第七章土压力与挡土墙设计ppt课件.ppt

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1、土力学与地基基础Soil Mechanics and Foundation Engineering主讲人：,第一节 土压力概述第二节 静止土压力计算第三节 朗肯土压力理论第四节 库仑土压力计算理论第五节 几种常见情况的土压力第六节 挡土墙设计,第七章 土压力与挡土墙设计,本章提要,土压力是与土的抗剪强度有关的问题，也是土力学重要问题之一。学习本章时，要熟悉土压力的类型及它们产生的条件和适用范围，熟练掌握土压力计算方法。,学习目标,要熟悉土压力的类型及它们产生的条件和适用范围，熟练掌握土压力计算方法。学习朗肯土压力理论假设条件、主动土压力、被动土压力。要求掌握朗肯假设条件，熟练掌握其计算方法。学

2、习库仑土压力理论假设条件、数值解法与库尔曼图解法，要求掌握其假设条件及数值解法，从分析方法与计算误差上比较两个理论的不同。本章学习中要求掌握几种常见情况的主动土压力计算。,第一节 土压力概述,土压力：土体作用在挡土结构物上的压力(图7-1)，土压力的大小及分布规律主要与土的性质及结构物位移的方向、大小和结构物的刚度、高度及形状等有关。,工程上常用挡土墙类型,一、挡土结构类型对土压力分布的影响,挡土墙按其刚度和位移方式分为刚性挡土墙、柔性挡土墙和临时支撑三类。1刚性挡土墙：用砖、石或混凝土所筑成的断面较大的挡土墙。由于刚度大，墙体在侧向土压力作用下，仅能发生整体平移或转动的挠曲变形可忽略。墙背受

3、到的土压力呈三角形分布，最大压力强度发生在底部，类似静水压力分布。2柔性挡土墙：当墙身受土压力作用时发生挠曲变形。3临时支撑：边施工边支撑的临时性支挡结构。,二、墙体位移与土压力类型,1.静止土压力（E0）：墙受侧向土压力后，墙身变形或位移很小，可认为墙不发生转动或平移，墙后土体没有破坏，处于弹性平衡状态，墙上承受土压力称为静止土压力E0。,2.主动土压力（Ea）：挡土墙在填土压力作用下，背离填土方向移动或沿墙跟转动，土压力逐渐减小，直至土体达到极限平衡状态，形成滑动面，此时的土压力称为主动土压力。,3.被动土压力（Ep）：挡土墙在外力作用下向着土体的方向移动或转动，土压力逐渐增大，直至土体达

4、到极限平衡状态，形成滑动面。此时的土压力称为被动土压力Ep。,同样填土高度的挡土墙，作用有不同性质的土压力时见图7-3，有如下的关系：Ep E0 Ea。在工程中需定量地确定这些土压力值。,三、影响土压力的因素,(1)挡土墙的位移方向和位移量；(2)挡土墙的形状、墙背的光滑程度和结构形式；(3)墙后填土的性质，包括填土的重度、含水量、内摩擦角和黏聚力的大小及填土面的倾斜程度。,四、研究土压力的目的,研究土压力的目的主要在于：1设计挡土构筑物，如挡土墙，地下室侧墙，桥台和贮仓等；2地下构筑物和基础的施工、地基处理方面；3地基承载力的计算，岩石力学和埋管工程等领域。,第二节 静止土压力计算,设一土层

5、，表面是水平的，土的容重为，设此土体为弹性状态，见图7-4，在半无限土体内任取出竖直平面AB，此面在几何面上及应力分布上都是对称的平面。对称平面上不应有剪应力存在，所以，竖直平面和水平平面都是主应力平面。,0, z,K0 z,弹性平衡状态时的莫尔圆,自重应力,竖直截面上的法向应力,静止土压力,在深度Z处，作用在水平面上的主应力为： 作用在竖直面的主应力为： 即为作用在竖直墙背AB上的静止土压力，与深度z呈直线线性分布。,E0,H,静止土压力的分布,静止侧压力系数K0,静止侧压力系数K0的数值可通过室内或原位的静止侧压力试验测定。其物理意义：在不允许有侧向变形的情况下，土样受到轴向压力增量1将会

