土力学土压力与挡土结构任务15分析.pptx

第第 七七 章章土压力与挡土结构土压力与挡土结构本讲内容任务1：土压力产生的条件任务2：静止土压力计算任务3：朗肯土压力计算任务4：库仑土压力计算任务5：土压力问题讨论任务6：挡土墙设计红色字重点内容任务1：土压力产生的条件挡土墙挡土墙(挡土结构物挡土结构物)用来用来支撑支撑天然或人工天然或人工斜坡斜坡不不致坍塌以致坍塌以保持土体稳定性保持土体稳定性，或使，或使部分侧向荷载传递部分侧向荷载传递分散到分散到填土上填土上的一种结构物。的一种结构物。挡土结构物上的挡土结构物上的土压力土压力 挡土挡土墙后的土体墙后的土体作用在作用在挡土挡土墙墙上的上的侧向压力侧向压力。常见的挡土墙常见的挡土墙E地下室地下室 地下室地下室侧墙侧墙E填土填土 土坡土坡挡土墙挡土墙任务1：土压力产生的条件E桥面桥面拱桥拱桥桥台桥台任务1：土压力产生的条件常见的挡土墙常见的挡土墙堤岸堤岸挡土墙挡土墙重力式重力式悬臂式悬臂式扶壁式扶壁式 锚杆式锚杆式挡土墙的几种类型挡土墙的几种类型常用材料常用材料：块石块石砖砖素砼素砼钢筋砼钢筋砼园林式园林式挡土墙挡土墙砼挡土墙（扶壁式）砼挡土墙（扶壁式）毛石挡土墙（重力式）毛石挡土墙（重力式）墙体位移墙体位移与与土压力的类型土压力的类型墙体墙体离开离开土体土体主动主动土压力土压力墙体墙体挤压挤压土体土体被动被动土压力土压力墙体墙体静止静止静止静止土压力土压力(1)(1)主动土压力主动土压力当挡土墙在当挡土墙在土压力土压力作用下作用下离开离开土体土体向前向前位移，墙后位移，墙后土体达到土体达到主动极限平衡主动极限平衡状态时，作用在墙背上的土状态时，作用在墙背上的土压力称为压力称为主动土压力主动土压力，表示为，表示为E Ea a。支挡构筑物支挡构筑物挡土墙挡土墙所承受周围填土的侧压力属所承受周围填土的侧压力属主动主动土压力土压力。E填土填土 土坡土坡挡土墙挡土墙主动土压力主动土压力(2)(2)被动土压力被动土压力当挡土墙在当挡土墙在外力外力作用下作用下推挤推挤土体土体向后向后位移，墙后土位移，墙后土体达到体达到被动极限平衡被动极限平衡状态时，作用在挡土墙上的土状态时，作用在挡土墙上的土压力称为压力称为被动土压力被动土压力，用，用E Ep p表示。表示。如如桥台桥台受到受到桥上荷载桥上荷载推向土体时，土对桥台产生的推向土体时，土对桥台产生的侧压力属侧压力属被动土压力被动土压力。E桥面桥面拱桥拱桥桥台桥台被动土压力被动土压力土压力土压力(3)(3)静止土压力静止土压力当挡土墙当挡土墙静止不动静止不动，墙后土体处于，墙后土体处于弹性平衡弹性平衡状态时，状态时，作用在墙背上的土压力作用在墙背上的土压力称为称为静止土压力静止土压力，用，用E Eo o表示。表示。如如地下室外墙地下室外墙可视为受可视为受静止土压力静止土压力的作用。的作用。E地下室地下室 地下室地下室侧墙侧墙静止土压力静止土压力 实验研究表明：实验研究表明：在在相同条件相同条件下，下，主动主动土压力小于土压力小于静止静止土压力，土压力，而静止土压力又小于而静止土压力又小于被动被动土压力，亦即土压力，亦即 而且产生而且产生被动土压力被动土压力所需的所需的位移量位移量，大大超过，大大超过产生产生主动土压力主动土压力所需的所需的位移量位移量。任务2：静止土压力计算静止土压力静止土压力墙体不发生任何位移墙体不发生任何位移相当于天然地基土的自重相当于天然地基土的自重应力状态（侧限状态）。应力状态（侧限状态）。嵌岩的挡土墙嵌岩的挡土墙地下室地下室 1 1 3s3zK0:静止土压力系数静止土压力系数 K K0 0 可按教材可按教材4747页表页表4-14-1取值。