擋土結(jié)構(gòu)物上的土壓力課件

擋土結(jié)構(gòu)物上的土壓力

§6.1概述什么是擋土結(jié)構(gòu)物什么是土壓力影響土壓力的因素土壓力的類(lèi)型一、擋土結(jié)構(gòu)物（擋土墻）用來(lái)支撐天然或人工斜坡不致坍塌以保持土體穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)物?；蜓灾共糠謧?cè)向荷載傳遞分散到填土上的一種結(jié)構(gòu)物。例如：支撐土坡的擋土墻；堤岸擋土墻；地下室側(cè)墻；拱橋橋臺(tái)等。擋土墻應(yīng)用舉例在各類(lèi)土建工程（如房屋建筑、道路橋梁、水利工程、港口工程）中，為了防止土體滑坡和坍塌，常用各種各樣的擋土墻加以支擋。a)路邊擋土墻b)地下室側(cè)墻c)橋臺(tái)擋土墻d)堆放散體材料擋土墻e)基坑支護(hù)擋土墻類(lèi)型（按剛度及位移方式）:剛性擋土墻柔性擋土墻L型T型剛性加筋扶壁式重力式剛性擋土墻給出幾個(gè)柔性擋土結(jié)構(gòu)物的例子：內(nèi)支撐基坑加筋擋土墻板樁墻與土層錨桿二、擋土結(jié)構(gòu)物上的土壓力由于土體自重、土上荷載或結(jié)構(gòu)物的側(cè)向擠壓作用，擋土結(jié)構(gòu)物所承受的來(lái)自墻后填土的側(cè)向壓力。三、影響土壓力的因素土的性質(zhì)擋土墻的移動(dòng)方向擋土墻和土的相對(duì)位移量土體與墻之間的摩擦擋土墻類(lèi)型墻體位移條件是影響土壓力的最主要的因素。墻體位移的方向和相對(duì)位移量決定所產(chǎn)生的土壓力的性質(zhì)和土壓力的大小。土壓力類(lèi)型6.2作用在擋土墻上的土壓力3.被動(dòng)土壓力（Passiveearthpressure)三類(lèi)土壓力：1.靜止土壓力（Earthpressureatrest)2.主動(dòng)土壓力（Activeearthpressure)當(dāng)

=0時(shí)（如地下室）

E=E01.靜止土壓力2.主動(dòng)土壓力墻體外移，土壓力逐漸減小，當(dāng)土體破壞，達(dá)到極限平衡狀態(tài)時(shí)所對(duì)應(yīng)的土壓力(最小)3.被動(dòng)土壓力墻體內(nèi)移，土壓力逐漸增大，當(dāng)土體破壞，達(dá)到極限平衡狀態(tài)時(shí)所對(duì)應(yīng)的土壓力(最大)圖6-3土壓力與擋土墻位移關(guān)系注意：擋土結(jié)構(gòu)物要達(dá)到被動(dòng)土壓力所需的位移遠(yuǎn)大于導(dǎo)致主動(dòng)土壓力所需的位移。三種土壓力關(guān)系：

Ea

E0

Ep

土壓力與墻身位移的關(guān)系靜止土壓力計(jì)算假定擋土墻后填土處于彈性狀態(tài)靜止土壓力沿?fù)跬翂Ω叨瘸嗜切畏植肌?/p>

Z

z相當(dāng)于天然地基土的應(yīng)力狀態(tài)

計(jì)算公式：

0=K0

cz=K0

z*靜止土壓力系數(shù)K0的確定：（2）實(shí)際可由三軸儀等試驗(yàn)或原位試驗(yàn)測(cè)得（3）可用半經(jīng)驗(yàn)公式估算：正常固結(jié)土：K0=1-sin