6、引起侧向压力的相应增量3，比值3/1称为土的侧压力系数或静止土压力系数K0。,室内测定方法：（1）压缩仪法：在有侧限压缩仪中装有测量侧向压力的传感器。（2）三轴压缩仪法：在施加轴向压力时，同时增加侧向压力，使试样不产生侧向变形。上述两种方法都可得出轴向压力与侧向压力的关系曲线，其平均斜率即为土的侧压力系数。,对于无粘性土及正常固结粘土也可用下式近似计算：,第三节 朗肯土压力理论,一、基本原理1857年朗肯提出土压力理论，主要研究自重应力作用下，半无限土体内各点的应力由弹性平衡状态发展为极限平衡状态的情况，提出计算挡土墙土压力的理论。（一）假设条件1挡土墙背垂直2墙后填土表面水平3挡墙背面光滑即

7、不考虑墙与土之间的摩擦力,一、主动土压力,1当土体静止不动时，深度Z处土单元体的应力,见图7-5a；2当代表土墙墙背的竖直光滑面AB面向外平移时，右侧土体的水平应力逐渐减小，而方向保持不变。当AB位移至AB时，应力圆与土体的抗剪强度包线相切土体达到主动极限平衡状态。此时，作用在墙上的土压力达到最小值，即为主动土压力,主动土压力计算原理,无粘性土,H,H/3,粘性土,z0,粘性土的主动土压力由两部分组成，第一项： 为土重产生的，是正值，随深度呈三角形分布；第二项为粘结力c引起的土压力 ，是负值，起减少土压力的作用，其值是常量。,总主动土压力 应为三角形abc之面积,二、被动土压力,当代表土墙墙背

8、的竖直光滑面AB面在外力作用下向填土方向移动，挤压土体时，将逐渐增大，直至剪应力增加到土的抗剪强度时，应力圆又与强度包线相切，达到被动极限平衡状态图7-5c和图7-5e。此时作用在AB面上的土压力达到最大值，即为被动土压力，Pp。,被动土压力计算原理,外力,滑动方向,无粘性土,H,H/3,粘性土,第四节 库仑土压力计算理论,1776法国库仑提出土压力理论，下面进行具体论述：一、 库仑土压力方法要点：（一）假设条件：1. 墙背倾斜，具有倾角；2. 墙后填土为砂土，表面倾角为 角；3. 墙背粗糙有摩擦力，墙与土间的摩擦角为 ，且（ ）,4. 平面滑裂面假设；当墙面向前或向后移动，使墙后填土达到破坏

9、时，填土将沿两个平面同时下滑或上滑；一个是墙背AB面，另一个是土体内某一滑动面BC。设BC面与水平面成角。5. 刚体滑动假设：将破坏土楔ABC视为刚体，不考虑滑动楔体内部的应力和变形条件。6. 楔体ABC整体处于极限平衡条件，见图7-7。,（二）取滑动楔体ABC为隔离体进行受力分析分析可知：作用于楔体ABC上的力有（1）土体ABC的重量W，（2）下滑时受到墙面AB给予的支撑反力E（其反方向就是土压力）。（3）BC面上土体支撑反力R。1根据楔体整体处于极限平衡状态的条件，可得知E、R的方向，见图7-7。2根据楔体应满足静力平衡力三角形闭合的条件，可知E、R的大小3求极值，找出真正滑裂面，从而得出

10、作用在墙背上的总主动压力Ea和被动压力Ep。,一、主动土压力,按库伦理论求主动土压力,W,R,E,W,R,E,A,C,B,利用正弦定律可得,库伦主动土压力的一般表达式：,或,Emax所对应的挡土墙后填土的破坏角 cr，即为真正滑动面的倾角。,二、被动土压力,按库伦理论求被动土压力,W,R,E,W,R,E,A,C,B,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：,或,三、土压力计算方法的一些问题朗肯理论与库伦理论的比较,1.朗肯土压力理论： （1）依据：半空间的应力状态和土的极限平衡条件 （2）概念明确、计算简单、使用方便 （3）理论假设条件 （4）理论公式直接适用于粘性土和无粘性土

