第八章 土壓力和擋土墻.ppt

土力學(xué) 王曉鵬 土木學(xué)院 2010年 2011年第一學(xué)期 第八章土壓力和擋土墻 第八章土壓力和擋土墻 第一節(jié)擋土墻上的土壓力及工程應(yīng)用 擋土墻是防止土體 天然土坡或人工斜坡 坍塌的構(gòu)筑物 如 支撐建筑物周?chē)钔恋膿跬翂?地下室側(cè)墻 橋臺(tái)以及貯藏粒狀材料的擋墻等 土壓力 擋土墻后的填土因自重或外荷載作用對(duì)墻背產(chǎn)生的側(cè)向壓力 土壓力按擋土墻可能位移的方向及墻后填土所處應(yīng)力狀態(tài)又分為主動(dòng)土壓力 被動(dòng)土壓力和靜止土壓力 土壓力是進(jìn)行擋土墻斷面設(shè)計(jì)和穩(wěn)定驗(yàn)算的重要荷載 第八章土壓力和擋土墻 一 土壓力的類(lèi)型 第八章土壓力和擋土墻 土壓力的大小和分布規(guī)律不僅與擋土墻的高度 填土的性質(zhì)有關(guān) 還與擋土墻的剛度及其位移密切相關(guān) 1 靜止土壓力 當(dāng)擋土墻靜止不動(dòng) 墻后土體處于彈性平衡狀態(tài) 此時(shí)墻后土體作用在墻背上的土壓力稱(chēng)為靜止土壓力 第八章土壓力和擋土墻 2 主動(dòng)土壓力 在土壓力作用下 擋土墻離開(kāi)土體向前位移至一定數(shù)值 墻后土體達(dá)到主動(dòng)極限平衡狀態(tài)時(shí) 作用在墻背的土壓力減至最小 稱(chēng)為主動(dòng)土壓力 3 被動(dòng)土壓力 墻推土 在外力作用下 擋土墻推擠土體向后位移至一定數(shù)值 墻后土體達(dá)到被動(dòng)極限平衡狀態(tài)時(shí) 作用在墻背的土壓力增至最大 稱(chēng)為被動(dòng)土壓力 4 三種土壓力之間的關(guān)系 對(duì)同一擋土墻 在填土的物理力學(xué)性質(zhì)相同的條件下有以下規(guī)律 1 Ea Eo Ep2 p a 第八章土壓力和擋土墻 二 影響土壓力的因素 1 擋土墻的位移 擋土墻的位移的方向和大小決定了土壓力的性質(zhì) 2 擋土墻形狀 擋土墻形狀 墻背為直立或傾斜 墻背為光滑或粗糙 將影響土壓力的大小 3 填土的性質(zhì) 4 擋土墻的材料 影響墻背的光滑程度 第八章土壓力和擋土墻 第二節(jié)靜止土壓力 靜止土壓力發(fā)生在擋土墻為剛性 墻體不發(fā)生任何位移的情況下 填土表面下任意深度處的靜止土壓力 靜止土壓力系數(shù) 砂土 0 25 0 42 粘性土 0 5 0 8 或 第八章土壓力和擋土墻 沿墻長(zhǎng)度方向取1延米 作用在擋土墻上的總靜止土壓力 合力作用點(diǎn)位于靜止土壓力三角形分布圖的重心 即H 3處 方向水平 第八章土壓力和擋土墻 第三節(jié)朗肯土壓力理論 一 基本假定和基本原理 1 基本假設(shè) 1 假設(shè)土體是半無(wú)限空間體 2 墻背直立光滑 2 基本原理 朗肯土壓力理論是根據(jù)半空間的應(yīng)力狀態(tài)和土的極限平衡條件而得出的土壓力計(jì)算方法 第八章土壓力和擋土墻 半空間在距地表z處取一單位微體M 當(dāng)整個(gè)土體都處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí) 各點(diǎn)都處于彈性平衡狀態(tài) 