《土力學(xué)》課件趙樹(shù)德版.ppt

第八章 土壓力和擋土墻,土體作用在擋土結(jié)構(gòu)物上的壓力稱(chēng)為土壓力。,2.土壓力:,用來(lái)支撐天然或人工斜坡不致坍塌以保持土體穩(wěn)定性， 或使部分側(cè)向荷載傳遞分散到填土上的一種結(jié)構(gòu)物。,1.擋土結(jié)構(gòu)物（擋土墻）,混凝土擋土墻及復(fù)合排水管,建成后的坡間擋土墻,垮塌的重力式擋墻,失穩(wěn)的立交橋加筋土擋土墻,擋土墻為剛性不動(dòng)時(shí)，土處于靜止?fàn)顟B(tài)不產(chǎn)生位移和變形，此時(shí)作用在擋土墻上的土壓力。,土壓力分為三大類(lèi)：,1.靜止土壓力 p0,當(dāng)擋土墻在墻后填土壓力作用下離開(kāi)填土移動(dòng)，土壓力逐漸減小,墻后的填土達(dá)到極限平衡狀態(tài)（或破壞）時(shí)， 作用在墻上的土壓力稱(chēng)為主動(dòng)土壓力,2.主動(dòng)土壓力pa:,主動(dòng),3.被動(dòng)土壓力pp,當(dāng)擋土墻在外力作用下向填土擠壓，墻后填土達(dá)到極限 平衡狀態(tài)，作用在墻上的土壓力稱(chēng)為被動(dòng)土壓力,如果土推墻而使擋土墻發(fā)生一定的位移，使土體達(dá)到 極限平衡狀態(tài)，這時(shí)作用在墻背上的土壓力為 。 (A) 靜止土壓力 (B) 被動(dòng)土壓力 (C) 主動(dòng)土壓力,例、在其他條件相同時(shí)，懸臂式鋼板樁和懸臂式鋼筋 混凝土地下連續(xù)墻所受基坑外側(cè)土壓力的結(jié)果為 A 由于連續(xù)墻的變形（位移）小，所以墻上土壓力更大 B由于鋼板樁的變形（位移）大，所以樁上土壓力更大 C)由于鋼材的強(qiáng)度高于鋼筋混凝土，所以樁上土壓力更大,8.3靜止土壓力,豎直向：,水平向：,土單元無(wú)側(cè)向位移屬于有側(cè)限應(yīng)變條件：,根據(jù)彈性力學(xué)中廣義虎克定律：,K0靜止土壓力系數(shù),由于土的很難確定，K0常用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算,砂性土,粘性土,超固結(jié)粘土,靜止土壓力分布及總土壓力,1.靜止土壓力分布力,2.靜止土壓力的總土壓力,作用點(diǎn)：,均布力求合力,三角形分布力求合力,H,8.4 朗肯土壓力理論,Rankine土壓力理論和Coulomb土壓力理論是 計(jì)算主動(dòng)土壓力和被動(dòng)土壓力的兩種基本理論。,認(rèn)為墻后填土達(dá)到極限平衡狀態(tài)時(shí)，與墻背接觸的任一土單元體都處于極限平衡狀態(tài)，然后根據(jù)土單元體處于極限平衡狀態(tài)時(shí)應(yīng)力所滿(mǎn)足的條件來(lái)建立土壓力的計(jì)算公式,1.擋土墻背面豎直 2.墻背光滑 3.墻后填土面水平,基本原理,假設(shè),45/2,3=pa,3,1=rz,1,主動(dòng)土壓力：大主應(yīng)力1 為自重應(yīng)力 小主應(yīng)力3 為未知力,被動(dòng)土壓力：大主應(yīng)力1 為未知力 小主應(yīng)力3 為自重應(yīng)力,c,A,cctg,無(wú)粘性土：c=0,粘性土：,例. 按朗肯土壓力理論計(jì)算擋土墻背面上的被動(dòng)土壓力時(shí)， 墻背為 (A) 大主應(yīng)力作用面 (B) 小主應(yīng)力作用面 (C) 滑動(dòng)面,例. 