11、（5）由于忽略了墙背与填土之间的摩擦，主动土压 力偏大，被动土压力偏小。,2.库伦土压力理论： （1）依据：墙后土体极限平衡状态、楔体的静力平 衡条件 （2）理论假设条件 （3）理论公式仅直接适用于无粘性土 （4）考虑了墙背与土之间的摩擦力，并可用于墙背 倾斜，填土面倾斜的情况。但库伦理论假设破 裂面是一平面，与按滑动面为曲面的计算结果 有出入。,第五节 几种常见情况的土压力,一、成层土层的压力墙后填土由性质不同的土层组成时，土压力将受到不同填土体性质的影响。下图：墙后填土为无粘性土时土压力分布图,二、墙后填土中有地下水位当墙后填土中有地下水位时，计算土压力时，在地下水位以下的 应用 。同时地

12、下水对土压力产生影响，主要表现为：（1）地下水位以下，填土重量将因受到水的浮力而减少；（2）地下水对填土的强度指标C中的影响，一般认为对砂性土的影响可以忽略；但对粘性填土，地下水使C， 值减小，从而使土压力增大。（3）地下水对墙背产生静水压力作用。,填土内有地下水的情况,作用在挡土墙上的总压力应为总土压力与水压力之和。,三、填土表面有荷载作用（一）连续均匀荷载1当挡土墙墙背垂直，在水平面上有连续均布荷载q作用时。 (a)无粘性土 （b）粘性土,作用在墙背面的土压力Pa由三部分组成：（1）是由均布荷载q引起，常数，与z无关；（2）是由土重引起，与z成正比；（3）是由内聚力引起。,总土压力Ea为上

13、图a和b图形面积差。即：,（二）局部荷载作用若填土表面有局部荷载q作用时，见图7-15a和b所示，有两种情况，主动土压力可以按下述方法计算。,若填土表面的荷载是从墙后某一距离开始，见图7-15a，可自均布荷载起点O引2条直线OD和OE，OD与水平面夹角为，OE与填土的破坏面平行，与水平夹角为。OD和OE分别交墙背于D点和E点。当墙背垂直、光滑时，=45+/2；当墙背倾斜与粗糙时，则按库仑土压力计算，可参看有关公式。D点以上土压力不受均布荷载影响，只是由填土的自重引起。E点以下土压力则完全考虑受均布荷载影响。D、E两点间的土压力以直线连接。沿墙背AB上的土压力见图7-15a中阴影所示，阴影面积为

14、总土压力Ea，其作用点在阴影形心处。,若填土表面的均布荷载在一定范围内，见图7-15b所示，则从荷载的两个端点O、O引两条与破坏面平行的直线OD和OE,交墙背于D和E点。认为D点以上和E点以下的土压力都不受均布荷载的影响，D、E点之间的土压力则受均布荷载影响的土压力计算，作用于墙面的总土压力Ea分布见图7-15b所示的阴影所示，其作用点在阴影形心处。,土压力中作用点的求解,第六节 挡土墙设计,一、挡土墙类型挡土墙的设计包括墙型选择、稳定性验算、地基承载力验算、墙身材料强度验算以及一些设计中的构造要求和措施等。常用的挡土墙结构型式有重力式、悬臂式、扶壁式、锚杆及锚定板式和加筋土挡墙等。一般根据工

15、程需要、土质情况、材料供应、施工技术以及造价等因素合理地选择,挡土墙应用举例,扶壁式挡土墙图,锚杆式挡土墙,加筋土挡土墙,其他形式,一、挡土墙类型挡土墙就其结构型式可分为以下五种主要类型； (a) (b) (c ) (d) (e)(a)重力式挡土墙；(b)悬臂式挡土墙；(c)扶臂式挡土墙； (d)锚杆、锚定板式挡土墙；(e)板桩墙,(一)重力式挡土墙这种型式的挡土墙见上图 (a)所示，墙面暴露于外，墙背可以做成倾斜和垂直的。 (二)悬臂式挡土墙 悬臂式挡土墙一般用钢筋混凝土建造，它由三个悬臂板组成，即立臂、墙趾悬臂和墙踵悬臂，见上图 (b)所示。,(三)扶壁式挡土墙当墙后填土比较高时，为了增强

