土壓力、地基承載力與邊坡穩(wěn)定

1、1土力學(xué)與地基基礎(chǔ)講座貴州大學(xué)土木建筑工程學(xué)院貴州大學(xué)土木建筑工程學(xué)院巖土工程教研室?guī)r土工程教研室2擋土結(jié)構(gòu)物上的土壓力3概述 在港口、水利、路橋及房屋建筑等工程中，擋土結(jié)構(gòu)物（擋土墻）是一種常見的建筑物。 擋土結(jié)構(gòu)物的作用是用來(lái)?yè)踝蟮奶钔敛⒊惺軄?lái)自填土的壓力。 土體作用在擋土結(jié)構(gòu)物上的壓力稱為土壓力 本章的任務(wù)是討論土壓力的大小和分布規(guī)律的確定方法4概述5概述6概述7概述8概述9概述10概述11位移對(duì)土壓力的影響及三種土壓力 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關(guān)系密切主動(dòng)被動(dòng)12位移對(duì)土壓力的影響及三種土壓力 靜止土壓力 E0 擋土墻為剛性不

2、動(dòng)時(shí)，土處于靜止?fàn)顟B(tài)不產(chǎn)生位移和變形，此時(shí)作用在擋土墻上的土壓力。 主動(dòng)土壓力 Ea 擋土墻背離填土方向轉(zhuǎn)動(dòng)或移動(dòng)時(shí)，隨著位移量的逐漸增加，墻后土體受到的土壓力逐漸減小，當(dāng)墻后填土達(dá)到極限平衡狀態(tài)時(shí)，土壓力降為最小值，這是作用在擋土墻上的土壓力。 被動(dòng)土壓力 Ep 擋土墻向著填土方向轉(zhuǎn)動(dòng)或移動(dòng)時(shí)，隨著位移量的逐漸增加，墻后土體受到擠壓而引起土壓力逐漸增大，當(dāng)墻后填土達(dá)到極限平衡狀態(tài)時(shí)，土壓力增大為最大值，這是作用在擋土墻上的土壓力。13靜止土壓力計(jì)算 靜止土壓力只發(fā)生在擋土墻為剛性，強(qiáng)體不發(fā)生任何位移的情況，實(shí)際工程中，作用在深基礎(chǔ)側(cè)墻或者U形橋臺(tái)上土壓力，可近似看作靜止土壓力。 按照水平向自

3、重應(yīng)力的計(jì)算公式確定14靜止土壓力計(jì)算 若墻后填土為均勻體，則單位面積上靜止土壓力為靜止土壓力合力為1/3H15靜止土壓力計(jì)算 若墻后填土中有地下水，則計(jì)算靜止土壓力時(shí)，水中土的重度應(yīng)取浮重度形心1/3H216靜止土壓力計(jì)算 靜止土壓力計(jì)算的關(guān)鍵是靜止側(cè)壓力系數(shù)的確定。K0可由室內(nèi)的或現(xiàn)場(chǎng)的靜止側(cè)壓力試驗(yàn)來(lái)測(cè)定。 對(duì)于砂或正常固結(jié)的粘土，可根據(jù)有效內(nèi)摩擦角來(lái)確定17朗肯土壓力理論 Rankine土壓力理論和Coulomb土壓力理論是計(jì)算主動(dòng)土壓力和被動(dòng)土壓力的兩種基本理論。18Rankine土壓力理論的基本原理和基本假定 基本原理 認(rèn)為墻后填土達(dá)到極限平衡狀態(tài)時(shí)，與墻背接觸的任一土單元體都處于

4、極限平衡狀態(tài)，然后根據(jù)土單元體處于極限平衡狀態(tài)時(shí)應(yīng)力所滿足的條件來(lái)建立土壓力的計(jì)算公式 基本假定 土體是具有水平表面的半無(wú)限體，墻背豎直光滑，采用這樣假定的目的是控制墻后單元體在水平和豎直方向的主應(yīng)力方向。19Rankine土壓力理論的基本原理和基本假定20Rankine土壓力理論的基本原理和基本假定tg cfAO主動(dòng)狀態(tài)被動(dòng)狀態(tài)xmin=eax=K0zzxmax=ep21Rankine土壓力理論的基本原理和基本假定22Rankine主動(dòng)土壓力計(jì)算 基本計(jì)算公式（58）朗肯理論的主動(dòng)土壓力系數(shù)23無(wú)粘性土的主動(dòng)土壓力計(jì)算24無(wú)粘性土的主動(dòng)土壓力計(jì)算25粘性土的主動(dòng)土壓力計(jì)算ea=026粘性土的