取值。对于正常固结黏土，也可按下式计算：对于正常固结黏土，也可按下式计算：任务2：静止土压力计算HzE0单位长度静止土压力合力：单位长度静止土压力合力：任务2：静止土压力计算任意深度Z处的静止土压力静止土压力分布三角形面积合力作用点 朗肯土压力理论是根据半无限空间土体处于朗肯土压力理论是根据半无限空间土体处于极限平衡状态下土的大、小主应力关系，而极限平衡状态下土的大、小主应力关系，而得出的土压力计算方法。得出的土压力计算方法。一、朗肯土压力理论的一、朗肯土压力理论的基本假定基本假定：墙背墙背竖直竖直；墙背墙背光滑光滑，墙背与填土之间无摩擦力；，墙背与填土之间无摩擦力；墙后填土表面墙后填土表面水平水平。任务3：朗肯土压力计算任务3：朗肯土压力计算一、朗肯极限平衡应力状态一、朗肯极限平衡应力状态 自重应力作用下，挡土墙半无限土体内各点的应力从弹自重应力作用下，挡土墙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（性平衡状态发展为极限平衡状态（滑裂面形成滑裂面形成）的情况。）的情况。3f 1=z K0 1主动极限平衡应力状态主动极限平衡应力状态 1 345+f f/21、朗肯、朗肯主动主动土压力土压力安全状态安全状态极限状态极限状态3知道1，计算3 1f 1=z K0 1被动极限平衡应力状态被动极限平衡应力状态 1 3 3 145-f f/22、朗肯、朗肯被动被动土压力土压力 挡土墙推向土体，应挡土墙推向土体，应力状态发生变化（大、小力状态发生变化（大、小主应力发生转变）。主应力发生转变）。3=zK0 3推力增加推力增加知道3，计算1二、二、朗肯朗肯主动主动土压力计算土压力计算假定：假定：墙背垂直、光滑，填土表面水平墙背垂直、光滑，填土表面水平H 1 3 1=z则黏性土：则砂土：取单位长度计算（下同）知道1，计算3教材P114式(6-15)更正 当填土为当填土为无黏性土（砂土）时，设任意深度无黏性土（砂土）时，设任意深度Z处处朗肯主动土压力为朗肯主动土压力为a，则：，则：145+f f/2z于是：于是：主动土压力强度主动土压力强度a=3f 1=z K0 1 a=3二、二、朗肯朗肯主动主动土压力计算土压力计算 145+f f/2 a=3z主动土压力强度主动土压力强度朗肯主动土压力系数朗肯主动土压力系数主动土压力合力：主动土压力合力：二、二、朗肯朗肯主动主动土压力计算土压力计算填土为砂土填土为砂土a=3f 1=z K0 1 当填土为当填土为黏性土时，设任意深度黏性土时，设任意深度Z处朗肯主动处朗肯主动土压力为土压力为a，则：，则：二、二、朗肯朗肯主动主动土压力计算土压力计算主动土压力强度主动土压力强度朗肯主动土压力系数朗肯主动土压力系数负号负号45+f f/2h0h0hh0 hh0 二、二、朗肯朗肯主动主动土压力计算土压力计算填土为黏性土填土为黏性土黏聚力产生黏聚力产生的负侧压力的负侧压力直立临界深度直立临界深度HEa主动土压力合力：主动土压力合力：h0二、二、朗肯朗肯主动主动土压力计算土压力计算填土为黏性土填土为黏性土直立临界深度是否还记得是否还记得B B点失稳深度？点失稳深度？