；超固結(jié)粘性土：

K0=(OCR)m

(1-sin

)（可取m=0.4-0.5）砂土為0.35-0.50，粘土為0.5-0.7*

靜止土壓力合力：對(duì)于成層土或有超載情況：例6-1擋土墻后作用無(wú)限均布荷載q，土的物理力學(xué)指標(biāo)為

=18kN/m3,

sat=19kN/m3,c=0,

=30

。計(jì)算：靜止土壓力分布值及合力E0

*[解]靜止土壓力系數(shù)為K0=1-sin

=1-sin30

=0.5各點(diǎn)靜止土壓力值：a點(diǎn)：p0a=K0q=0.5

20=10kPab點(diǎn)：p0b=K0(q+

h1)=0.5

(20+18

6)=64kPac點(diǎn)：p0c=K0(q+

h1+

h2)=0.5

[20+18

6+(19-9.8)

4]=82.4kPa*靜止土壓力合力為

E0=(poa+pob)h1/2+(p0b+p0c)h2/2=0.5

(10+64)

6+0.5

(64+82.4)

4=514.8kN/m6.3朗金土壓力理論6.3朗金土壓力理論(以極限平衡條件為基礎(chǔ))朗金土壓力理論是根據(jù)半無(wú)限大空間體受自重作用時(shí)處于極限平衡狀態(tài)時(shí)的應(yīng)力條件得出的用于計(jì)算墻背上主動(dòng)土壓力和被動(dòng)土壓力的一種方法。1、假設(shè)1）表面水平的半無(wú)限體處于極限平衡狀態(tài)2）用一個(gè)墻背垂直光滑得擋土墻代替左半部分的土體，并不改變?cè)瓉?lái)豎直面AB上的應(yīng)力狀態(tài)，所以原來(lái)AB面上的水平壓力

cx就是所要求替換后墻背上的土壓力.2、適用條件1）墻背垂直光滑（墻背為主平面）2）墻后填土水平0

zK0z（1）靜止?fàn)顟B(tài)：時(shí)的莫爾圓自重應(yīng)力豎直截面上的法向應(yīng)力6.3.1基本概念

（2）

主動(dòng)朗肯狀態(tài)單元體在水平截面上的法向應(yīng)力

z不變，而豎直截面上的法向應(yīng)力

x卻逐漸減小，直至滿足極限平衡條件（稱(chēng)為主動(dòng)朗肯狀態(tài)）。0

zK0z

a主動(dòng)朗肯狀態(tài)時(shí)的莫爾圓

（3）被動(dòng)朗肯狀態(tài)

單元體在水平截面上的法向應(yīng)力

z不變而豎直截面上的法向應(yīng)力

x卻逐漸增大，直至滿足極限平衡條件（稱(chēng)為被動(dòng)朗肯狀態(tài)）。0

zK0z

p被動(dòng)朗肯狀態(tài)時(shí)的莫爾圓6.3.1基本概念

(c)破壞面(b)應(yīng)力圓(a)應(yīng)力狀態(tài)（1）靜止?fàn)顟B(tài)：應(yīng)力圓O1，z和x為大、小主應(yīng)力。（2）朗金主動(dòng)狀態(tài)：應(yīng)力圓O2，z和x為大、小主應(yīng)力；滑動(dòng)面夾角f=(45+/2)。（3）朗金被動(dòng)狀態(tài)：應(yīng)力圓O3，z為小主應(yīng)力，x為大主應(yīng)力滑動(dòng)面夾角f=(45/2)0

zK0z

a

p三種狀態(tài)時(shí)的莫爾圓6.3.2朗金主動(dòng)土壓力計(jì)算

砂性土粘性土基本假定：墻背直立、光滑，填土面為水平基本原理：背離填土移動(dòng)至A

B

達(dá)到主動(dòng)極限平衡狀態(tài)豎向應(yīng)力

1=

z=

z

水平應(yīng)力

3=

x，即

a。此時(shí)，大、小主應(yīng)力滿足下述關(guān)系：將

3=

a和

1=

z代入得：

主動(dòng)土壓力沿深度呈直線分布合力為分布圖形的面積作用點(diǎn)位于形心處對(duì)于砂性土有：合力Ea作用在距擋土墻底面H/3處。

對(duì)于粘性土：令pa=0，可得合力Ea作用于距擋土墻底面(H-h0)/3處。當(dāng)z＝0時(shí)，知但，填土與墻背之間不可能承受拉應(yīng)力，出現(xiàn)裂縫。6.3.3朗金被動(dòng)土壓力計(jì)算砂性土粘性土基本假定：擋土墻墻背豎直，填土面水平基本原理：豎向應(yīng)力