16、悬臂式挡土墙中立臂的抗弯性能，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，见上图 (c)所示。(四)锚定板与锚杆式挡土墙锚定板挡土墙由预制的钢筋混凝土立柱、墙面、钢拉杆和埋在填土中的锚定板在现场拼装而成。这种结构依靠填土与结构的相互作用力而维持其自身稳定。,(五)其他类型挡土墙混合式挡土墙,构架式挡土墙,板桩挡土墙,土工合成材料挡土墙,土钉,内撑挡土墙等。板桩墙是深基坑开挖的一种临时性支护结构，由统长的钢板桩或预制钢筋混凝土板桩组成。也可在板桩上加设支撑，以改善其受力性能见上图(e)。,挡土墙发生事故的例子,多瑙河码头岸墙滑动,二、挡土墙的计算,挡土墙的截面一般按试算法确定，即先根

17、据挡土墙所处的条件(工程地质、填土性质以及墙体材料和施工条件等)凭经验初步拟定截面尺寸，然后进行挡土墙的验算，如不满足要求，则应改变截面尺寸或采用其它措施。挡土墙的计算通常包括下列内容：稳定性验算;地基的承载力验算;墙身强度验算。,(一) 稳定性验算挡土墙的稳定性破坏通常有两种形式，一种是在主动土压力作用下外倾，对此应进行抗倾覆稳定性验算，另一种是在土压力作用下沿基底外移，需进行抗滑动稳定性验算。,1 抗倾覆稳定性验算,如图7-17，在土压力作用下墙将绕墙趾O点向外转动而失稳。将Ea分解成水平及垂直两个分力。水平分力Eax使墙发生倾覆；垂直分力Eaz及墙重力G抵抗倾覆。按下式验算抗倾覆稳定性：

18、,2 抗滑动稳定性验算,如图7-18将土压力Ea及墙重力G各分解成平行及垂直于基底的两个分力(Eat、Ean及Gt、Gn)。分力Ean使墙沿基底平面滑移，Ean及Gn产生磨擦力抵抗滑移，抗滑移稳定性应按下式计算：,(二)地基的承载力验算地基的承载力验算，一般偏心荷载作用下基础的计算方法相同，即要求同时满足基底平均应力Pf和基底最大压应力Pmax1.2f(f为持力层地基承载力设计值)。,(三)墙身强度验算墙身强度验算应根据墙身材料分别按砌体结构、素混凝土结构或钢筋混凝土结构的有关计算方法进行。,三、重力式挡土墙的体型选择和构造措施包括以下几个方面：(一)选择墙背倾斜的型式；(二) 墙面坡度的选择

19、 ；（三）基底逆坡坡度；（四）墙趾台阶和墙顶底宽度的确定；（五） 排水措施；（六） 填土质量要求,(一)墙背倾斜的型式重力式挡土墙按墙背倾斜方向可分为仰斜(90)、直立(90)和俯斜(90)三种型式，如图7-19所示。对于墙背不同倾斜方向的挡土墙，如用相同的计算方法和计算指标进行计算，其主动土压力以仰斜为最小，直立居中，俯斜最大。因此，就墙背所受的主动土压力而言，仰斜墙背较为合理。,如在开挖临时边坡以后筑墙，采用仰斜墙背可与边坡紧密贴合，而俯斜墙则须在墙背回填土，因此仰斜墙比较合理。反之，如果在填方地段筑墙，仰斜墙背填土的夯实比俯斜墙或直立墙困难见图7-19a，此时，俯斜墙和直立墙比较合理。,

20、从墙前地形的陡缓看，当较为平坦时，用仰斜墙背较为合理。如墙前地形较陡，则宜用直立墙，因为俯斜墙的土压力较大，而用仰斜墙时，为了保证墙趾与墙前土坡面之间保持一定距离，就要加高墙身见图7-16c，使砌筑工程量增加。 因此，墙背的倾斜型式应根据使用要求、地形和施工等情况综合考虑确定。,(二) 墙面坡度的选择 当墙前地面较陡时，墙面坡可取1:0.051:0.2，亦可采用直立的截面。在墙前地形较为平坦时，对于中、高挡土墙，墙面坡度可较缓，但不宜缓于1:0.4，以免增高墙身或增加开挖宽度。仰斜墙背坡度愈缓，主动土压力愈小，但为了避免施工困难，仰斜墙背坡度一般不宜缓于1：0.25，墙面坡应尽量与墙背坡平行。

