土压力与挡土墙.pptx

概述概述v在港口、水利、路桥及房屋建筑等工程中，挡土结构在港口、水利、路桥及房屋建筑等工程中，挡土结构物（挡土墙）是一种常见的建筑物。物（挡土墙）是一种常见的建筑物。v挡土结构物的作用是用来挡住墙后的填土并承受来自挡土结构物的作用是用来挡住墙后的填土并承受来自填土的压力。填土的压力。v土压力：指墙后填土由于它的自重或作用在填土表面土压力：指墙后填土由于它的自重或作用在填土表面上的荷载对墙背所产生的侧向压力。上的荷载对墙背所产生的侧向压力。v挡土墙按结构型式可分为重力式、悬壁式、扶壁式等。挡土墙按结构型式可分为重力式、悬壁式、扶壁式等。可用块石、条石、砖、混凝土与钢筋混凝土等材料建可用块石、条石、砖、混凝土与钢筋混凝土等材料建筑。筑。v计算方法大多采用朗肯和库仑土压力理论。大型及特计算方法大多采用朗肯和库仑土压力理论。大型及特殊构筑物土压力的计算常采用有限元数值分析计算。殊构筑物土压力的计算常采用有限元数值分析计算。墙面墙 前墙 顶墙背墙 后墙 趾墙 跟(踵)墙 底(基底)土压力自重第一节第一节 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一一.土压力的类型土压力的类型 根根据据墙墙身身位位移移的的情情况况，作作用用在在墙墙背背上上的的土土压压力力可可分分为为静止土压力静止土压力、主动土压力主动土压力和和被动土压力被动土压力。1.1.主动土压力主动土压力(active earth pressure)挡挡土土墙墙向向前前移移离离填填土土，随随着着墙墙的的位位移移量量的的逐逐渐渐增增大大，土土体体作作用用于于墙墙上上的的土土压压力力逐逐渐渐减减小小，当当墙墙后后土土体体达达到到主主动动极极限限平平衡衡状状态态并并出出现现滑滑动动面面时时，这这时时作作用用于于墙墙上上的土压力减至最小，称为主动土压力的土压力减至最小，称为主动土压力EaEa。2.2.被动土压力被动土压力(passive earth pressure)挡土墙在外力作用下挡土墙在外力作用下移向填土移向填土，随着墙位移量的，随着墙位移量的逐渐增大，土体作用于墙上的土压力逐渐增大，当墙逐渐增大，土体作用于墙上的土压力逐渐增大，当墙后土体达到被动极限平衡状态并出现滑动面时，这时后土体达到被动极限平衡状态并出现滑动面时，这时作用于墙上的土压力增至最大，称为被动土压力作用于墙上的土压力增至最大，称为被动土压力EpEp。3.3.静止土压力静止土压力(earth pressure at rest)当当挡挡土土墙墙静静止止不不动动时时，即即不不能能移移动动也也不不转转动动，这这时时土体作用在挡土墙的压力称为静止土压力土体作用在挡土墙的压力称为静止土压力E E0 0。主动被动15%0.10.5%试验研究表明：在相试验研究表明：在相同条件下，静止土压力大同条件下，静止土压力大于主动土压力而小于被动于主动土压力而小于被动土压力，即有土压力，即有E Ea a E E0 0 E Ep p 在相同条件下，产生在相同条件下，产生被动土压力时所需的位移被动土压力时所需的位移量远远大于产生主动土压量远远大于产生主动土压力时所需的位移量。力时所需的位移量。第二节第二节.静止土压力计算静止土压力计算 在填土表面下任意深度在填土表面下任意深度z z处的静止土压力强度处的静止土压力强度可按下式计算：可按下式计算：由上式可知，静止土压力沿墙高呈三角形分布。由上式可知，静止土压力沿墙高呈三角形分布。作用在单位墙长上的静止土压力为：作用在单位墙长上的静止土压力为：E0H静止土压力的分布静止土压力的分布方向垂直指向墙背方向垂直指向墙背,合力合力E E0 0的作用点在距离墙底的作用点在距离墙底1/31/3处。处。