6挡土结构物上的土压力

第六章 挡土结构物上的土压力,土压力概念 What is earth pressure? 土压力的使用 Use of earth pressure 土压力种类 Types of earth pressure 土压力的计算 Earth pressure calculation,1 概述 2 静止土压力计算 3 Rankine1857土压力理论 4 Coulomb1776土压力理论 5 土压力问题的讨论 6 工程中挡土墙的土压力计算 7 支挡结构物上的土压力计算,库仑 C. A. Coulomb (1736-1806),什么是挡土结构物(Retaining structure) 什么是土压力(Earth pressure) 影响土压力的因素 挡土结构物类型对土压力分布的影响,61 概 述,61 概 述,挡土结构物及其土压力,Rigid wall,61 概 述,边坡挡墙,基坑支护结构,61 概 述,一、挡土结构物（挡土墙）,用来支撑天然或人工斜坡不致坍塌以保持土体稳定性或使部分侧向荷载传递分散到填土上的一种结构物。,61 概 述,挡土结构物上的土压力由于土体自重、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。,一、挡土结构物（挡土墙）,61 概 述,为什么要计算土压力？ 土压力是进行挡土结构物断面设计和稳定验算的重要荷载。,挡土墙类型（按刚度及位移方式）: 1.刚性挡土墙 2.柔性挡土墙,一、挡土结构物（挡土墙）,61 概 述,刚性挡土墙,一、挡土结构物（挡土墙）,61 概 述,一、挡土结构物（挡土墙）,61 概 述,刚性挡土墙,混凝土挡土墙及复合排水管,一、挡土结构物（挡土墙）,61 概 述,刚性挡土墙,柔性支护结构,板桩变形,基坑支撑上的土压力,变形,土压力分布,板桩上土压力 实测 计算,一、挡土结构物（挡土墙）,61 概 述,上海市外环过江隧道 岸埋段基坑支撑,柔性支护结构,一、挡土结构物（挡土墙）,61 概 述,无法打锚杆相邻建筑物的基础较深地下管线,内支撑,柔性支护结构,一、挡土结构物（挡土墙）,61 概 述,二、土压力的影响因素,土的性质 挡土墙的移动方向 挡土墙和土的相对位移量 土体与墙之间的摩擦 挡土墙类型（高度、刚度）,61 概 述,61 概 述,二、位移对土压力的影响及三种典型的土压力,土压力,离填土位移,向填土位移,静止土压力：挡土墙完全没有侧向移动（不产生位移和变形）时墙后填土作用于挡土墙上的土压力。以E0表示。,主动土压力：挡土墙背离填土方向转动或位移，墙后填土达到极限平衡状态时作用于挡土墙上的土压力。它是土压力中的最小值。以Ea表示。,被动土压力：挡土墙向填土方向转动或位移，墙后填土达到极限平衡状态时作用于挡土墙上的土压力。它是土压力中的最大值。以Ep表示。,二、位移对土压力的影响及三种典型的土压力,61 概 述,在影响土压力的诸多因素中,墙体位移条件是最主要的因素。 墙体位移的方向和相对位移量决定着所产生的土压力的性质和土压力的大小。,三、土压力类型,61 概 述,3.被动土压力 （Passive earth pressure),（一）墙体位移和土压力性质,1.静止土压力 （Earth pressure at rest),2.主动土压力 （Active earth pressure),三、土压力类型,61 概 述,墙体位移对土压力的影响,挡土墙所受土压力的类型，首先取决于墙体是否发生位移以及位移的方向。其中有三种特定情况下的土压力，即静止土压力、主动土压力和被动土压力。 挡土墙所受土压力的大小并不是一个常数，而是随位移量的变化而变化。,（一）墙体位移和土压力性质,三、土压力类型,61 概 述,当d =D/H=0 时 （如地下室） E=E0,1. 静止土压力,（一）墙体位移和土压力性质,三、土压力类型,61 概 述,2. 