土力学清华大学5土压力与边坡稳定.pptx

胸胸趾趾踵踵背背身身顶顶土力学与地基基础土力学与地基基础5 土压力与边坡稳定土压力与边坡稳定5.1 5.1 概述概述5 5 土压力与边坡稳定土压力与边坡稳定5.1.1 5.1.1 挡土墙挡土墙（Earth-retaining walls）的用途与类型的用途与类型刚度：刚性挡土墙、柔性挡土墙刚度：刚性挡土墙、柔性挡土墙 结构：重力式、扶壁式、悬臂式、板桩式结构：重力式、扶壁式、悬臂式、板桩式（1）用途）用途（2）类型）类型土力学与地基基础土力学与地基基础5 土压力与边坡稳定土压力与边坡稳定土力学与地基基础土力学与地基基础5 土压力与边坡稳定土压力与边坡稳定5.1.2 土压力的种类土压力的种类5.1.2.2 5.1.2.2 土压力种类土压力种类 5.1.2.1 5.1.2.1 土压力试验土压力试验墙处于静止状态，墙及墙处于静止状态，墙及填土处于弹性平衡状态时，填土处于弹性平衡状态时，作用于墙背的侧向压力称为作用于墙背的侧向压力称为静止土压力。静止土压力。（1）静止土压力）静止土压力土力学与地基基础土力学与地基基础5 土压力与边坡稳定土压力与边坡稳定（2）主动土压力主动土压力土推墙，填土处于主动极限平衡状态时，作用于墙土推墙，填土处于主动极限平衡状态时，作用于墙背的侧向土压力。背的侧向土压力。土力学与地基基础土力学与地基基础5 土压力与边坡稳定土压力与边坡稳定（3）被动土压力）被动土压力墙在外力作用下推土，填土处于被动极限平衡状墙在外力作用下推土，填土处于被动极限平衡状态时，作用于墙背的侧向土压力。态时，作用于墙背的侧向土压力。土力学与地基基础土力学与地基基础5 土压力与边坡稳定土压力与边坡稳定5.1.3 影响土压力的因素影响土压力的因素（1）挡土墙的位移挡土墙的位移（2）挡土墙的形状挡土墙的形状（3）挡土的性质挡土的性质5.1.4 挡土墙失事实例挡土墙失事实例（1）多瑙河码头岸墙多瑙河码头岸墙（2）伦敦铁路挡土墙伦敦铁路挡土墙土力学与地基基础土力学与地基基础5 土压力与边坡稳定土压力与边坡稳定5.2 静止土压力计算静止土压力计算5.2.1 产生条件产生条件5.2.2 计算公式计算公式（1）假定）假定墙背光滑、垂直、填土面水平并在墙后延伸至无限远，墙背光滑、垂直、填土面水平并在墙后延伸至无限远，填土属半无限弹性体。填土属半无限弹性体。土力学与地基基础土力学与地基基础5 土压力与边坡稳定土压力与边坡稳定（2）计算公式）计算公式（5-1）式中，式中，为静止土压力系数，即侧压力系数，无因次，一为静止土压力系数，即侧压力系数，无因次，一般小于般小于1.0，不同的土按表可查。，不同的土按表可查。（5-2）（3）总静止土压力）总静止土压力（5-3）式中，式中，为泊松（为泊松（Possion）比，）比，或按经验公式计算，如或按经验公式计算，如杰基（杰基（Jaky,1944）公式）公式 式中，式中，为填土有效内摩擦角。为填土有效内摩擦角。作用于墙背的侧向压力即静止土压力强度为作用于墙背的侧向压力即静止土压力强度为5.2.3 静止土压力的应用静止土压力的应用 土力学与地基基础土力学与地基基础5 土压力与边坡稳定土压力与边坡稳定5.3 朗肯（朗肯（Rankine）土压力理论）土压力理论5.3.1 无粘性土的土压力无粘性土的土压力（1）主动土压力）主动土压力主动土压力计算公式主动土压力计算公式 由上式可知，内摩擦角由上式可知，内摩擦角 越大，则越大，则Ka越小，越小，也越也越小。