K K0 0静止土压力系数静止土压力系数，一般应通过试验确定，一般应通过试验确定，无试验资料时，可按参考值选取；砂土的无试验资料时，可按参考值选取；砂土的K K0 0值为值为0.0.25250.40.42 2；粘性土的；粘性土的K Ko o值为值为0.50.50.0.8 8，也可利，也可利用半经验公式用半经验公式K K0 0=1-sin =1-sin 计算。计算。土的有效内摩擦角土的有效内摩擦角(o o)；填土的重度，填土的重度，kN/mkN/m3 3；z z 计算点距离填土表面的深度，计算点距离填土表面的深度，m m。第三节第三节 朗肯土压力理论朗肯土压力理论基本原理基本原理 认为墙后填土达到极限平衡状态时，与墙背接触认为墙后填土达到极限平衡状态时，与墙背接触的任一土单元体都处于极限平衡状态，然后根据土单的任一土单元体都处于极限平衡状态，然后根据土单元体处于极限平衡状态时应力所满足的条件来建立土元体处于极限平衡状态时应力所满足的条件来建立土压力的计算公式压力的计算公式.基本假定基本假定vv挡土墙的墙背垂直；挡土墙的墙背垂直；挡土墙的墙背垂直；挡土墙的墙背垂直；vv挡土墙的墙背光滑挡土墙的墙背光滑挡土墙的墙背光滑挡土墙的墙背光滑;vv挡土墙的墙后填土表面水平；挡土墙的墙后填土表面水平；挡土墙的墙后填土表面水平；挡土墙的墙后填土表面水平；AO主动状态被动状态粘性土：粘性土：无粘性土：无粘性土：粘性土：粘性土：无粘性土：无粘性土：主动土压力主动土压力由以上公式可知：由以上公式可知：v无粘性土的主动土压力强度与无粘性土的主动土压力强度与z z成正比，成正比，沿墙高的压力呈三角形分布。如取单位墙沿墙高的压力呈三角形分布。如取单位墙长，则主动土压力为：长，则主动土压力为：EaEa的作用方向应垂直墙背，作用点在距墙底的作用方向应垂直墙背，作用点在距墙底1/31/3处处。Eah无粘性土的主动土压力强度分布图无粘性土的主动土压力强度分布图v粘性土的主动土压力粘性土的主动土压力 强度包括两部分：一部分是由自重引起的土压强度包括两部分：一部分是由自重引起的土压力强度力强度 ，另一部分是由粘聚力引起的负侧压，另一部分是由粘聚力引起的负侧压力强度力强度 ，这两部分土压力叠加的结果如，这两部分土压力叠加的结果如下页图所示。下页图所示。其中其中adeade部分是负侧压力，对墙背而言是部分是负侧压力，对墙背而言是拉力拉力，但实际上墙与土在很小的拉力作用下就会分离，从但实际上墙与土在很小的拉力作用下就会分离，从而造成土压力为零。所以粘性土的土压力分布仅是而造成土压力为零。所以粘性土的土压力分布仅是abcabc部分。部分。Eahadebc粘性土的主动土压力强度分布图粘性土的主动土压力强度分布图a a点离填土面的的深度点离填土面的的深度z z0 0称为称为临界深度临界深度，在填土面，在填土面无荷载的条件下，可令无荷载的条件下，可令p pa a=0=0求得求得z z0 0的值，可得的值，可得如取单位墙长计算，主动土压力如取单位墙长计算，主动土压力E Ea a为：为：E Ea a的作用方向应垂直墙背，作用点在距墙底的作用方向应垂直墙背，作用点在距墙底(h-zh-z0 0)/3)/3处处。被动土压力被动土压力无粘性土无粘性土粘性土粘性土 从以上公式可知：从以上公式可知：v无粘性土的被动土压力强度呈无粘性土的被动土压力强度呈三角形分布三角形分布；如取单位墙长计算，则被动土压力可由下式如取单位墙长计算，则被动土压力可由下式计算：计算：EpEp的作用方向应垂直墙背，作用点在距墙底的作用方向应垂直墙背，作用点在距墙底1/31/3处处。EpH无粘性土的被动土压力强度分布图无粘性土的被动土压力强度分布图粘性土的被动土压力强度呈粘性土的被动土压力强度呈梯形分布梯形分布。如取。