主动土压力,墙体外移， 土压力逐渐减小， 当土体破坏，达到极限平衡状态时所对应的土压力 (最小),（一）墙体位移和土压力性质,三、土压力类型,61 概 述,3. 被动土压力,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),（一）墙体位移和土压力性质,三、土压力类型,61 概 述,三、土压力类型,61 概 述,主动土压力 静止土压力 被动土压力,三、土压力类型,61 概 述,本章要讨论的中心问题,刚性挡土墙上的土压力性质及土压力计算，包括土压力的大小、方向、分布及合力作用点。,61 概 述,静止土压力系数K0,对于侧限应力状态： p0= h =K0 v = /(1- )v = /(1- )*z 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：K01-sin,可按土体处于侧限条件下弹性平衡状态计算 深基础侧墙/U形桥台,62 静止土压力计算,sv,sv,sh,sh,z,H,H/3,K0H,62 静止土压力计算,一、一般情况（填土均质且无地下水）,sv,sv,sh,sh,z,H,H/3,K0H,62 静止土压力计算,二、墙后填土中有地下水,wH,H/3,62 静止土压力计算,H1,62 静止土压力计算,三、墙后填土为成层土,H2,土层分界面处：,墙趾处：,H1,H2,A,62 静止土压力计算,1、墙后填土中有地下水时，水下的重度应取为浮容重 ；,静止土压力计算要点,2、合力作用点位于图形的形心处；,3、K0可由室内或现场静止侧压力试验测定；正常固结土的K0常小于1，超固结土和压实填土K0可能会大于1；对于砂或正常固结粘土，可由下式确定：,4、需考虑墙背上的水压力的作用；,静止土压力在均质地基中随深度呈直线分布； 静止土压力分布线的斜率是容重和静止侧压力系数的乘积； 静止土压力在土层的分界面上一般会发生突变； 静止土压力在地下水位处发生转折； 地下水位以下的土体在计算静止土压力时用浮容重； 当地下水位高于挡土结构物的基底面时，挡土结构物除受到其后填土的土压力作用外，还会受到水压力的作用。,62 静止土压力计算,1857年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，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压力的计算公式。 基本假定：1、土体是表面水平的半无限体； 2、墙背竖直光滑； 假设的目的是使墙后填土在水平方向和竖直方向为主应力方向；,一、基本原理和假定（土单元体极限平衡状态时的应力条件）,63 朗肯土压力理论,6-3 朗肯(Rankine)土压力理论,一、基本原理和基本假定,z,主动极限平衡应力状态,6-3 朗肯(Rankine)土压力理论,一、基本原理和基本假定,被动极限平衡应力状态,6-3 朗肯(Rankine)土压力理论,一、基本原理和基本假定,二、朗肯主动土压力计算,(一)基本计算公式,6-3 朗肯(Rankine)土压力理论,主动土压力系数,二、朗肯主动土压力计算,(二)无粘性土的主动土压力计算公式,6-3 朗肯(Rankine)土压力理论,45/2,z,二、朗肯主动土压力计算,(二)无粘性土的主动土压力计算公式,6-3 朗肯(Rankine)土压力理论,H,z,二、朗肯主动土压力计算,(三) 粘性土的主动土压力计算公式,6-3 朗肯(Rankine)土压力理论,H,HKa,z,z0,二、朗肯主动土压力计算,(三) 粘性土的主动土压力计算公式,6-3 朗肯(Rankine)土压力理论,H,HKa,z,z0,三、朗肯被动土压力计算,(一) 基本计算公式,6-3 朗肯(Rankine)土压力理论,被动土压力系数,(二)无粘性土的被动土压力计算,6-3 