土壓力的影響因素及其計(jì)算方法

關(guān)于土壓力的影響因素及其計(jì)算方法5.1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)物的作用是用來擋住墻后的填土并承受來自填土的壓力。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)律的確定方法第2頁,共79頁，2024年2月25日，星期天概述第3頁,共79頁，2024年2月25日，星期天概述第4頁,共79頁，2024年2月25日，星期天概述第5頁,共79頁，2024年2月25日，星期天概述第6頁,共79頁，2024年2月25日，星期天概述第7頁,共79頁，2024年2月25日，星期天概述第8頁,共79頁，2024年2月25日，星期天概述第9頁,共79頁，2024年2月25日，星期天位移對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，擋土墻的位移是決定因素主動(dòng)被動(dòng)第10頁,共79頁，2024年2月25日，星期天位移對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。第11頁,共79頁，2024年2月25日，星期天影響土壓力的主要因素影響土壓力的主要因素:主要是擋土墻的位移方向和位移量的大小；其次是擋土墻的性質(zhì)及填土的性質(zhì)第12頁,共79頁，2024年2月25日，星期天5.2靜止土壓力計(jì)算靜止土壓力只發(fā)生在擋土墻為剛性，墻體不發(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形橋臺上土壓力，可近似看作靜止土壓力。按照水平向自重應(yīng)力的計(jì)算公式確定第13頁,共79頁，2024年2月25日，星期天靜止土壓力計(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1/3H第14頁,共79頁，2024年2月25日，星期天靜止土壓力計(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1/3H2第15頁,共79頁，2024年2月25日，星期天靜止土壓力計(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)場的靜止側(cè)壓力試驗(yàn)來測定。對于砂或正常固結(jié)的粘土，可根據(jù)有效內(nèi)摩擦角來確定:砂土K0=0.35—0.45;粘性土K0=0.5—0.7第16頁,共79頁，2024年2月25日，星期天5.3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。朗肯土壓力理論：根據(jù)半空間的應(yīng)力狀態(tài)和土的極限平衡條件得出土壓力的計(jì)算方法。

第17頁,共79頁，2024年2月25日，星期天Rankine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限體，擋土墻是剛性的，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。第18頁,共79頁，2024年2月25日，星期天Rankine土壓力理論的基本原理和基本假定第19頁,共79頁，2024年2月25日，星期天Rankine土壓力理論的基本原理和基本假定AOτσ主動(dòng)狀態(tài)被動(dòng)狀態(tài)σxmin=eaσx=K0σzσzσxmax=ep第20頁,共79頁，2024年2月25日，星期天Rankine土壓力理論的基本原理和基本假定

墻后土體處于朗肯主動(dòng)土壓力狀態(tài)時(shí)，土體剪切破壞面與豎直面的夾角為45°-Ф/2；當(dāng)墻后土體處于朗肯被動(dòng)土壓力狀態(tài)時(shí)，土體剪切破壞面與水平面的夾角為45°-Ф/2。第21頁,共79頁，2024年2月25日，星期天Rankine主動(dòng)土壓力計(jì)算基本計(jì)算公式（5－8）朗肯理論的主動(dòng)土壓力系數(shù)第22頁,共79頁，2024年2月25日，星期天無粘性土的主動(dòng)土壓力計(jì)算第23頁,共79頁，2024年2月25日，星期天無粘性土的主動(dòng)土壓力計(jì)算

P1575.5-1.墻后填土表面有連續(xù)均布荷載的情況,當(dāng)擋土墻墻后填土面有均布荷載q作用時(shí)，若填土重度為?,則將均布荷載換算成的當(dāng)量土層厚度為q/?

第24頁,共79頁，2024年2月25日，星期天

粘性土的主動(dòng)土壓力計(jì)算

ea=0第25頁,共79頁，2024年2月25日，星期天粘性土的主動(dòng)土壓力計(jì)算臨界深度：對墻后填土為粘性土的擋土墻，若離填土面某一深度處的主動(dòng)土壓力等于零，則該深度稱為臨界深度。墻后為粘性填土?xí)r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，另一部分是由土的粘聚力引起的土壓力。第26頁,共79頁，2024年2月25日，星期天粘性土的主動(dòng)土壓力計(jì)算

有均布荷載時(shí)粘性土的主動(dòng)土壓力第27頁,共79頁，2024年2月25日，星期天粘性土的主動(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)第28頁,共79頁，2024年2月25日，星期天Rankine被動(dòng)土壓力計(jì)算基本計(jì)算公式（5－8）第29頁,共79頁，2024年2月25日，星期天無粘性土被動(dòng)土壓力的計(jì)算第30頁,共79頁，2024年2月25日，星期天無粘性土被動(dòng)土壓力的計(jì)算第31頁,共79頁，2024年2月25日，星期天粘性土被動(dòng)土壓力的計(jì)算第32頁,共79頁，2024年2月25日，星期天粘性土被動(dòng)土壓力的計(jì)算第33頁,共79頁，2024年2月25日，星期天填土中有地下水時(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。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