符合朗肯條件，擋土墻后填土發(fā)生主動(dòng)破壞時(shí)， 滑動(dòng)面為 。 (A) 與水平面夾角呈45+/2 (B) 與水平面夾角呈45/2 (C) 與水平面夾角呈45,例. 符合朗肯條件，擋土墻后填土發(fā)生被動(dòng)破壞時(shí)， 滑動(dòng)面為 。 (A) 與水平面夾角呈45+/2 (B) 與水平面夾角呈45/2 (C) 與水平面夾角呈45,8.4.1朗肯理論主動(dòng)土壓力,無(wú)粘性土(砂土)的主動(dòng)土壓力分布力,Ka：主動(dòng)土壓力系數(shù),砂土主動(dòng)土壓力的總土壓力,作用點(diǎn)：,粘性土的主動(dòng)土壓力分布力,粘性土主動(dòng)土壓力的 總土壓力,作用點(diǎn)：,8.4.2朗肯理論被動(dòng)土壓力,無(wú)粘性土(砂土)的被動(dòng)土壓力分布力,Kp：被動(dòng)土壓力系數(shù),砂土被動(dòng)土壓力的總土壓力,作用點(diǎn)：,粘性土的被動(dòng)土壓力分布力,粘性土被動(dòng)土壓力的總土壓力,Ep,H,作用點(diǎn)的計(jì)算：,H,F1,F2,F總,X,作用點(diǎn)：,作用點(diǎn)：,例：已知某重力式擋土墻，墻高H=6.0m，墻背豎直、光滑，填土表面水平，填土容重18.5kN/m3,內(nèi)摩擦角200，粘聚力c19kPa。求作用在擋土墻上的主動(dòng)、被動(dòng)土壓力，并繪出土壓力分布圖。,解：,1.主動(dòng)土壓力,作用點(diǎn)：,2.被動(dòng)土壓力,Z0,ZH,Ep,H,作用點(diǎn)的計(jì)算：2.32m,8.4.3幾種計(jì)算土壓力的特殊情況,1.填土面有均布荷載的土壓力計(jì)算,Ea,C0,砂土的主動(dòng)土壓力,將均布荷載換算成當(dāng)量的土重,擋土墻上表面的主動(dòng)土壓力：,擋土墻下表面的主動(dòng)土壓力：,例：已知某混凝土擋土墻，墻高H=5.0m，墻背豎直、光滑，填土 表面水平，作用有均布荷載q=20kPa。填土容重17kN/m3,內(nèi) 摩擦角300，粘聚力c10kPa。求作業(yè)在擋土墻上的主動(dòng)土壓 力，并繪出土壓力分布圖。,解：,將均布荷載換算成當(dāng)量的土重。,擋土墻下表面的主動(dòng)土壓力：,作用點(diǎn)：,Ea,局部荷載作用,45/2,h1,45/2,b0,q,b1,壓力分布圖形矩形分布其值為,朗肯土壓力理論計(jì)算,2.填土中有地下水時(shí)的土壓力計(jì)算,當(dāng)墻后填土中有水時(shí)，需考慮地下水位以下的填土由于浮力作用使有效重量減輕引起的土壓力減小，水下填土部分采用浮容重進(jìn)行計(jì)算。,在計(jì)算作用在墻背上的總壓力中應(yīng)包括水壓力的作用。,3.填土為成層土?xí)r的土壓力計(jì)算,由于各層填土重度不同，使得填土豎向應(yīng)力分布在土層交界面上出現(xiàn)轉(zhuǎn)折 由于各層填土粘聚力和內(nèi)摩擦角不同，所以在計(jì)算主動(dòng)或被動(dòng)土壓力系數(shù)時(shí)，需采用計(jì)算點(diǎn)所在土層的粘聚力和內(nèi)摩擦角,采用當(dāng)量法,（一）第一層土的主動(dòng)土壓力計(jì)算：按常規(guī)方法,（二）第二層土的主動(dòng)土壓力計(jì)算：,h,1.第二層土的上表面,2.第二層土的下表面,例：已知某混凝土擋土墻，墻高H=5.0m，墻背豎直、光滑，填土表面水平，墻后土體分為兩層如圖。求作業(yè)在擋土墻上的主動(dòng)土壓力，并繪出土壓力分布圖。