豎向應(yīng)力 水平向應(yīng)力 由于土體內(nèi)每一豎直面都是對(duì)稱(chēng)面 因此豎直截面和水平截面上的剪應(yīng)力都等于零 和都是主應(yīng)力 第八章土壓力和擋土墻 此時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)用莫爾圓表示為如圖所示的圓I 由于該點(diǎn)處于彈性平衡狀態(tài) 故莫爾圓沒(méi)有和抗剪強(qiáng)度包線相切 設(shè)想由于某種原因?qū)⑹拐麄€(gè)土體在水平方向均勻地伸展或壓縮 使土體由彈性平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)為極限平衡狀態(tài) 第八章土壓力和擋土墻 如果土體在水平方向伸展 則M單元在水平截面上的法向應(yīng)力不變而豎直截面上的法向應(yīng)力卻逐漸減少 直至滿(mǎn)足極限平衡條件為止 稱(chēng)為主動(dòng)朗肯狀態(tài) 此時(shí)達(dá)最低限值 因此 是小主應(yīng)力 而是大主應(yīng)力 并且莫爾圓與抗剪強(qiáng)度包線相切 如圖4 5 b 圓 所示 朗肯設(shè)想用墻背直立光滑的擋土墻代替半空間左邊的土 如果墻背與土的接觸面上滿(mǎn)足剪應(yīng)力為零的邊界應(yīng)力條件以及產(chǎn)生主動(dòng)或被動(dòng)朗肯狀態(tài)的邊界變形條件 則墻后土體的應(yīng)力狀態(tài)不變 由此可以推導(dǎo)出主動(dòng)和被動(dòng)土壓力計(jì)算公式 如果土體在水平方向壓縮 不斷增加而卻仍保持不變 直到滿(mǎn)足極限平衡條件 稱(chēng)為被動(dòng)朗肯狀態(tài) 時(shí)達(dá)最大限值 這時(shí)是大主應(yīng)力而是小主應(yīng)力 莫爾圓為圖4 5 b 中的圓 第八章土壓力和擋土墻 二 主動(dòng)土壓力 主動(dòng)土壓力強(qiáng)度 或 無(wú)粘性土 粘性土 或 無(wú)粘性土的主動(dòng)土壓力強(qiáng)度與z成正比 沿墻高的壓力分布為三角形 如圖所示 如取單位墻長(zhǎng)計(jì)算 則主動(dòng)土壓力為 主動(dòng)土壓力系數(shù) 第八章土壓力和擋土墻 通過(guò)三角形的形心 即作用在離墻底H 3處 第八章土壓力和擋土墻 粘性土的主動(dòng)土壓力強(qiáng)度包括兩部分 一部分是由土自重引起的土壓力 另一部分是由粘聚力c 引起的負(fù)側(cè)壓力 這兩部分土壓力疊加的結(jié)果如圖所示 其中ade部分是負(fù)側(cè)壓力 對(duì)墻背是拉力 但實(shí)際上墻與土在很小的拉力作用下就會(huì)分離 故在計(jì)算土壓力時(shí) 這部分應(yīng)略去不計(jì) 因此粘性土的土壓力分布僅是abc部分 a點(diǎn)離填土面的深度常稱(chēng)為臨界深度 在填土面無(wú)荷載的條件下 可令公式為零求得值 即 得 如取單位墻長(zhǎng)計(jì)算 則主動(dòng)土壓力為 粘性土的主動(dòng)土壓力通過(guò)在三角形壓力分布圖abc的形心 即作用在離墻底處 三 被動(dòng)土壓力 被動(dòng)土壓力強(qiáng)度 無(wú)粘性土 或 