5、主動(dòng)土壓力計(jì)算有均布荷載時(shí)粘性土的主動(dòng)土壓力27粘性土的主動(dòng)土壓力計(jì)算有荷載出現(xiàn)拉力區(qū)不出現(xiàn)拉力區(qū)28Rankine被動(dòng)土壓力計(jì)算 基本計(jì)算公式（58）29無(wú)粘性土被動(dòng)土壓力的計(jì)算30無(wú)粘性土被動(dòng)土壓力的計(jì)算31粘性土被動(dòng)土壓力的計(jì)算32粘性土被動(dòng)土壓力的計(jì)算33填土中有地下水時(shí)的土壓力計(jì)算 當(dāng)墻后填土中有水時(shí)，需考慮地下水位以下的填土由于浮力作用使有效重量減輕引起的土壓力減小，水下填土部分采用浮容重進(jìn)行計(jì)算。 在計(jì)算作用在墻背上的總壓力中應(yīng)包括水壓力的作用。34填土中有地下水時(shí)的土壓力計(jì)算35填土為成層土?xí)r的土壓力計(jì)算 由于各層填土重度不同，使得填土豎向應(yīng)力分布在土層交界面上出現(xiàn)轉(zhuǎn)折 由于各

6、層填土粘聚力和內(nèi)摩擦角不同，所以在計(jì)算主動(dòng)或被動(dòng)土壓力系數(shù)時(shí)，需采用計(jì)算點(diǎn)所在土層的粘聚力和內(nèi)摩擦角36填土為成層土?xí)r的土壓力計(jì)算37庫(kù)侖土壓力理論 以整個(gè)滑動(dòng)土體上力的平衡條件來(lái)確定土壓力填土ABDCE38無(wú)粘性土主動(dòng)土壓力的計(jì)算39無(wú)粘性土主動(dòng)土壓力的計(jì)算正弦定律計(jì)算自重40無(wú)粘性土主動(dòng)土壓力的計(jì)算 主動(dòng)土壓力是假定一系列破壞面計(jì)算出的土壓力中的最大值41無(wú)粘性土主動(dòng)土壓力的計(jì)算42無(wú)粘性土被動(dòng)土壓力的計(jì)算43無(wú)粘性土被動(dòng)土壓力的計(jì)算W代入44無(wú)粘性土被動(dòng)土壓力的計(jì)算當(dāng)擋土墻向填土方向擠壓時(shí)，最危險(xiǎn)滑動(dòng)面上的P值一定是最小的，因?yàn)榇藭r(shí)滑動(dòng)土體所受阻力最小，最容易被向上推出，所以作用在墻背上

7、的被動(dòng)土壓力EP值，應(yīng)是假定一系列破壞面上計(jì)算出的土壓力最小值Pmin45庫(kù)爾曼圖解法 上述的庫(kù)侖土壓力計(jì)算是基于填土表面為平面的假定建立的，若填土的表面不是平面，而是折線或曲線時(shí)，就不能應(yīng)用前述解析解直接計(jì)算，此時(shí)可以用圖解法。46庫(kù)爾曼圖解法47庫(kù)爾曼圖解法填土FAL90-0C1W1n1m148有超載所用時(shí)的土壓力計(jì)算 在建立滑動(dòng)土體的主動(dòng)或被動(dòng)極限平衡條件時(shí)，需增加一個(gè)方向豎直向下的力的作用，其大小等于q與滑塊表面長(zhǎng)度的乘積49有超載所用時(shí)的土壓力計(jì)算50有超載所用時(shí)的土壓力計(jì)算51粘性填土的土壓力 粘性填土與無(wú)粘性填土相比，抗剪強(qiáng)度中包括粘聚力的貢獻(xiàn)，因此采用庫(kù)侖土壓力理論對(duì)滑動(dòng)塊體進(jìn)

8、行受力分析時(shí)，當(dāng)墻后填土達(dá)到極限平衡狀態(tài)時(shí)，力矢多邊形需考慮墻背面和滑動(dòng)面上粘聚力。 粘性填土的庫(kù)侖土壓力確定可采用試算圖解法52粘性填土的土壓力 對(duì)于工程實(shí)際中粘性填土問(wèn)題，往往采用等代內(nèi)摩擦角法，不直接考慮粘性填土粘聚力的影響，而是用一個(gè)等代內(nèi)摩擦角來(lái)代替粘土的兩個(gè)強(qiáng)度指標(biāo)，然后再按無(wú)粘性填土問(wèn)題求解。53填土中有地下水時(shí)土壓力的計(jì)算 在計(jì)算水下土體重量時(shí)，應(yīng)采用浮容重進(jìn)行計(jì)算。 考慮水的存在引起土的抗剪強(qiáng)度的降低 考慮水壓力的作用 如果墻后填土中有穩(wěn)定滲流，那么在建立滑動(dòng)土體靜力平衡條件時(shí)，還應(yīng)考慮滲流力的作用。54土壓力問(wèn)題的討論 朗肯與庫(kù)侖土壓力理論存在的主要問(wèn)題 三種典型土壓力理論