小。越小，越小，也越小。当也越小。当 、不变时，则主动土压力不变时，则主动土压力强度与深度呈正比。强度与深度呈正比。假定（假定（极限应力法）：极限应力法）：墙背铅直、墙为刚性体，无变形墙背铅直、墙为刚性体，无变形墙背填土面水平墙背填土面水平 墙背光滑，即墙背与填土间无摩擦引起的剪应力，则墙背光滑，即墙背与填土间无摩擦引起的剪应力，则墙背处单元土体的垂直面、水平面都是主应力面墙背处单元土体的垂直面、水平面都是主应力面极限平衡条件填土为均质各向同性的半无限线性体极限平衡条件填土为均质各向同性的半无限线性体土力学与地基基础土力学与地基基础5 土压力与边坡稳定土压力与边坡稳定土力学与地基基础土力学与地基基础5 土压力与边坡稳定土压力与边坡稳定主动土压力分布主动土压力分布总主动土压力总主动土压力总主动土压力作用点总主动土压力作用点（2）被动土压力）被动土压力被动土压力计算公式被动土压力计算公式被动土压力分布被动土压力分布总被动土压力总被动土压力总被动土压力作用点总被动土压力作用点土力学与地基基础土力学与地基基础5 土压力与边坡稳定土压力与边坡稳定5.3.2 粘性土的土压力粘性土的土压力（1）主动土压力）主动土压力主动土压力计算公式主动土压力计算公式 对垂直光滑墙，墙背单元土体之剪应力为零，对垂直光滑墙，墙背单元土体之剪应力为零，为大主为大主应力应力 ，为小主应力为小主应力 ，处于主动极限平衡条件下，处于主动极限平衡条件下，、间的关系式为间的关系式为 土力学与地基基础土力学与地基基础5 土压力与边坡稳定土压力与边坡稳定式中，式中，为主动土压力系数，无因次，有为主动土压力系数，无因次，有 对粘性土体，单元土体深度为对粘性土体，单元土体深度为z时，时，=z=代入上式，得代入上式，得 总主动土压力总主动土压力土力学与地基基础土力学与地基基础5 土压力与边坡稳定土压力与边坡稳定（2）被动土压力）被动土压力总被动土压力大小为总被动土压力大小为 朗肯土压力理论假定墙背竖直、光滑、填土面水平，使计算朗肯土压力理论假定墙背竖直、光滑、填土面水平，使计算所得的主动土压力值偏大，被动土压力值偏小，因此偏于安全。所得的主动土压力值偏大，被动土压力值偏小，因此偏于安全。土力学与地基基础土力学与地基基础5 土压力与边坡稳定土压力与边坡稳定5.4 库仑库仑(Coulomb)土压力理论土压力理论（1）基本原理）基本原理 库仑理论假定在极限平衡状态下，由墙背平面和土体库仑理论假定在极限平衡状态下，由墙背平面和土体中某一平面组成的两个滑动面构成一楔形土体，由于楔形中某一平面组成的两个滑动面构成一楔形土体，由于楔形土体的滑移产生作用于墙背的土压力。所以库仑土压力理土体的滑移产生作用于墙背的土压力。所以库仑土压力理论是分析楔形土体所受外力在极限平衡状态下来求解土压论是分析楔形土体所受外力在极限平衡状态下来求解土压力。所求的是总土压力，称滑动土楔平衡法。力。所求的是总土压力，称滑动土楔平衡法。（2）基本假定）基本假定墙为刚性体，填土为均质的无粘性土；墙为刚性体，填土为均质的无粘性土；有二个滑动面；有二个滑动面；滑动面为平面；滑动面为平面；土楔不变形，并处于极限平衡状态（为刚塑体）。土楔不变形，并处于极限平衡状态（为刚塑体）。