第八章土壓力和擋土墻 粘性土 或 被動(dòng)土壓力系數(shù) 無(wú)粘性土的被動(dòng)土壓力強(qiáng)度呈三角形分布 粘性土的被動(dòng)土壓力強(qiáng)度則呈梯形分布 如取單位墻長(zhǎng)計(jì)算 則被動(dòng)土壓力可由下式計(jì)算 無(wú)粘性土 粘性土 被動(dòng)土壓力 通過(guò)三角形或梯形壓力分布圖的形心 五 常見(jiàn)情況的土壓力計(jì)算 1 填土表面作用均布荷載 是將均布荷載換算成當(dāng)量的土重 即用假想的土重代替均布荷載 當(dāng)填土面水平時(shí) 當(dāng)量的土層厚度為 以無(wú)粘性土為例 則填土面A點(diǎn)的主動(dòng)土壓力強(qiáng)度 第八章土壓力和擋土墻 第八章土壓力和擋土墻 墻底B點(diǎn)的土壓力強(qiáng)度 2 墻后填土中有地下水 當(dāng)墻后填土有地下水時(shí) 作用在墻背上的側(cè)壓力有土壓力和水壓力兩部分 計(jì)算土壓力時(shí)假設(shè)地下水位上下土的內(nèi)摩擦角和墻與土之間的摩擦角相同 第八章土壓力和擋土墻 以無(wú)粘性土為例 水壓力 3 成層填土情況 圖示擋土墻 墻后有幾層不同種類(lèi)的水平土層 在計(jì)算土壓力時(shí) 第一層的土壓力按均質(zhì)土計(jì)算 計(jì)算第二層土壓力時(shí) 將第一層土按重度換算成與第二層土相同的當(dāng)量土層 即其當(dāng)量土層厚度為 然后以為墻高 第八章土壓力和擋土墻 按均質(zhì)土計(jì)算土壓力 但只在第二層土層厚度范圍內(nèi)有效 由于各土層的性質(zhì)不同 主動(dòng)土壓力系數(shù)也不同 A點(diǎn) B點(diǎn)上界面 B點(diǎn)下界面 C點(diǎn)上界面 C點(diǎn)下界面 D點(diǎn) 第八章土壓力和擋土墻 某點(diǎn)的主動(dòng)土壓力強(qiáng)度等于該點(diǎn)的豎向應(yīng)力 相應(yīng)土層的主動(dòng)土壓力系數(shù) 若為粘性土減去 有均布荷載下的臨界深度 第八章土壓力和擋土墻 第四節(jié)庫(kù)侖土壓力理論 庫(kù)倫土壓力理論是根據(jù)墻后土體處于極限平衡狀態(tài)并形成一滑動(dòng)楔體時(shí) 從楔體的靜力平衡條件得出的土壓力計(jì)算理論 一 基本假定 1 墻后的填土是理想的散粒體 無(wú)粘聚力 2 滑動(dòng)破壞面為通過(guò)墻踵的平面 二 主動(dòng)土壓力 第八章土壓力和擋土墻 當(dāng)墻向前移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)而使墻后土體沿某一破壞面BC破壞時(shí) 土楔ABC向下滑動(dòng)而處于主動(dòng)極限平衡狀態(tài) 此時(shí) 作用于土楔ABC上的力有 1 重力W由土楔體ABC引起 根據(jù)幾何關(guān)系可得 利用正弦定理 第八章土壓力和擋土墻 2 反力為破裂面BC上土楔體重力的法向分力與該面土體間的摩擦力的合力 其作用于BC面上 與BC面法線的夾角等于土的內(nèi)摩擦角 當(dāng)楔體下滑時(shí) 位于法線的下側(cè) 3 墻背反力其與墻背AB法線的夾角為 土楔體在以上三力作用下處于靜力平衡狀態(tài) 