9、在實(shí)際工程中的應(yīng)用 擋土墻位移對(duì)土壓力分布的影響55朗肯與庫(kù)侖土壓力理論存在的主要問(wèn)題 朗肯理論基于土單元體的應(yīng)力極限平衡條件來(lái)建立，采用的假定是墻背豎直光滑，填土面為水平，其計(jì)算結(jié)果偏于保守。 庫(kù)侖土壓力理論基于滑動(dòng)塊體的靜力平衡條件來(lái)建立，采用的假定是破壞面為平面。但當(dāng)墻背與填土的摩擦角較大時(shí)，在土體中產(chǎn)生的滑動(dòng)面往往是一個(gè)曲面，會(huì)產(chǎn)生較大的誤差 被動(dòng)土壓力的計(jì)算常采用朗肯理論56朗肯與庫(kù)侖土壓力理論存在的主要問(wèn)題 在實(shí)際工程中，當(dāng)墻背傾斜角較大超過(guò)一定范圍后，滑動(dòng)塊體不會(huì)沿墻背滑動(dòng)，而是沿著途中某一平面滑動(dòng)，即產(chǎn)生所謂的第二滑裂面57三種典型土壓力在實(shí)際工程中的應(yīng)用58擋土墻位移對(duì)土壓力

10、分布的影響 擋土墻下端不動(dòng)，上端向外移動(dòng)，無(wú)論位移多少，作用在墻背上的壓力都按直線分布。當(dāng)墻上端的移動(dòng)達(dá)到一定數(shù)值后，墻后填土?xí)l(fā)生主動(dòng)破壞，此時(shí)作用在墻上的土壓力稱為主動(dòng)土壓力。59擋土墻位移對(duì)土壓力分布的影響 擋土墻上端不動(dòng)，下端向外移動(dòng)，無(wú)論位移達(dá)到多大，都不能使填土內(nèi)發(fā)生主動(dòng)破壞，壓力為曲線分布，總壓力作用點(diǎn)位移墻底以上越H/2處60擋土墻位移對(duì)土壓力分布的影響 擋土墻的上端和下端都向外移動(dòng)，當(dāng)位移的大小未達(dá)到足以使填土發(fā)生主動(dòng)破壞時(shí)，壓力也是稱為曲線分布，當(dāng)位移超過(guò)某一值后填土將發(fā)生主動(dòng)破壞，應(yīng)力成直線分布。61工程中擋土墻的土壓力計(jì)算 實(shí)際工程中所遇到的土壓力計(jì)算往往比較復(fù)雜，有時(shí)

11、不能直接用朗肯和庫(kù)侖土壓力理論求解，需要某種近似方法簡(jiǎn)化處理 填土表面有局部均布荷載時(shí)的土壓力計(jì)算 坦墻墻背上的土壓力 折線墻背面上的土壓力 開挖情況下的土壓力 地震時(shí)的土壓力62填土表面有局部均布荷載時(shí)的土壓力計(jì)算 均布荷載自墻后某一距離開始連續(xù)分布63填土表面有局部均布荷載時(shí)的土壓力計(jì)算 均布荷載分布在墻后某一寬度范圍內(nèi)64坦墻墻背上的土壓力65開挖情況下的土壓力66 擋土墻設(shè)計(jì) 本 節(jié) 提 要 本章著重介紹了重力式擋土墻、懸臂式擋土墻、扶壁式擋土墻的分析與設(shè)計(jì)方法，并簡(jiǎn)單介紹了加筋土擋土墻的構(gòu)造及設(shè)計(jì)方法。 擋土墻是防止土體坍塌的構(gòu)筑物，廣泛用于房屋建筑、水利、鐵路、公路和橋梁工程。 6

12、.2 擋土墻設(shè)計(jì)的基本原理 6.2.2 擋土墻設(shè)計(jì)的基本原則 擋土墻必須保證結(jié)構(gòu)安全正常使用，因此應(yīng)滿足以下要求：67 6.2.2 擋土墻設(shè)計(jì)的基本原則 擋土墻必須保證結(jié)構(gòu)安全正常使用，因此應(yīng)滿足以下要求： a.擋土墻不能滑移； b.擋土墻不能傾覆； c.擋土墻墻身要有足夠的強(qiáng)度； d.擋土墻的基礎(chǔ)要滿足承載力的要求。 根據(jù)工程要求以及地形地質(zhì)條件，確定擋土墻結(jié)構(gòu)的平面布置和高度，選擇擋土墻的類型及截面尺寸。 在滿足規(guī)范要求的前提下使擋土墻結(jié)構(gòu)與環(huán)境協(xié)調(diào)。 對(duì)擋土墻的施工提出指導(dǎo)性意見，為保證擋土墻的耐久性，在設(shè)計(jì)中應(yīng)對(duì)使用過(guò)程的維修給出相應(yīng)規(guī)定。68 6.3 重力式擋土墻設(shè)計(jì) 重力式擋土墻是