如取单位墙长计算，则被动土压力可由下式计算：单位墙长计算，则被动土压力可由下式计算：EpEp的作用方向应垂直墙背，作用点通过一次求矩得到的作用方向应垂直墙背，作用点通过一次求矩得到。Ep粘性土的被动土压力强度分布图粘性土的被动土压力强度分布图各种具体情况的主动土压力计算各种具体情况的主动土压力计算v当当填土面有均布荷载填土面有均布荷载时的土压力计算：时的土压力计算：当挡土墙后填土面有连续均布荷载作用时，当挡土墙后填土面有连续均布荷载作用时，土压力的计算方法是土压力的计算方法是将均布荷载换算成当量的将均布荷载换算成当量的土重土重。当填土面水平时，当量的土层厚度为。当填土面水平时，当量的土层厚度为:Ea填土面有均布荷载的土压力计算填土面有均布荷载的土压力计算如填土为如填土为无粘性土无粘性土时时墙顶墙顶的土压力强度为的土压力强度为:墙底墙底的土压力强度为的土压力强度为:实际的土压力分布为梯形部分实际的土压力分布为梯形部分,土压力的大土压力的大小为强度分布图的面积小为强度分布图的面积,土压力作用点在梯土压力作用点在梯形的重心形的重心,采用一次求矩的方法求得采用一次求矩的方法求得.填土为粘性土呢?v当当填土为成层填土填土为成层填土时的土压力计算：时的土压力计算：v由于各层填土重度不同，使得填土竖向应力分由于各层填土重度不同，使得填土竖向应力分布在土层布在土层交界面上出现转折交界面上出现转折.v由于各层填土粘聚力和内摩擦角不同，所以在由于各层填土粘聚力和内摩擦角不同，所以在计算主动或被动土压力系数时，需采用计算点计算主动或被动土压力系数时，需采用计算点所在土层的粘聚力和内摩擦角所在土层的粘聚力和内摩擦角.v第一层土压力按均质土计算第一层土压力按均质土计算,计算第二层土压计算第二层土压力时力时,将上层土按重度换算成与第二层重度相将上层土按重度换算成与第二层重度相同的同的当量土层当量土层计算计算,当量土层厚度为当量土层厚度为:第四节第四节 库仑土压力理论库仑土压力理论 库仑土压力理论库仑土压力理论是根据墙后土体处于极限平是根据墙后土体处于极限平衡状态并形成一衡状态并形成一滑动楔体滑动楔体时，从楔体的时，从楔体的静力平静力平衡条件衡条件得出的土压力计算理论得出的土压力计算理论。基本假定：基本假定：基本假定：基本假定：v 墙后填土为理想的散粒体墙后填土为理想的散粒体墙后填土为理想的散粒体墙后填土为理想的散粒体(粘聚力为粘聚力为粘聚力为粘聚力为0)0)0)0)，因，因，因，因此库仑土压力理论只适用于无粘性土此库仑土压力理论只适用于无粘性土此库仑土压力理论只适用于无粘性土此库仑土压力理论只适用于无粘性土.v滑动破裂面为通过墙踵的平面滑动破裂面为通过墙踵的平面滑动破裂面为通过墙踵的平面滑动破裂面为通过墙踵的平面.主动土压力主动土压力 一般挡土墙的计算属于一般挡土墙的计算属于平面问题平面问题，故可沿墙的，故可沿墙的长度方向取长度方向取1 1m m进行分析。当墙向前移动或转动而使进行分析。当墙向前移动或转动而使墙后土体沿某一破坏面破坏时，土楔向下滑动而处墙后土体沿某一破坏面破坏时，土楔向下滑动而处于主动极限平衡状态。于主动极限平衡状态。滑 面库伦主动土压力的一般表达式库伦主动土压力的一般表达式或或 库仑主动土压力强度沿墙高呈库仑主动土压力强度沿墙高呈三角形分布三角形分布，主，主动土压力的作用点在动土压力的作用点在距墙底距墙底H H/3/3处处。当墙背垂直、光滑，填土面水平时，库伦主动当墙背垂直、光滑，填土面水平时，库伦主动土压力的一般表达式成为土压力的一般表达式成为 可见，在上述条件下，库伦主动土压力公式可见，在上述条件下，库伦主动土压力公式和兰金公式相同。和兰金公式相同。被动土压力被动土压力 当当挡土墙受外力作用推向填土，直至土体沿某挡土墙受外力作用推向填土，直至土体沿某一破裂面一破裂面BCBC破坏时，土楔破坏时，土楔ABCABC向上滑动，并处于向上滑动，并处于被被动极限平衡状态动极限平衡状态。