黏土C、ABh1h2采用下式时则：直立临界深度竖向应力为小主应力竖向应力为小主应力水平向应力为大主应力水平向应力为大主应力45-f f/2根据公式：根据公式：p=1f 3=z K0 3 p=1 3z三、三、朗肯朗肯被动被动土压力计算土压力计算知道3，计算1 当填土为当填土为无黏性土（砂土）无黏性土（砂土）时，则：时，则：c=045-f f/2 p=1 3z被动土压力强度：被动土压力强度：朗肯被动土压力系数朗肯被动土压力系数被动土压力合力被动土压力合力填土为砂土填土为砂土三、三、朗肯朗肯被动被动土压力计算土压力计算于是：于是：被动土压力强度：被动土压力强度：p=1f 3=z K0 3 填土为黏性土填土为黏性土三、三、朗肯朗肯被动被动土压力计算土压力计算45-f f/2 p=1 3z被动土压力强度：被动土压力强度：朗肯被动土压力系数朗肯被动土压力系数正号正号EpH被动土压力合力：被动土压力合力：填土为黏性土填土为黏性土三、三、朗肯朗肯被动被动土压力计算土压力计算 四、常见情况的土压力计算四、常见情况的土压力计算（以无黏性土为例）（以无黏性土为例）1、填土表面有连续均布荷载当连续均布荷载为q时，Z处的竖向应力为q+z，即主动土压力强度为：填土面a点土压力强度为：墙底b点的土压力强度为：合力作用点在梯形的形心。2、成层填土情况、成层填土情况g g1 f f1 c1g g2 f f2 c2H1H2h1h2g g1 f f1 c1g g2 f f2 c22、成层填土情况、成层填土情况1、第一层土压力第一层土压力计算方法不变计算方法不变。2、计算第二层土压力时，换算、计算第二层土压力时，换算第一层土第一层土等量等量土层厚度土层厚度：h1=h1 1/2，然后以，然后以（h1+h2）为墙高计算为墙高计算第二层土压力第二层土压力；3、取第二层土层、取第二层土层顶面顶面和和底面底面的土压力值计算的土压力值计算总土压力总土压力（即计（即计算算阴影梯形的面积阴影梯形的面积）。）。3、墙后填土有地下水、墙后填土有地下水挡土墙后的回填土常会部分成全部处于挡土墙后的回填土常会部分成全部处于地下水位以下地下水位以下，由，由于地下水的存在将使土的于地下水的存在将使土的含水量增加含水量增加，抗剪强度降低抗剪强度降低，从，从而使而使土压力增大土压力增大，同时还会产生，同时还会产生静水压力静水压力。因此，挡土墙。因此，挡土墙应该有良好的应该有良好的排水排水措施。措施。当墙后填土有地下水时，作用在当墙后填土有地下水时，作用在墙背上的侧压力有墙背上的侧压力有土压力土压力和和水压水压力力两部分。计算土压力时，假设两部分。计算土压力时，假设水上水上和和水下水下土的土的黏聚力黏聚力c c、内摩、内摩擦角都相同擦角都相同，地下水位，地下水位以下以下取取有有效重度效重度进行计算。进行计算。在右图中，在右图中，abdecabdec部分为土压力部分为土压力分布图，分布图，cefcef部分为水压力分布部分为水压力分布图，图，总侧压力总侧压力为为土压力土压力和和水压力水压力之和。之和。小结：朗肯土压力理论小结：朗肯土压力理论墙背墙背垂直垂直、光滑光滑、填土、填土水平水平主动主动和和被动被动极限平衡极限平衡条件条件砂土砂土和和黏性土黏性土 1f v=z K0 v45-f f/245+f f/2 3frzE主动土压力系数主动土压力系数被动土压力系数被动土压力系数静止土压力系数静止土压力系数小结：朗肯土压力理论小结：朗肯土压力理论总土压力总土压力：单位长度单位长度挡土墙上土压力挡土墙上土压力单位：单位：kN/mkN/m，大小、方向、作用点，大小、方向、作用点土压力强度土压力强度：单位面积单位面积的土压力的土压力单位：单位：kN/mkN/m2 2几个概念几个概念Ep小结：朗肯土压力理论小结：朗肯土压力理论墙背墙背倾斜倾斜，具有，具有倾角倾角 墙背墙背粗糙粗糙，与填土，与填土摩擦角为摩擦角为摩擦角为摩擦角为 填土填土表面表面有有倾角倾角 出发点：2 2、滑动、滑动破坏面破坏面为通过为通过墙踵墙踵的平面；的平面；假设条件：3 3、滑动土楔体滑动土楔体为为刚体刚体。