因此必構(gòu)成一閉合的力矢三角形 按正弦定律可得 第八章土壓力和擋土墻 其中 是的函數(shù) 最大值即為墻背上的主動(dòng)土壓力 庫(kù)倫主動(dòng)土壓力的一般表達(dá)式 庫(kù)倫主動(dòng)土壓力系數(shù) 式8 5 5 當(dāng)墻背直立 光滑 填土面水平 時(shí) 可見(jiàn) 朗肯理論是庫(kù)侖理論的特殊情況 第八章土壓力和擋土墻 沿墻高的土壓力分布強(qiáng)度 可通過(guò)對(duì)求導(dǎo) 可見(jiàn) 主動(dòng)土壓力分布強(qiáng)度沿墻高成三角形分布 土壓力合力的作用點(diǎn)離墻底h 3 方向與墻面的法線成角 三 被動(dòng)土壓力 當(dāng)墻受外力作用推向填土 直至土體沿某一破裂面BC破壞時(shí) 土楔ABC向上滑動(dòng) 并處于被動(dòng)極限平衡狀態(tài) 此時(shí)土楔ABC在其自重W和反力R和E的作用下平衡 R和E的方向都分別在BC和AB面法線的上方 按上述求主動(dòng)土壓力同樣的原理可求得被動(dòng)土壓力的庫(kù)倫公式為 第八章土壓力和擋土墻 庫(kù)倫被動(dòng)土壓力系數(shù) 式8 5 7 當(dāng)墻背直立 光滑 填土面水 可見(jiàn) 朗肯理論是庫(kù)侖理論的特殊情況 沿墻高的土壓力分布強(qiáng)度 可通過(guò)對(duì)求導(dǎo) 第八章土壓力和擋土墻 可見(jiàn) 被動(dòng)土壓力分布強(qiáng)度沿墻高成三角形分布 土壓力合力的作用點(diǎn)離墻底h 3 方向與墻面的法線成角 四 粘性土的庫(kù)侖土壓力理論 庫(kù)侖土壓力理論只適用于無(wú)粘性填土 近年來(lái)許多學(xué)者在庫(kù)侖理論的基礎(chǔ)上 計(jì)入了墻后填土面超載 填土粘聚力 填土與墻背間的粘結(jié)力以及填土表面附近的裂縫深度等因素的影響 提出了所謂 廣義庫(kù)侖理論 主動(dòng)土壓力系數(shù) 第八章土壓力和擋土墻 五 地基規(guī)范 推薦公式 規(guī)范推薦采用 廣義庫(kù)侖理論 解答 但不計(jì)表面裂縫深度及填土與墻背間的粘結(jié)力 主動(dòng)土壓力系數(shù) 例題 第八章土壓力和擋土墻 第五節(jié)擋土墻設(shè)計(jì) 一 擋土墻的類(lèi)型 常用的擋土墻型式有重力式 懸臂式 扶壁式 錨桿及錨定板式和加筋土擋墻等 1 重力式擋土墻 由塊石砌筑或素混凝土澆筑而成 靠自身重力維持穩(wěn)定 墻體抗拉 抗剪強(qiáng)度都較低 墻身截面尺寸大 一般用于小型擋土墻 第八章土壓力和擋土墻 2 懸臂式擋土墻 采用鋼筋混凝土 由立臂 墻趾懸臂和墻踵懸臂三塊懸臂板組成 靠墻踵懸臂上的土重維持穩(wěn)定 墻體內(nèi)拉應(yīng)力由鋼筋承擔(dān) 墻身截面尺寸小 充分利用材料特性 多用于市政工程及儲(chǔ)料倉(cāng)庫(kù) 3 扶壁式擋土墻 當(dāng)墻高大于10m時(shí) 擋土墻立壁撓度較大 為了增強(qiáng)立壁的抗彎性能 常沿墻的縱向每隔一定距離 0 3 0 6 h 設(shè)置一道扶壁 墻體穩(wěn)定靠扶壁間填土重維持 一般用于重要的大型工程 4 錨定板式與錨桿式擋土墻 由預(yù)制鋼筋混凝土面板 立柱 鋼拉桿和埋在土中錨定板組成 