土力学与地基基础土力学与地基基础5 土压力与边坡稳定土压力与边坡稳定5.4.1 主动土压力主动土压力（1）计算原理）计算原理（2）计算公式）计算公式（3）主动土压力分布）主动土压力分布土力学与地基基础土力学与地基基础5 土压力与边坡稳定土压力与边坡稳定由正弦定理得由正弦定理得土力学与地基基础土力学与地基基础5 土压力与边坡稳定土压力与边坡稳定土力学与地基基础土力学与地基基础5 土压力与边坡稳定土压力与边坡稳定 只有相应于只有相应于P最大值时的倾斜面才是真正的破裂滑动面，最大值时的倾斜面才是真正的破裂滑动面，相应的相应的Pmax才是所求的墙背主动土压力，故有，才是所求的墙背主动土压力，故有，得总主动土压力得总主动土压力注：注：只能代表作用在墙背铅直投影高度上某点的土压只能代表作用在墙背铅直投影高度上某点的土压力强度。力强度。得主动土压力强度为得主动土压力强度为土力学与地基基础土力学与地基基础5 土压力与边坡稳定土压力与边坡稳定5.4.2 被动土压力被动土压力土力学与地基基础土力学与地基基础5 土压力与边坡稳定土压力与边坡稳定5.4.3 粘性土土压力的库仑理论粘性土土压力的库仑理论5.4.4 挡土墙土压力计算中几个应用问题挡土墙土压力计算中几个应用问题（1）墙后填土为一曲面，被动土压力误差较大）墙后填土为一曲面，被动土压力误差较大（2）土体抗剪强度指标）土体抗剪强度指标（3）墙背与填土的外摩擦角）墙背与填土的外摩擦角土力学与地基基础土力学与地基基础5 土压力与边坡稳定土压力与边坡稳定5.5 特殊情况下的土压力计算特殊情况下的土压力计算墙顶处的土压力强度为墙顶处的土压力强度为 5.5.1 墙后填土表面作用有连续均布荷载墙后填土表面作用有连续均布荷载0Pa深度深度z处的土压力强度为处的土压力强度为总土压力为总土压力为土力学与地基基础土力学与地基基础5 土压力与边坡稳定土压力与边坡稳定5.5.2 填土表面作用有局部均布荷载填土表面作用有局部均布荷载土力学与地基基础土力学与地基基础5 土压力与边坡稳定土压力与边坡稳定5.5.3 填土内有地下水位的情况填土内有地下水位的情况12土力学与地基基础土力学与地基基础5 土压力与边坡稳定土压力与边坡稳定5.5.4 填土为成层土的情况填土为成层土的情况土力学与地基基础土力学与地基基础5 土压力与边坡稳定土压力与边坡稳定5.5.5 墙前存在填土墙前存在填土（1）作用于墙前）作用于墙前的土抗力常采用被的土抗力常采用被动土压力的动土压力的30%50%；（2）墙前填土不）墙前填土不高时可不计墙前土高时可不计墙前土的被动土压力。的被动土压力。土力学与地基基础土力学与地基基础5 土压力与边坡稳定土压力与边坡稳定5.5.6 填土面倾斜（倾角为填土面倾斜（倾角为）主动土压力强度主动土压力强度总土压力总土压力土力学与地基基础土力学与地基基础5 土压力与边坡稳定土压力与边坡稳定例：某挡土墙如图示，求墙背主动土压力分例：某挡土墙如图示，求墙背主动土压力分布，绘图于墙背上。布，绘图于墙背上。ADBC土力学与地基基础土力学与地基基础5 土压力与边坡稳定土压力与边坡稳定各分界点处竖向应力为各分界点处竖向应力为:解解:各分界点处主动土应力为各分界点处主动土应力为:土力学与地基基础土力学与地基基础5 土压力与边坡稳定土压力与边坡稳定土力学与地基基础土力学与地基基础5 土压力与边坡稳定土压力与边坡稳定ADBC0水压力水压力土土压压力力挡挡土土墙墙土力学与地基基础土力学与地基基础5 土压力与边坡稳定土压力与边坡稳定例：某垂直光滑挡土墙，墙高为例：某垂直光滑挡土墙，墙高为5m，墙后填土表面水平，墙后填土表面水平，填土为砂，其天然重度填土为砂，其天然重度=18kN/m3，饱和重度，饱和重度sat=22kN/m3，地下水位在填土表面以下，地下水位在填土表面以下2m，水位上、下的内摩擦角，水位上、下的内摩擦角分别为分别为32和和30 。