,C,1.第一層土的主動(dòng)土壓力計(jì)算,2.第二層土的主動(dòng)土壓力計(jì)算,h,B,A,H12m,H23m,12kPa,5.9kPa,40.4kPa,例：已知某混凝土擋土墻，墻高H=7.0m，墻背豎直、光滑，填土 表面水平，墻后土體分為兩層如圖，地下水位于填土表面以下3m處。求作業(yè)在擋土墻上的主動(dòng)土壓力，并繪出土壓力分布圖。,解：,（一）第一層土的主動(dòng)土壓力計(jì)算,1.第一層土,r2=19kN/m3,C,B,A,H13m,H24m,r116.5kN/m3,1200,C10,2300,C210kPa,rsat 20kN/m3,q=100kPa,h0,（二）第二層土的主動(dòng)土壓力計(jì)算,h,r2=19kN/m3,B,A,H13m,H24m,49kPa,42kPa,74kPa,56kPa,q,rwH2,8.5庫(kù)侖土壓力理論,土的極限 平衡狀態(tài),滑動(dòng)楔體靜力平衡條件,土壓力的計(jì)算方法,庫(kù)倫土壓力理論的基本假設(shè)： 1.墻后的填土是理想的 散粒體（粘聚力c=0）；,2.滑動(dòng)破壞面為一通過(guò) 墻踵的平面。,8.5.1、主動(dòng)土壓力,W,R,Ea,A,C,B,H,作用于土楔上的力： 1.土楔體的自重 ； 2.破壞面上的反力R； 3.墻背對(duì)土楔體的反力Ea ； 由土楔體的靜力平衡條件得：,最危險(xiǎn)滑動(dòng)面確定：Ea對(duì)求導(dǎo)，等于零求極大值,當(dāng)=0時(shí)，即：墻背光滑垂直，填土表面水平時(shí),庫(kù)倫主動(dòng)土壓力強(qiáng)度 沿墻高呈三角形分布， 主動(dòng)土壓力的作用點(diǎn) 在距墻底H/3處,8.5.3、被動(dòng)土壓力,W,R,Ep,A,C,B,H,當(dāng)=0時(shí)，即：墻背光滑垂直，填土表面水平時(shí),庫(kù)倫被動(dòng)土壓力強(qiáng)度沿墻高呈三角形分布，被動(dòng)土壓力的作用點(diǎn)在距墻底H/3處,例：當(dāng)擋土墻受到主動(dòng)土壓力作用時(shí)，墻背和填土滑 動(dòng)面上摩擦力方向正確的是,庫(kù)侖土壓力理論通常適于 (A) 粘性土 (B) 砂性土 (C) 各類(lèi)土,例. 若擋土墻的墻背豎直且光滑，墻后填土面水平， 粘聚力c=0，采用朗金解和庫(kù)侖解，得到的主動(dòng)土 壓力差別為 (A) 朗金解大 (B) 庫(kù)侖解大 (C) 相同,例. 若擋土墻的墻背豎直且光滑，墻后填土面水平， 粘聚力c=0，按庫(kù)侖土壓力理論，正確確定被動(dòng)狀 態(tài)的滑動(dòng)土楔范圍的是,區(qū)別 朗肯 庫(kù)侖,極限平衡條件 滑動(dòng)楔體法,墻背面豎直光滑 墻后填土面水平,墻背、填土無(wú)限制 適合砂性土,計(jì)算 誤差,主動(dòng)土壓力偏大 被動(dòng)土壓力偏小,實(shí)際墻背面不豎直不光滑,由于實(shí)際滑裂面 不一定是平面,主動(dòng)土壓力偏小 被動(dòng)土壓力偏大,4. 