當(dāng)墻后無粘性填土中地下水位逐漸上升時(shí)，墻背上的側(cè)壓力產(chǎn)生的變化是增大

在計(jì)算作用在墻背上的總壓力應(yīng)包括水壓力和土壓力的作用。第34頁,共79頁，2024年2月25日，星期天填土中有地下水時(shí)的土壓力計(jì)算

(P158-159)第35頁,共79頁，2024年2月25日，星期天填土為成層土?xí)r的土壓力計(jì)算

(P157-158)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)摩擦角第36頁,共79頁，2024年2月25日，星期天填土為成層土?xí)r的土壓力計(jì)算第37頁,共79頁，2024年2月25日，星期天5.4庫侖土壓力理論假設(shè)擋土墻剛性、墻后填土為無粘性土。以整個(gè)滑動(dòng)土體上力的平衡條件來確定土壓力庫侖理論假定墻后土體中的滑裂面是通過墻踵的平面庫侖土壓力理論：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土壓力的理論。填土AφBDCE第38頁,共79頁，2024年2月25日，星期天無粘性土主動(dòng)土壓力的計(jì)算第39頁,共79頁，2024年2月25日，星期天無粘性土主動(dòng)土壓力的計(jì)算正弦定律計(jì)算自重第40頁,共79頁，2024年2月25日，星期天無粘性土主動(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第41頁,共79頁，2024年2月25日，星期天無粘性土主動(dòng)土壓力的計(jì)算第42頁,共79頁，2024年2月25日，星期天無粘性土被動(dòng)土壓力的計(jì)算第43頁,共79頁，2024年2月25日，星期天無粘性土被動(dòng)土壓力的計(jì)算W代入第44頁,共79頁，2024年2月25日，星期天無粘性土被動(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Pmin第45頁,共79頁，2024年2月25日，星期天庫爾曼圖解法上述的庫侖土壓力計(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。第46頁,共79頁，2024年2月25日，星期天庫爾曼圖解法第47頁,共79頁，2024年2月25日，星期天庫爾曼圖解法填土FφAL90-ε-φ0C1W1n1m1第48頁,共79頁，2024年2月25日，星期天粘性填土的土壓力粘性填土與無粘性填土相比，抗剪強(qiáng)度中包括粘聚力的貢獻(xiàn)，因此采用庫侖土壓力理論對滑動(dòng)塊體進(jìn)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。粘性填土的庫侖土壓力確定可采用試算圖解法第49頁,共79頁，2024年2月25日，星期天粘性填土的土壓力對于工程實(shí)際中粘性填土問題，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)摩擦角來代替粘土的兩個(gè)強(qiáng)度指標(biāo)，然后再按無粘性填土問題求解。第50頁,共79頁，2024年2月25日，星期天填土中有地下水時(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?？紤]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。第51頁,共79頁，2024年2月25日，星期天土壓力問題的討論朗肯與庫侖土壓力理論存在的主要問題朗肯與庫侖土壓力理論的適應(yīng)性三種典型土壓力理論在實(shí)際工程中的應(yīng)用擋土墻位移對土壓力分布的影響第52頁,共79頁，2024年2月25日，星期天朗肯與庫侖土壓力理論存在的主要問題朗肯理論基于土單元體的應(yīng)力極限平衡條件來建立，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。庫侖土壓力理論基于滑動(dòng)塊體的靜力平衡條件來建立，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。第53頁,共79頁，2024年2月25日，星期天朗肯與庫侖土壓力理論存在的主要問題

在實(shí)際工程中，當(dāng)墻背傾斜角較大超過一定范圍后，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第54頁,共79頁，2024年2月25日，星期天朗肯土壓力理論的優(yōu)缺點(diǎn)

朗肯土壓力理論應(yīng)用半空間中的應(yīng)力狀態(tài)和極限平衡理論計(jì)算土壓力，概念比較明確，公式簡單，應(yīng)用方便，對于粘性土和無粘性土都可以用該公式直接計(jì)算，故在工程中得到青睞。但為了使墻后填土中的應(yīng)力狀態(tài)符合半空間應(yīng)力狀態(tài)，必須假設(shè)墻背是直立光滑的，填土面是水平的，因而使其應(yīng)用范圍受到限制，并由于該理論忽略了墻背與填土之間摩擦的影響，使計(jì)算的主動(dòng)土壓力偏大，被動(dòng)土壓力偏小。第55頁,共79頁，2024年2月25日，星期天庫侖土壓力理論的優(yōu)缺點(diǎn)