z=

z是最小主應(yīng)力

3

水平應(yīng)力

x是最大主應(yīng)力

1，亦即

將

1=

，

3=

z代入極限平衡公式，得

被動(dòng)土壓力沿深度呈直線分布。

被動(dòng)土壓力6.3.4典型情況下的朗金土壓力6.3.4.1填土表面有超載：

相當(dāng)于在深度z處增加q值的作用。

將

z用(q+

z)代替：6.3.4.3成層填土：

強(qiáng)度指標(biāo)

不同，土層分界面上土壓力分布有突變。6.3.4.5擋土墻后填土中有地下水存在:水土分算：

對(duì)砂性土或粉土，按水土分算先分別計(jì)算土壓力和水壓力，然后疊加采用有效重度

計(jì)算土壓力例題6-3物理力學(xué)指標(biāo)：

1=18kN/m3,c1=0,

1=30

,

2=20kN/m3,c2=0,

2=35

，q=20kPa。計(jì)算：（1）分布；（2）合力。[解]Ka1＝0.333，Ka2＝0.271。主動(dòng)土壓力值分別為：a點(diǎn)：pa1=qKa1=20

0.333=6.67kPab點(diǎn)上(在第1層土中)：

p

a2=(

1h1+q)Ka1=(18

6+20)

0.333=42.6kPab點(diǎn)下(在第2層土中)：

p

a2=(

1h1+q)Ka2=(18

6+20)

0.271=34.7kPac點(diǎn)：

pa3=(

1h1+

2

h2+q)Ka2=(18

6+20

4+20)

0.271=56.4kPa合力:Ea=(6.67

6+0.5

35.93

6)+(34.7

4+0.5

21.7

4)=(40.0+107.79)+(138.8+43.4)=330kN/m合力作用點(diǎn)：6.4庫(kù)侖土壓力理論6.4.1庫(kù)侖土壓力理論1、基本思路

取墻后滑動(dòng)體為脫離體，研究其靜力平衡條件，并認(rèn)為滑動(dòng)面（剪切面）上的抗剪強(qiáng)度全部發(fā)揮。2、基本假定1）墻后的滑動(dòng)體是剛塑體2）滑動(dòng)面是平面3）墻后填土面為平面且填土的c=0，填土的坡角

<

一、主動(dòng)土壓力

按庫(kù)倫理論求主動(dòng)土壓力GREGREBMA6.4.2庫(kù)侖土壓力計(jì)算作用于土楔上的力：1.土楔體的自重；2.破壞面上的反力R；3.墻背對(duì)土楔體的反力E；

由土楔體的靜力平衡條件得：作用在墻背上的土壓力REG庫(kù)倫主動(dòng)土壓力的一般表達(dá)式：或Emax所對(duì)應(yīng)的擋土墻后填土的破壞角