墻背形狀有變化,AB墻：按常規(guī)計(jì)算 BC墻：將BC延伸至D，以DBC作為假想墻面計(jì)算,帶卸荷臺(tái)的擋土墻土壓力,在實(shí)際工程中，當(dāng)墻背傾斜角較大超過(guò)一定范圍后，滑動(dòng)塊體不會(huì)沿墻背滑動(dòng)，而是沿著途中某一平面滑動(dòng)，即產(chǎn)生所謂的第二滑裂面,查鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè),8.6 地震情況下的土壓力計(jì)算-擬靜力法,(1) 地震加速度：豎向分力av、水平分力ah 水平地震系數(shù) K h = ah /g 水平慣性力W K h 垂直地震系數(shù) K v = av /g 垂直慣性力W K v,(2) 虛擬自重W W=W(1-Kv)Secq 其中 tgq = K h /(1-Kv),按支檔結(jié)構(gòu)受力情況，可分為： 懸臂式排樁支護(hù) 樁錨 內(nèi)支撐,8.7開(kāi)挖坑溝支撐結(jié)構(gòu)物上的土壓力,單支點(diǎn)支擋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算,車(chē)輛荷載引起的土壓力,汽車(chē)、路面行使，給擋土結(jié)構(gòu)荷載的作用。 根據(jù)公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范來(lái)計(jì)算等效的土壓力 計(jì)算原理是按照庫(kù)侖土壓力理論， 把填土滑動(dòng)的土體范圍內(nèi)的車(chē)輛荷載，換算成厚度的土層,作用在破壞棱體范圍內(nèi)的車(chē)輛荷載，換算成厚度為 的土層,G,L0,H,填土重度： B擋土墻的計(jì)算長(zhǎng)度：,擋土墻的計(jì)算長(zhǎng)度B：,300,L+a,B=l+a+Htan300,H,H/2,B=l+a+Htan300,L0=H（tancot）,主動(dòng)土壓力為,H,1.重力式擋土墻,2.懸臂式擋土墻,8.7擋土墻設(shè)計(jì),1 擋土墻類(lèi)型,3.扶壁式擋土墻,4.錨定板式與錨桿式擋土墻,2 重力式擋土墻的初定尺寸 1.擋土墻的高度H： 土質(zhì)邊坡不易高于8m，巖質(zhì)邊坡不易高于10m 2.擋土墻的頂寬：保證具有整體性和足夠的強(qiáng)度 頂寬應(yīng)大于0.5m 3.擋土墻的底寬： 初步為B0.50.7H,1.抗滑穩(wěn)定驗(yàn)算,擋土墻在土壓力作用下可能沿基礎(chǔ)底面發(fā)生滑動(dòng),為基底摩擦系數(shù)，根據(jù)土的類(lèi)別查表8.8.1,3重力式 擋土墻穩(wěn)定性驗(yàn)算,2.抗傾覆穩(wěn)定驗(yàn)算,擋土墻在土壓力作用下可能繞墻趾O點(diǎn)向外傾覆,1.6,3.地基承載力驗(yàn)算 同時(shí)滿(mǎn)足下列兩個(gè)公式,例：已知某擋土墻，墻高H=6.0m，墻背傾斜=100，填土表面傾斜=100，墻摩擦角=200，強(qiáng)身重度為24KN/m3墻后填土為中砂，內(nèi)摩擦角=300，填土容重=18.5KN/m3。地基承載力設(shè)計(jì)值f=180kPa。設(shè)計(jì)擋土墻的尺寸。,解：1.初步確定擋土墻尺寸： 頂寬取1m，底寬取4m,h=H/3=2m,b=3.65m,求梯形的重心：a=2.17m,2.求主動(dòng)土壓力 ：查表8.5.1求Ka=0.438,3.抗滑穩(wěn)定驗(yàn)算(中砂查表8.8.1得=0.4),4.抗傾覆穩(wěn)定驗(yàn)算,抗滑抗傾覆穩(wěn)定驗(yàn)算均滿(mǎn)足要求,5.地基承載力驗(yàn)算,合力作用點(diǎn)與墻前趾的距離,偏心距e=2-1.82=0.18m4/6,滿(mǎn)足地基承載力要求 最終確定擋土墻尺寸：頂寬1m，底寬4m,總 結(jié),1.靜止土壓力 p0,K0靜止土壓力系數(shù),成三角形分布：,2 朗肯土壓力理論,粘