任务4：库仑土压力计算1 1、墙后、墙后填土填土为为散体散体材料材料(c=0)(c=0)；AMH B一、无黏性土的一、无黏性土的主动主动土压力土压力G ER -GRE -=90-任务4：库仑土压力计算墙背反力AM面反力=90+-根据根据正弦定律正弦定律，得：，得：-=(90-)-(90-)一、无黏性土的一、无黏性土的主动主动土压力土压力GRE -=90-=90+-其中：即相当于ABM的面积 EEa库仑主动土压力系数库仑主动土压力系数Ea特例：特例：=0=0，即墙背垂直光滑，填土，即墙背垂直光滑，填土表面水平表面水平时，时，与与朗肯朗肯理论等同理论等同 土压力分布：土压力分布：三角形分布三角形分布整理得：一、无黏性土的一、无黏性土的主动主动土压力土压力ABC H二、无黏性土的二、无黏性土的被动被动土压力土压力G ER GREp -=90-=90+-计算方法与计算方法与主动土压力主动土压力相同相同 EEp库仑被动土压力系数库仑被动土压力系数土压力分布：土压力分布：三角形分布三角形分布二、无黏性土的二、无黏性土的被动被动土压力土压力特例：特例：=0=0，即墙背垂直光滑，填土，即墙背垂直光滑，填土表面水平表面水平时，时，与与朗肯朗肯理论等同理论等同 建筑建筑地基基础设计地基基础设计规范规范（GB 500072011GB 500072011）推）推荐的荐的主动土压力主动土压力计算公式为：计算公式为：E Ea a主动土压力，主动土压力，KN/mKN/m；主动土压力主动土压力增大系数增大系数，土坡高度，土坡高度5m8m 8m取取1.21.2；填土的重度，填土的重度，KN/mKN/m3 3；HH挡土结构的高度，挡土结构的高度，m m；K Ka a主动土压力系数，按主动土压力系数，按P149P149页公式求得页公式求得。三、三、黏性土黏性土的的库仑土压力库仑土压力规范法规范法任务4：库仑土压力计算任务5：土压力问题讨论1、分析方法、分析方法 E朗肯理论朗肯理论库仑理论库仑理论土体内土体内各点各点均处于极限平均处于极限平衡状态：衡状态：极限应力法极限应力法刚性楔体，刚性楔体，滑面上滑面上处于极处于极限平衡状态：限平衡状态：滑动楔体法滑动楔体法先求先求土压力强度土压力强度p p先求先求总土压力总土压力E E极限平衡状态极限平衡状态两种土压力理论的比较两种土压力理论的比较2、应用条件应用条件 E朗肯理论朗肯理论库仑理论库仑理论 墙背墙背竖直竖直、光滑光滑,填土填土水平水平 墙背、填土墙背、填土无限制无限制两种土压力理论的比较两种土压力理论的比较3、计算误差计算误差 朗肯土压力理论朗肯土压力理论 实际实际0 主动土压力主动土压力 偏大偏大 被动土压力被动土压力 偏小偏小两种土压力理论的比较两种土压力理论的比较3 计算误差计算误差库仑土压力理论库仑土压力理论 实际滑裂面实际滑裂面不一定是不一定是平面平面 主动土压力主动土压力 偏小偏小 被动土压力被动土压力 偏大偏大滑动面滑动面滑动面滑动面两种土压力理论的比较两种土压力理论的比较计算误差计算误差 结论结论 如果如果 =0，滑裂面滑裂面是是直线直线，两种理论两种理论计算计算Ka、Kp相同相同如果如果 0,Ka 朗肯偏大朗肯偏大10%左右，工程偏安全左右，工程偏安全 库仑偏小一些（可忽略库仑偏小一些（可忽略)；Kp 朗肯偏小可达几倍；朗肯偏小可达几倍；库仑偏大可达几倍库仑偏大可达几倍;在实际工程问题中，土压力计算是比较复杂的。在实际工程问题中，土压力计算是比较复杂的。工程中使用工程中使用被动土压力被动土压力较少，因为所需较少，因为所需相对位移相对位移太大。太大。两种土压力理论的比较两种土压力理论的比较