13、以擋土墻自身重力來(lái)維持擋土墻在力的作用下的平衡和穩(wěn)定。 圖6.3 三種重力式擋土墻69 6.3.1 重力式擋土墻的構(gòu)造 圖6.4 重力式擋土墻墻面與墻背構(gòu)造 圖6.5 重力式擋土墻截面構(gòu)造70 6.3.2 重力式擋土墻的設(shè)計(jì) (1)作用于擋土墻上的荷載 1)作用擋土墻上的荷載分類 2)荷載效應(yīng)組合 3)荷載計(jì)算 擋土墻自重71 動(dòng)水壓力 當(dāng)水流經(jīng)擋土墻時(shí)，由于流向流速的改變，水流將對(duì)擋土墻產(chǎn)生動(dòng)水壓力作用，一般可由下式計(jì)算： 波浪壓力 浮力 滲透壓力 公路荷載和鐵路荷載72 圖6.7 擋土墻墻底滲透壓力圖 圖6.8 擋土墻受力圖 73 (2)擋土墻的穩(wěn)定驗(yàn)算 抗滑移穩(wěn)定驗(yàn)算 抗傾覆穩(wěn)定驗(yàn)算 另

14、外，抗滑移和抗傾覆穩(wěn)定還應(yīng)滿足式(6.9) ：74圖6.9 擋土墻基底受力圖75 軟弱下臥層驗(yàn)算 當(dāng)基底下受力層范圍內(nèi)有軟弱土層時(shí)，應(yīng)按滑移面進(jìn)行驗(yàn)算： 3)浸水地區(qū)的擋土墻的穩(wěn)定驗(yàn)算 76 抗滑移穩(wěn)定驗(yàn)算 抗傾覆穩(wěn)定驗(yàn)算 基底應(yīng)力驗(yàn)算 其一是偏心距的驗(yàn)算：77 其二是基底應(yīng)力應(yīng)滿足： 4)擋土墻截面強(qiáng)度驗(yàn)算 78 6.4 懸臂式擋土墻 圖6.10 鋼筋混凝土懸臂式擋土墻 圖6.11 懸臂式擋土墻構(gòu)造79 6.4.1 懸臂式擋土墻的構(gòu)造 墻身 底板 凸榫 6.4.2 懸臂式擋土墻的設(shè)計(jì) (1)墻身和底板截面尺寸的確定 1)按抗滑移穩(wěn)定確定墻趾板長(zhǎng)度，即 對(duì)有凸榫時(shí)， 80 2)墻趾板長(zhǎng)度 (2

15、)土壓力計(jì)算 (3)內(nèi)力計(jì)算圖6.12 懸臂式擋土墻墻身土壓力、剪力和彎矩分布圖81 2)墻踵板的內(nèi)力 圖6.13 踵板荷載、剪力和彎矩分布82 3)趾板的內(nèi)力計(jì)算(如圖6.14所示) 圖6.14 趾板荷載、剪力和彎矩分布83圖6.15 懸臂式擋土墻配筋示意圖 (4)筋混凝土墻身和底板設(shè)計(jì) 84 6.5 扶壁式擋土墻 6.5.1 扶壁式擋土墻的構(gòu)造 扶壁式擋土墻是由立板、底板和扶壁三部分構(gòu)成 6.5.2 扶壁式擋土墻的設(shè)計(jì) (2)內(nèi)力計(jì)算 立板的內(nèi)力計(jì)算 跨中彎矩 支座彎矩可取 85 墻趾板內(nèi)力計(jì)算 墻踵板內(nèi)力計(jì)算 扶壁內(nèi)力計(jì)算 縱筋配筋計(jì)算公式如下： 水平抗剪箍筋： 86圖6.17 扶壁式擋土墻配筋示意圖87 6.6 擋土墻的抗震驗(yàn)算 (1)擋土墻抗震穩(wěn)定性驗(yàn)算圖6.18 地震作用下的擋土墻的受力88 地震時(shí)的主動(dòng)土壓力計(jì)算公式： 2)用水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范公式 (2)抗滑移穩(wěn)定驗(yàn)算 (3)抗傾覆穩(wěn)定驗(yàn)算 89 并求 (4)基底應(yīng)力驗(yàn)算90 6.7 加筋土擋土墻簡(jiǎn)