朗肯(Rankine)土压力理论,三、朗肯被动土压力计算,z,(二)无粘性土的被动土压力计算,6-3 朗肯(Rankine)土压力理论,H,z,三、朗肯被动土压力计算,(三)粘性土的被动土压力计算,6-3 朗肯(Rankine)土压力理论,三、朗肯被动土压力计算,H,z,(三)粘性土的被动土压力计算,6-3 朗肯(Rankine)土压力理论,H,z,三、朗肯被动土压力计算,四、 填土中有地下水时的土压力计算,作用于墙上的总压力,注意点：地下水位之下用浮容重；墙背总压力包含水压力；,(ea)B,(ea)C,E,=Ea,Ea,63 朗肯土压力理论,五、填土为成层土时的土压力计算,注意点：1.各层土重度不同; 2.各层土的粘聚力和内摩擦角不同；,layer1,layer2,1,2,(ea)1,(ea)2,例：求作用于墙上的总的主动土压力的大小和位置,63 朗肯土压力理论,例6-2：,解：第一层土的主动土压力系数为 第二层土的主动土压力系数为 判别拉力区：第一层土 第二层土 故第二层土中没有拉力区；,63 朗肯土压力理论,土中各点的主动土压力： B： F点交界面上： F点交界面下： A：,63 朗肯土压力理论,主动土压力分布,63 朗肯土压力理论,第一层总的主动土压力 第二层总的主动土压力 整个墙上的总的主动土压力 由 和 对A点的矩相等，可得 的作用点在A点以上的距离为1.43m。,63 朗肯土压力理论,6-3 朗肯(Rankine)土压力理论,总结：,土压力在均质地基中随深度呈直线分布； 土压力分布线的斜率是容重和土压力系数的乘积； 土压力在土层的分界面上一般会发生突变； 土压力在地下水位处发生转折，地下水位以下土体的容重用浮容重； 当地下水位高于挡土结构物的基底面时，挡土结构物除受到其后填土的土压力作用外，还会受到水压力的作用。,如果墙背不垂直、粗糙 墙后填土表面不水平 如何计算挡土墙后的土压力？,6-4 库仑土压力理论,6-4 库仑土压力理论,一、基本原理和基本假定,1776年，库仑土压力理论以整个滑动土体上力的平衡条件来确定土压力。,假设：填土为干的无粘性土；滑动面为平面；滑动体为刚性体；,作用于滑动土体ABC上的作用力有：,二、无粘性土主动土压力,1、ABC的重量； 2、破坏面AC上的反力； 3、墙背AB对滑动土体的反力E；,64 库仑土压力理论,6-4 库仑土压力理论,二、无粘性土主动土压力计算,H,由正弦定理：,二、无粘性土主动土压力,时 ，所以在 和 之间存在一个最大值，该值即为所求的主动土压力；,E随破坏面倾角的变化情况： 或,二、无粘性土主动土压力,用下式对 求导：,墙背上总的库仑主动土压力为：,库仑主动土压力系数,决定于 具体数值可参见有关设计手册；,变化,取若干滑裂面,使E最大 dE/d=0, 求得，实际发生的真正滑动面,6-4 库仑土压力理论,二、无粘性土主动土压力计算,影响因素分析,由上式： 1、 大， 小； 2、 大， 小； 3、 为正且其值越大， 大； 为负且其值越小， 小； 4、 大， 大，但 时，上式不适用；,土压力分布规律,由上式可以推定： 库仑主动土压力沿墙高按直线分布，沿墙高的强度为 沿墙背的强度为 总的土压力的大小等于压力分布图的面积，其方向与墙背法线方向成 角，作用点在墙高的1/3处。,当 时 即，特定条件下，朗肯土压力是库仑土压力理论的一个特例；,三、无粘性土被动土压力,若挡土墙向着填土方向挤压而使填土达到极限平衡状态时，填土将出现另一种破坏面； 滑动趋势/摩擦力方向 墙背上总的被动土压力的计算公式如下： 式中 库仑理论的被动土压力系数，决定于 。可由有关设计手册查得。,变化,取若干滑裂面,使E最小,得， 滑动土体所受的阻力最小，最容易被向上堆出,库尔曼图解法(C. Culmann),填土表面是折线或曲线 不用解析解而是图解法 W,R,E力矢三角形 一系列三角形，E最大值,库伦土压力计算公式是基于填土表面为平面的假定建立的，