墙后填土表面有超载。墙后填土表面有超载q=50kN/m，试求作，试求作用在墙背上的被动土压力强度用在墙背上的被动土压力强度pp及水压力强度及水压力强度pw，并给出土，并给出土压力强度压力强度pp、水压力、水压力pw的分布图。的分布图。解解:（1）水压力）水压力（2）被动土压力）被动土压力土力学与地基基础土力学与地基基础5 土压力与边坡稳定土压力与边坡稳定ABC土力学与地基基础土力学与地基基础5 土压力与边坡稳定土压力与边坡稳定5.6 挡土墙的设计挡土墙的设计5.6.1 挡土墙类型选择挡土墙类型选择（1）重力式挡土墙）重力式挡土墙土力学与地基基础土力学与地基基础5 土压力与边坡稳定土压力与边坡稳定（2）悬臂式挡土墙）悬臂式挡土墙土力学与地基基础土力学与地基基础5 土压力与边坡稳定土压力与边坡稳定（3）扶臂式挡土墙）扶臂式挡土墙 土力学与地基基础土力学与地基基础5 土压力与边坡稳定土压力与边坡稳定（4）锚定板及锚杆式挡土墙）锚定板及锚杆式挡土墙土力学与地基基础土力学与地基基础5 土压力与边坡稳定土压力与边坡稳定（5）其他型式的挡土结构）其他型式的挡土结构土力学与地基基础土力学与地基基础5 土压力与边坡稳定土压力与边坡稳定5.6.3 挡土墙稳定性计算挡土墙稳定性计算（1）作用在挡土墙上的力）作用在挡土墙上的力5.6.2 挡土墙初定尺寸挡土墙初定尺寸自重自重土压力土压力基底反力基底反力（2）抗滑动稳定性验算）抗滑动稳定性验算（3）抗倾覆稳定性验算）抗倾覆稳定性验算土力学与地基基础土力学与地基基础5 土压力与边坡稳定土压力与边坡稳定增强稳定措施：增强稳定措施：增大端面增大端面 伸长墙趾伸长墙趾 墙背仰斜墙背仰斜 加卸荷台加卸荷台（4）圆弧滑动稳定性验算）圆弧滑动稳定性验算（5）地基承载力及墙身强度验算）地基承载力及墙身强度验算土力学与地基基础土力学与地基基础5 土压力与边坡稳定土压力与边坡稳定5.6.5 墙后排水措施墙后排水措施5.6.4 墙后回填土的选择墙后回填土的选择（1）理想回填土）理想回填土（2）可用回填土）可用回填土（3）不能用的回填土）不能用的回填土（1）无排水措施的危害）无排水措施的危害（2）排水措施的部位与构造）排水措施的部位与构造截水沟截水沟泄水孔泄水孔土力学与地基基础土力学与地基基础5 土压力与边坡稳定土压力与边坡稳定5.7 土坡稳定性土坡稳定性5.7.1 土坡稳定的作用土坡稳定的作用（1）基坑开挖）基坑开挖（2）天然土坡）天然土坡（3）人工土坡）人工土坡土力学与地基基础土力学与地基基础5 土压力与边坡稳定土压力与边坡稳定土坡的滑动土坡的滑动(slip)是促使土坡运动的是促使土坡运动的滑动因素滑动因素与滑动与滑动面上的面上的抗滑因素抗滑因素这一对矛盾转化的结果。这一对矛盾转化的结果。