21、,（三）基底逆坡坡度在墙体稳定性验算中，滑动稳定常比倾覆稳定不易满足要求，为了增加墙身的抗滑稳定性，将基底做成逆坡是一种有效方法(图7-19a)。但是基底逆坡过大，可能使墙身连同基底下的一块三角形土体一起滑动，因此，一般土质地基的基底逆坡不宜大于0.1:1，对岩石地基一般不宜大于0.2：1。,（四）墙趾台阶和墙顶底宽度当墙高较大时，基底压力常常是控制截面的重要因素。为了使基底压力不超过地基承载力设计值，可加墙趾台阶，以便扩大基底宽度，这对墙的倾覆稳定也是有利的。墙趾台阶的高宽比可取h:=2:1，不得小于20cm，此外，基底法向反力的偏心距应满足b1/4的条件(b1为无台阶时的基底宽度)。挡土墙

22、的顶宽如无特殊要求，对于一般块石挡土墙不应小于0.5m，对于混凝土挡土墙最小可为0.20.4m，混凝土墙不宜小于0.2m；砌石挡土墙顶宽不宜小于0.4m。基底宽约为墙高的1/21/3。,（五） 排水措施挡土墙必须有良好的排水设施，以免墙后填土因积水而造成地基松软，从而导致承载力不足。若填土冻胀，则会使挡土墙开裂或倒塌。故常沿墙长设置间距为23m，直径不小于100mm的泄水孔。墙后做好滤水层和必要的排水盲沟，在墙顶地面铺设防水层。当墙后有山坡时，还应在坡下设置截水沟见图7-19 。挡土墙应每隔1020m设置伸缩缝。,挡土墙所在地段往往由于排水不良，大量雨水经墙后填土下渗，结果使墙后土的抗剪强度降

23、低，重度增高，土压力增大，有的还受水的渗流或静水压力影响，在一定条件下，或因土压力过大，或因地基软化，结果造成挡土墙的破坏。据某地区挡土墙调查表明，仅1966年由于排水不良或未作排水处理而发生挡土墙破坏的有十多处，为当地发生事故的70-80。,（六） 填土质量要求挡土墙的回填土料应尽量选择透水性较大的土，例如砂土，砾石，碎石等，因为这类土的抗剪强度较稳定，易于排水。不应采用淤泥，耕植土、膨胀性粘土等作为填料，填土料中还不应杂有大的冻结土块、木块或其它杂物。,实际上所遇到的大多数回填土都多少含有一定的粘性土，这时应适当混以块石。对于重要的、高度较大的挡土墙，用粘土作回填土料是不合适的，因为粘性土

24、的性能不稳定，在干燥时体积收缩，而在雨季时膨胀，由于回填土的交错收缩与膨胀可在挡土墙上产生较大的侧压力。这种侧压力在设计中往往无法考虑，其数值还可能比计算压力大许多倍，它可使挡土墙外移，甚至使挡土墙失去作用。在工程中曾有因粘性土作为填料而引起的事故。填土压实质量是挡土墙施工中的一个关键问题。填土时应分层夯实。,浆砌石抗滑挡土墙结构示意图,关 键 概 念,土压力类型；朗肯土压力和常见情况下土压力大小、方向、作用点的计算。,思 考 题,7-1影响挡土墙土压力的因素有哪些？7-2何谓主动土压力、静止土压力和被动土压力？三者之间有何关系？7-3朗肯土压力理论和库仑土压力理论的假定条件是什么？7-4挡土

25、墙上的土压力有哪几种，分别叙述其定义。7-5挡土墙的墙背垂直光滑，墙后填土面水平，试定性绘出下列情况的墙背主动土压力分布：（1）填土为均质砂或均质粘土；（2）填土为粘土，地下水在1/2墙高处；（3）填土上半层为砂土，填土下半层有均匀粘土；（4）填土为均质砂土，填土面有均匀连续荷载；（5）填土为均质粘土，填土面有均匀连续荷载。,7-6试分析刚性挡土墙产生位移时，墙后土体中应力状态的变化。7-7填土内摩擦角的大小对土压力的大小有何影响。7-8墙背的粗糙程度、填土排水条件的好坏对主动土压力的大小有什么影响。7-9绘图分析作用在挡土墙背上主动土压力的方向和作用点位置。7-10绘图分析作用在挡土墙背上被动土压力的方向和作用点位置。下半层？,思 考 题,