庫侖土壓力理論根據(jù)墻后滑動(dòng)土楔的靜力平衡條件推導(dǎo)得出土壓力計(jì)算公式，考慮了墻背與土之間的摩擦力，并可用于墻背傾斜，填土面傾斜的情況，但由于該理論假設(shè)填土是無粘性土，因此不能用庫侖公式直接計(jì)算粘性填土的土壓力。庫侖土壓力理論假設(shè)墻后填土破壞時(shí)，破裂面是一平面，而實(shí)際上是一曲面，因此，庫侖土壓力理論計(jì)算結(jié)果與按曲面的計(jì)算結(jié)果有出入，這種偏差在計(jì)算被動(dòng)土壓力時(shí)尤為嚴(yán)重。第56頁,共79頁，2024年2月25日，星期天朗肯與庫侖土壓力理論的適應(yīng)性朗肯理論求得的是墻背各點(diǎn)土壓力強(qiáng)度分布，而庫侖理論求得的是墻背上的總土壓力朗肯理論適用于填土表面為水平的無粘性土或粘性土的土壓力計(jì)算庫侖理論只適用于填土表面為水平或傾斜的無粘性土，對粘性土只能用圖解法計(jì)算被動(dòng)土壓力的計(jì)算常采用朗肯理論擋土墻在滿足墻背直立光滑且填土面水平的條件下，庫侖土壓力理論與朗肯土壓力理論計(jì)算得到的土壓力是一致的

第57頁,共79頁，2024年2月25日，星期天三種典型土壓力在實(shí)際工程中的應(yīng)用第58頁,共79頁，2024年2月25日，星期天擋土墻位移對土壓力分布的影響擋土墻下端不動(dòng)，上端向外移動(dòng)，無論位移多少，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。第59頁,共79頁，2024年2月25日，星期天擋土墻位移對土壓力分布的影響擋土墻上端不動(dòng)，下端向外移動(dòng)，無論位移達(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處第60頁,共79頁，2024年2月25日，星期天擋土墻位移對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)位移超過某一值后填土將發(fā)生主動(dòng)破壞，應(yīng)力成直線分布。第61頁,共79頁，2024年2月25日，星期天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)不能直接用朗肯和庫侖土壓力理論求解，需要某種近似方法簡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)的土壓力第62頁,共79頁，2024年2月25日，星期天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)分布第63頁,共79頁，2024年2月25日，星期天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)第64頁,共79頁，2024年2月25日，星期天坦墻墻背上的土壓力第65頁,共79頁，2024年2月25日，星期天開挖情況下的土壓力第66頁,共79頁，2024年2月25日，星期天5.6非極限土壓力的計(jì)算1．考慮位移時(shí)的土壓力計(jì)算在相同條件下，非極限土壓力大于主動(dòng)土壓力，小于被動(dòng)土壓力。即：

考慮位移的土壓力計(jì)算公式可表達(dá)為：第67頁,共79頁，2024年2月25日，星期天非極限土壓力的計(jì)算

考慮位移的土壓力計(jì)算公式能反映位移對土壓力的影響，適用于非極限位移時(shí)土壓力的計(jì)算，這樣計(jì)算得到的土壓力比主動(dòng)土壓力大，比被動(dòng)土壓力小。在基坑開挖工程中有實(shí)用價(jià)值。第68頁,共79頁，2024年2月25日，星期天2．土壓力隨時(shí)間的發(fā)展規(guī)律土體具有隨時(shí)間而變化的特性，即流變特性。土體的剪應(yīng)力松弛特性對擋土建筑物的土壓力有很大影響。應(yīng)力松弛的結(jié)果使主動(dòng)土壓力增大，而使被動(dòng)土壓力減小，最后兩者都趨于靜止土壓力。擋土墻的位移和時(shí)間因素是耦合作用的，根據(jù)位移和時(shí)間對土壓力的影響分析，可將土壓力的計(jì)算表示為下面的公式：第69頁,共79頁，2024年2月25日，星期天土壓力隨時(shí)間的發(fā)展規(guī)律第70頁,共79頁，2024年2月25日，星期天5.7擋土墻的設(shè)計(jì)與計(jì)算

1.擋土墻的類型選擇常用的是重力式、懸臂式與扶壁式三種重力式擋土墻懸臂式擋土墻扶壁式擋土墻錨定板擋土墻加筋土擋土墻

第71頁,共79頁，2024年2月25日，星期天2擋土墻斷面尺寸的確定

擋土墻斷面尺寸常用試算法確定。首先，根據(jù)擋土墻所處的條件(工程地質(zhì)、填土性質(zhì)、墻體材料和施工條件等)，憑經(jīng)驗(yàn)初步擬定斷面尺寸，然后進(jìn)行擋士墻穩(wěn)定性和強(qiáng)度的驗(yàn)算，以判斷是否滿足有關(guān)規(guī)范或規(guī)定的要求。如果達(dá)不到要求，則須調(diào)整斷面尺寸或采取其他措施，重新進(jìn)行驗(yàn)算，直到符合安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的要求為止。第72頁,共79頁，2024年2月25日，星期天3擋土墻的穩(wěn)定驗(yàn)算抗滑