（1）滑动力的增加）滑动力的增加 降雨使土体重度增大降雨使土体重度增大 渗透力渗透力 坡顶荷载的增加坡顶荷载的增加 地震等动荷载地震等动荷载（2）抗滑力的减小）抗滑力的减小 土体抗剪强度减小土体抗剪强度减小 土的干裂、冻涨、降雨、湿化、膨胀等土的干裂、冻涨、降雨、湿化、膨胀等5.7.2 边坡失稳原因边坡失稳原因土力学与地基基础土力学与地基基础5 土压力与边坡稳定土压力与边坡稳定（3）边坡失稳分类）边坡失稳分类旋转型旋转型(rotational)滑坡滑坡 圆弧（圆弧（circular）滑裂面）滑裂面 非圆弧非圆弧(non-circular)滑裂面滑裂面平面型平面型(plane)滑坡滑坡复合型复合型(compound)滑坡滑坡土力学与地基基础土力学与地基基础5 土压力与边坡稳定土压力与边坡稳定5.7.3 土坡稳定分析圆弧法土坡稳定分析圆弧法（1）基本原理）基本原理假定：假定：均质粘性土坡均质粘性土坡滑动面为近似的圆弧滑动面滑动面为近似的圆弧滑动面 滑动面以上土体为刚塑性体滑动面以上土体为刚塑性体 （2）计算步骤）计算步骤滑动力矩滑动力矩抗滑力矩抗滑力矩 安全系数安全系数 土力学与地基基础土力学与地基基础5 土压力与边坡稳定土压力与边坡稳定（3）简单土坡最危险的滑动面）简单土坡最危险的滑动面（5）适用范围适用范围（4）计算技巧计算技巧 简单土坡简单土坡 简单土坡简单土坡土力学与地基基础土力学与地基基础5 土压力与边坡稳定土压力与边坡稳定安全系数安全系数（5.25）下滑力下滑力由力的平衡知由力的平衡知当土块处于平衡状态时当土块处于平衡状态时,抗滑力发挥了一部分抗滑力发挥了一部分,为为5.7.4.1 5.7.4.1 无粘性土简单边坡无粘性土简单边坡5.7.4 简单土坡稳定性分析简单土坡稳定性分析（1）无渗流）无渗流土力学与地基基础土力学与地基基础5 土压力与边坡稳定土压力与边坡稳定（2）有渗流作用）有渗流作用当渗流方向为顺坡面流出时，当渗流方向为顺坡面流出时，土力学与地基基础土力学与地基基础5 土压力与边坡稳定土压力与边坡稳定5.7.4.2 5.7.4.2 粘性土简单边坡粘性土简单边坡（泰勒图表法）（泰勒图表法）（Taylor,D.W.Taylor,D.W.）稳定数稳定数土力学与地基基础土力学与地基基础5 土压力与边坡稳定土压力与边坡稳定1 杨进良杨进良.土力学土力学M.北京北京:中国水利水电出版社中国水利水电出版社,2006.参考资料：参考资料：2 周汉荣周汉荣,赵明华赵明华.土力学地基与基础土力学地基与基础M.北京北京:中国建筑中国建筑工业出版社工业出版社,1997.土力学与地基基础土力学与地基基础5 土压力与边坡稳定土压力与边坡稳定掌握静止、主动、被动土压力的概念；掌握静止、主动、被动土压力的概念；掌握静止土压力的求解；掌握静止土压力的求解；掌握应用朗肯理论计算主动、被动土压力及特殊情况下的掌握应用朗肯理论计算主动、被动土压力及特殊情况下的土压力；土压力；熟悉库仑理论土压力的求解，影响主动土压力的因素；熟悉库仑理论土压力的求解，影响主动土压力的因素；熟悉挡土墙结构型式及其特点，掌握挡土墙稳定分析及增熟悉挡土墙结构型式及其特点，掌握挡土墙稳定分析及增强稳定性的措施；强稳定性的措施；熟悉边坡稳定的影响因素，滑动面型式；熟悉边坡稳定的影响因素，滑动面型式；掌握圆弧型滑动边坡计算的圆弧条分法，简单土坡稳定性掌握圆弧型滑动边坡计算的圆弧条分法，简单土坡稳定性分析方法；分析方法；本章要求：本章要求：习题：习题：复习思考题复习思考题5.25.5、5.15习题习题5.2、5.6、5.8土力学与地基基础土力学与地基基础5 土压力与边坡稳定土压力与边坡稳定