？第20页/共49页2）粘性土被动土压力强度EpH总被动土压力式中：思

7、考：上述公式中摩擦角和粘聚力是有效应力指标？总应力指标？第21页/共49页常见情况的主动土压力计算1.填土上有荷载2.成层填土情况3.填土中有水4.填土表面倾斜第22页/共49页1、填土上有荷载朗肯土压力理论 145+/2z pa=3qa=3 f v=z+qK0v均布荷载简单！第23页/共49页局部荷载朗肯理论【自学】P215.第24页/共49页2、成层填土情况1 f1 c12 f2 c2H1H2第25页/共49页f2 f1c1=c2=0 时2 f2 H1H21 f1 f1=f2 时 2 1 2 11=2 时第26页/共49页 c1=0 c2 0 c1 0 c2=0c1、c2不为0 时2 f2

8、 H1H21 f1 1=2 f2=f1 时第27页/共49页H1H23、填土中有水水下部分用有效重度=（ds-1）/（1+e）*w土压力土压力 水压力静水情况水压力（黏性土）第28页/共49页n n 例题 例题【8-2 8-2】挡土墙高 挡土墙高6m 6m，有均布荷载，有均布荷载 q q=10kPa=10kPa。填土力学性。填土力学性质 质=34=34，=19 kN/m=19 kN/m3 3。墙背直立、光滑、填土面水平，试。墙背直立、光滑、填土面水平，试求挡土墙的主动土压力 求挡土墙的主动土压力 E Ea a及作用点位置，并绘制土压力分布 及作用点位置，并绘制土压力分布图。图。q=10 kPa

9、H=q/=0.526 mH=q/=10/19=0.526 m【解】：由于均布超载，将超载q换算为相应的当量填土高度H 在填土地面处，土压力强度aA=H Ka=qKa=10*tan2(45-34/2)=2.8 kPaH 在挡墙填土底面处，土压力强度aB=（H+H)Ka=6.526*19*tan2(45-34/2)=35.1 kPa 计算土压力Ea（即土压力分布图的面积）：Ea=(aA+aB)*H/2=(2.8+35.1)*6/2=113.7 kN/m 计算土压力Ea作用点：Ea*Z=Ea*H/2+Ea”*H/32.8 kPa35.1 kPaH=+2.8 kPa(35.1-2.8)kPa=32.3

10、 kPaEaEaE aZ=(Ea*H/2+Ea”*H/3)/Ea=(2.8*H2/2+32.8*H/2*H/3)/113.7=2.15 m Z或不划算当量填土，直接将q作用，地表处aA=qKa 第29页/共49页n n 例题 例题【8-3 8-3】挡土墙高 挡土墙高5m 5m，墙背直立、光滑、填土面水平，分 墙背直立、光滑、填土面水平，分两层。各层土物理力学特性如图所示，求挡土墙的主动土压 两层。各层土物理力学特性如图所示，求挡土墙的主动土压力 力 E Ea a，并绘制土压力分布图。，并绘制土压力分布图。H1=1*H1/2=17*2/19=1.79(m)【解】：由于分两层，将土层1换算为与土层

11、2的重度相等当量高度H1计算土层2顶面处土压力强度a2(A)=H1 2 Ka2-2c2(Ka2)0.5=1.79*19*tan2(45-16/2)-2*10*tan(45-16/2)=4.2(kPa)计算土层2顶面处土压力强度a2(B)=(H1+H2)2 Ka2-2c2(Ka2)0.5=4.79*19*tan2(45-16/2)-2*10*tan(45-16/2)=36.5(kPa)计算土压力Ea：Ea=10.4*2/2+(4.2+36.5)*3/2=71.5(kN/m)Z=(Ea1*H1/3+Ea2*Z2)/Ea 计算土层1顶面处土压力强度a1(A)=0计算土层1底面处土压力强度a1(B)=

12、H1 1 Ka1=2*17*tan2(45-32/2)=10.4 kPaHH1=2m1=17 kN/m31=32,c1=0H2=3m2=19 kN/m32=16,c2=10kPa10.4 kPa4.2 kPa36.5 kPaH1H210.4 kPa4.2 kPa36.5 kPaZ=(Ea1*(H1/3+H2)+Ea2*Z2)/Ea or:Q:which is correct?求作用点第30页/共49页【例题】挡土墙高7m，墙背直立、光滑、填土面水平，分两层，地下水位在两层土分界面上。填土表面作用超载q=100 kPa连续均布荷载。各层土物理力学特性如图所示，求挡土墙的主动土压力E a、水压力E

13、 w 及作用点。HH1=3.5m1=16.5 kN/m31=32,c1=0H2=3.5m2sat=19.25 kN/m32=30,c2=10kPaq=100 kPaKa1=tg2(45-32/2)=0.307 Ka2=tg2(45-30/2)=0.333 2 2=sat-w=19.25-10=9.25(kN/m3)【解答】计算各层土主动土压力系数 计算第一层土压力强度1a=qKa1-2c1Ka10.5=100*0.307-0=30.7(kPa)1b=(1H1+q)Ka1-2c1Ka10.5=(16.5*3.5+100)*0.307-0=48.4(kPa)计算第二层土压力强度2a=(1H1+q)