依靠填土與結(jié)構(gòu)的相互作用力維持自身穩(wěn)定 為了維持錨定板擋土結(jié)構(gòu)的內(nèi)力平衡 必須保證錨定板擋土結(jié)構(gòu)周邊的整體穩(wěn)定和土的摩擦阻力大于由土自重和超載引起的土壓力 錨桿式擋土墻是利用嵌入堅(jiān)實(shí)巖層的灌漿錨桿作為拉桿的一種擋土結(jié)構(gòu) 5 其他型式的擋土結(jié)構(gòu) 混合式擋土墻 構(gòu)架式擋土墻 板樁墻 加筋土擋土墻 土工合成材料擋土墻 第八章土壓力和擋土墻 二 擋土墻的計(jì)算 擋土墻計(jì)算內(nèi)容 1 穩(wěn)定性驗(yàn)算 包括抗傾覆和抗滑移穩(wěn)定驗(yàn)算 2 地基的承載力驗(yàn)算 3 墻身強(qiáng)度驗(yàn)算 應(yīng)根據(jù)墻身材料分別按砌體結(jié)構(gòu) 混凝土結(jié)構(gòu)的有關(guān)計(jì)算方法進(jìn)行 1 抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算 擋土墻在土壓力作用下可能繞墻趾O點(diǎn)向外傾覆 要求抗傾覆安全系數(shù)不小于1 6 第八章土壓力和擋土墻 其中 驗(yàn)算結(jié)果不滿(mǎn)足公式要求 可按以下措施處理 o 1 增大擋土墻斷面尺寸 使自重G增大 以增大抗傾覆力矩 這一方法增加較多的工程量 不經(jīng)濟(jì) 2 伸長(zhǎng)墻趾 如墻趾過(guò)長(zhǎng) 需配置鋼筋 3 將墻背做成仰斜 可減小土壓力 但施工不方便 4 做卸荷臺(tái) 如圖所示 位于擋土墻豎向墻背上 形如牛腿 卸荷臺(tái)以上的土壓力 不能傳到卸荷臺(tái)以下 土壓力呈兩個(gè)小三角形 因而減小了總的土壓力 減小了傾覆力矩 第八章土壓力和擋土墻 2 抗滑穩(wěn)定性驗(yàn)算 擋土墻在土壓力作用下可能沿基礎(chǔ)底面發(fā)生滑動(dòng) 在滑動(dòng)穩(wěn)定性驗(yàn)算中 將G和都分解為垂直和平行于基底的分力 抗滑力與滑動(dòng)力之比稱(chēng)為抗滑安全系數(shù)應(yīng)符合下式要求 第八章土壓力和擋土墻 土對(duì)擋土墻基底的摩擦系數(shù) 按試驗(yàn)確定 或表8 8 1 若驗(yàn)算不滿(mǎn)足公式要求 則應(yīng)采取以下措施來(lái)解決 1 修改擋土墻斷面尺寸 增加墻自重G 以增大抗滑力 2 在擋土墻基底鋪砂 碎石墊層 提高 值 增大抗滑力 3 將擋土墻基底做成逆坡 利用滑動(dòng)面上部分反力抗滑 4 在軟土地基上 抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)相差很小 采取其它方法無(wú)效或不經(jīng)濟(jì)時(shí) 可在擋土墻踵后面加鋼筋混泥土拖板 利用拖板上的填土重增大抗滑力 拖板和擋土墻之間用鋼筋連接 第八章土壓力和擋土墻 三 重力式擋土墻的構(gòu)造措施 1 墻背傾斜形式 重力式擋土墻按墻背傾斜方向分為仰斜 直立和俯斜三種形式 三種形式應(yīng)根據(jù)使用要求 地形和施工情況綜合確定 2 擋土墻截面尺寸 E1 E2 E3 第八章土壓力和擋土墻 砌石擋土墻頂寬不小于0 5m 混凝土墻可縮小為0 20m 0 40m 重力式擋土墻基礎(chǔ)底