滑 面 按求主动土压力同样的原理可求得被动土压力按求主动土压力同样的原理可求得被动土压力的库伦公式为：的库伦公式为：或或 库伦被动土压力强度沿墙高呈库伦被动土压力强度沿墙高呈三角形分布三角形分布，被，被动土压力的作用点在动土压力的作用点在距墙底距墙底H H/3/3处处。被动土压力强度可按下式计算：被动土压力强度可按下式计算：当墙背垂直、光滑，填土面水平时，库仑被当墙背垂直、光滑，填土面水平时，库仑被动土压力的一般表达式成为动土压力的一般表达式成为朗肯和库伦土压力理论的简单说明朗肯和库伦土压力理论的简单说明v朗肯和库伦土压力理论都是由朗肯和库伦土压力理论都是由墙后填土处于极限平衡墙后填土处于极限平衡状态状态的条件得到的。但的条件得到的。但朗肯朗肯理论求得是理论求得是墙背各点墙背各点土压力土压力强度分布，而库伦理论求得是强度分布，而库伦理论求得是墙背上的总土压力墙背上的总土压力。v朗朗肯肯理理论论在在其其推推导导过过程程中中忽忽视视了了墙墙背背与与填填土土之之间间的的摩摩擦擦力力，认认为为墙墙背背是是光光滑滑的的，计计算算的的主主动动土土压压力力误误差差偏偏大大，被被动动土土压压力力误误差差偏偏小小，而而库库伦伦理理论论考考虑虑了了这这一一点点，所所以以，主主动动土土压压力力接接近近于于实实际际值值，但但被被动动土土压压力力因因为为假假定定滑滑动动面面是是平平面面误误差差较较大大，因因此此，一一般般不不用用库库伦伦理理论论计计算算被被动动土压力。土压力。v朗肯朗肯理论适用于理论适用于填土表面为水平的无粘性土或粘填土表面为水平的无粘性土或粘性土性土的土压力计算，而库伦理论只适用于的土压力计算，而库伦理论只适用于填土表面填土表面为水平或倾斜的无粘性土为水平或倾斜的无粘性土，对粘性土只能用图解法，对粘性土只能用图解法计算计算。第五节第五节 挡土墙的类型挡土墙的类型 挡土墙按结构型式可分为三种主要类型：挡土墙按结构型式可分为三种主要类型：1.1.重力式挡土墙重力式挡土墙 重力式挡土墙是以挡土墙重力式挡土墙是以挡土墙自身重力自身重力来维持挡土墙在来维持挡土墙在土压力作用下的稳定。土压力作用下的稳定。通常由块石或素混凝土砌筑而成通常由块石或素混凝土砌筑而成，因而墙体，因而墙体抗拉强度较小抗拉强度较小，作用于墙背的土压力所引起，作用于墙背的土压力所引起的倾覆力矩全靠墙身自重产生的抗倾覆力矩来平衡，因的倾覆力矩全靠墙身自重产生的抗倾覆力矩来平衡，因此，墙身必须做成厚而重的实体才能保证其稳定，这样此，墙身必须做成厚而重的实体才能保证其稳定，这样，墙身的体积和重量都比较大。由于其具有，墙身的体积和重量都比较大。由于其具有结构简单，结构简单，施工方便，能够就地取材施工方便，能够就地取材等优点，是工程中应用较广的等优点，是工程中应用较广的一种型式。一种型式。2.2.悬臂式挡土墙悬臂式挡土墙 悬臂式挡土墙一般用悬臂式挡土墙一般用钢筋混凝土钢筋混凝土建造，由三个悬建造，由三个悬臂板组成：臂板组成：立壁立壁、墙趾悬臂墙趾悬臂和和墙踵悬臂墙踵悬臂。墙的稳定性。墙的稳定性主要靠主要靠墙踵底板上的土重墙踵底板上的土重，而墙体内的拉应力则由钢，而墙体内的拉应力则由钢筋承担。这类挡土墙的优点是能充分利用钢筋混凝土筋承担。这类挡土墙的优点是能充分利用钢筋混凝土的受力特性，墙体截面较小。的受力特性，墙体截面较小。3.3.扶壁式挡土墙扶壁式挡土墙 当挡土墙后的填土比较高时，为了增强悬臂式挡当挡土墙后的填土比较高时，为了增强悬臂式挡土墙中立壁的土墙中立壁的抗弯性能抗弯性能，常沿墙的纵向每隔一定距离，常沿墙的纵向每隔一定距离设一道扶壁，故称为扶壁式挡土墙。设一道扶壁，故称为扶壁式挡土墙。