14、K Ka2 a2-2c c2 2K Ka2 a20.5=(16.5*3.5+100)*0.333-2*10*0.3330.5=41.0(kPa)2b=(1H1+2 2 H2+q)Ka2-2c2Ka20.5=(16.5*3.5+9.25*3.5+100)*0.333-2*10*0.3330.5=51.8(kPa)计算土压力Ea和水压力EwEa=两个土压力强度分布图面积=(30.7+48.4)*3.5/2+(41+51.8)*3.5/2=300.8(kN/m)Ew=35*3.5/2=(kN/m)=61.25(kN/m)第31页/共49页30.7 kPa51.8 kPa48.4 41.0 土压力分布

15、 水压力分布35 kPaqKa1=30.7 kPa(q+1H1)Ka1=48.4 kPa(q+1H1)Ka2-2c2(Ka2)0.5=50.3 kPa(q+1H1+2H2)Ka2-2c2(Ka2)0.5=51.8 kPa30.7 kPa86.8 kPa48.4 41.0 qKa1=30.7 kPa土水合压力分布 计算合力合力=土压力Ea+水压力Ew=300.8+61.25=362.05(kN/m)计算合力作用点位置e第32页/共49页第三节 库仑土压力理论一 库仑土压力简介 1776年,法国工程师库伦通过研究挡土墙后土体（滑动楔体）的静力平衡,提出了滑动楔体理论，亦称库伦理论。库仑C.A.Co

16、ulomb(1736-1806)第33页/共49页墙背倾斜，具有倾角墙背粗糙，与填土摩擦角为填土表面有倾角出发点：平面滑裂面假设：滑裂面为平面假设条件：刚体滑动假设：破坏土楔为刚体，滑动楔体整体处于极限平衡状态第34页/共49页ACHB无粘性土的主动土压力WERWRE-=90-、E第35页/共49页EEa库仑主动土压力系数Ea特例：=0，即墙背垂直光滑，填土表面水平时，与朗肯理论等价 土压力分布：三角形分布第36页/共49页ABCH无粘性土的被动土压力WRE+=90+-、EWER第37页/共49页EEp库仑被动土压力系数土压力分布：三角形分布第38页/共49页图解法当 填土表面不是平面时第39

17、页/共49页库尔曼（Culmann）图解法W 方向Ea方向=90-第40页/共49页两种土压力理论的比较1 分析方法E朗肯理论 库仑理论土体内各点均处于极限平衡状态：极限应力法刚性楔体，滑面上处于极限平衡状态：滑动楔体法先求土压力强度 先求总土压力E极限平衡状态第41页/共49页2 应用条件E朗肯理论 库仑理论 墙背光滑竖直 填土水平 墙背、填土无限制 粘性土一般用图解法 坦墙 坦墙 墙背垂直，填土倾斜第42页/共49页3 计算误差朗肯土压力理论 WREaEa实际0WREpEp 主动土压力 偏大 被动土压力 偏小第43页/共49页3 计算误差库仑土压力理论 实际滑动面不一定是平面 主动土压力

18、偏小 被动土压力 偏大滑动面滑动面主动土压力搜索得到的不一定是最大值 被动土压力搜索得到的不一定是最小值工程中使用被动土压力较少。因为所需相对位移太大第44页/共49页第第四节 常见情况的主动土压力计算1.填土上有荷载2.成层填土情况3.填土中有水4.4.填土表面倾斜 填土表面倾斜第45页/共49页填土表面倾斜库仑土压力理论：(1)求解假设墙面CB上主动土压力 Ea(2)作用在真实墙面AC上的土压力 Ea：时EaWEaR E aacrBB aCAEa滑裂面2滑裂面1根据力三角形确定第46页/共49页课外阅读资料 课外阅读资料教材版本 挡墙后填土在水位以上 挡墙后填土在水位以下粘性土 砂土 粘性

19、土 砂土c c c c 东南大学、浙江大学、湖南大学、苏州科技学院合编。土力学第三版，2010年，中国建筑工业出版社。（认为以下同以上），回避粘聚力的选择（认为影响可忽略）陈仲颐、周景星、王洪瑾编著土力学，1994，清华出版社。认为选择c 是合理，但是工程中比较困难。因此根据经验，5m高挡墙，设计中采用三轴CU试验中ccu和 cu（认为影响可忽略）Terzaghi K.,Peck R.B.,Mesri G.(1996)Soil Mechanics in Engineering Practice.John Wiley&Sons,Inc.,N.Y.Das B.M.(1998)Fundamentals of Geotechnical Engineering.4th Edition,Thomson,Inc.,N.Y.Lamb,Whitman(1979)Soil Mechanics.John Wiley&Sons,Inc.,N.Y.期末考试：水位以上，利用给出的强度指标进行计算，但是重度采用天然重度；水位以下，利用给出的有效强度指标进行计算，重度必须用有效重度。第47页/共49页