cr，即為真正滑動(dòng)面的傾角。

庫(kù)倫主動(dòng)土壓力強(qiáng)度沿墻高呈三角形分布，主動(dòng)土壓力的作用點(diǎn)在距墻底H/3處。

當(dāng)墻背垂直、光滑，填土面水平時(shí)，庫(kù)倫主動(dòng)土壓力的一般表達(dá)式與朗金公式相同。二、被動(dòng)土壓力

按庫(kù)倫理論求被動(dòng)土壓力GREGREAMB

按求主動(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：或

庫(kù)倫被動(dòng)土壓力強(qiáng)度沿墻高呈三角形分布，被動(dòng)土壓力的作用點(diǎn)在距墻底H/3處。

當(dāng)墻背垂直、光滑，填土面水平時(shí)，庫(kù)倫被動(dòng)土壓力的一般表達(dá)式與朗金公式相同。

6.4.7土壓力計(jì)算方法的一些問(wèn)題

——朗金理論與庫(kù)倫理論的比較

1.朗肯土壓力理論：

（1）依據(jù)：半空間的應(yīng)力狀態(tài)和土的極限平衡條件（2）概念明確、計(jì)算簡(jiǎn)單、使用方便

（3）理論假設(shè)條件（4）理論公式直接適用于粘性土和無(wú)粘性土（5）由于忽略了墻背與填土之間的摩擦，主動(dòng)土壓力偏大，被動(dòng)土壓力偏小。

2.庫(kù)倫土壓力理論：

（1）依據(jù)：墻后土體極限平衡狀態(tài)、楔體的靜力平衡條件

（2）理論假設(shè)條件（3）理論公式僅直接適用于無(wú)粘性土（4）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。但庫(kù)倫理論假設(shè)破裂面是一平面，與按滑動(dòng)面為曲面的計(jì)算結(jié)果有出入。6.5擋土墻設(shè)計(jì)擋土墻的設(shè)計(jì)一般從以下幾個(gè)方面考慮：6.5.1擋土墻的型式1、重力式擋土墻1）材料：磚、塊石、條石、灰土、素混凝土等2）原理：利用自身的重量平衡側(cè)向的土壓力3）適用：H<=5m的低擋土墻，小型工程。4）特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉、體積大、工程量大。1.重力式擋土墻2.懸臂式擋土墻墻頂墻基墻趾墻面墻背墻趾墻踵立壁鋼筋2、懸臂式擋土墻1）材料：鋼筋混凝土2）原理：靠墻踵處懸挑長(zhǎng)度上的土重維持平衡3）適用：H>5m的重要市政工程或其它儲(chǔ)存庫(kù)工程中。4）特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)輕、斷面尺寸小、節(jié)省混凝土、費(fèi)鋼材。5）初步尺寸如下圖：基礎(chǔ)底寬b：前趾挑出：基礎(chǔ)高度：基礎(chǔ)埋深：墻身頂寬：墻身底寬：墻面斜度：

h:擋土墻總高。3、扶壁式擋土墻1）原理：增設(shè)扶壁，以加強(qiáng)懸臂式擋土墻的抗彎性能。扶壁與墻踵相連，起拉結(jié)作用。2）特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)輕、斷面尺寸小、工程量小。3）適用：H>10m的重要工程。4）材料：鋼筋混凝土5）初步尺寸如下圖：基礎(chǔ)底寬b：前趾挑出：基礎(chǔ)高度：基礎(chǔ)埋深：墻身頂寬：墻身底寬：墻面斜度：h:擋土墻總高。3.扶壁式擋土墻4.錨定板式與錨桿式擋土墻墻趾墻踵扶壁墻板錨定板基巖錨桿5、其他形式的擋土墻垮塌的重力式擋墻垮塌的護(hù)坡?lián)鯄κХ€(wěn)的立交橋加筋土擋土墻步驟：（1）選截面尺寸（2）驗(yàn)算（穩(wěn)定性、地基承載力、墻身強(qiáng)度）（3）如不滿足要求，修改截面尺寸或采取其他措施。基底面積、埋深：按地基承載力確定基底的荷載效應(yīng)：按正常使用極限狀態(tài)下的荷載效應(yīng)組合土體自重、墻身：按各自的重度計(jì)算，地下水位取浮重度6.5.2擋土墻計(jì)算1.穩(wěn)定性驗(yàn)算：抗傾覆穩(wěn)定和抗滑穩(wěn)定1、抗傾覆穩(wěn)定驗(yàn)算zfEaEazEaxGaa0d抗傾覆穩(wěn)定條件擋土墻在土壓力作用下可能繞墻趾O點(diǎn)向外傾覆Ox0xfbzG抗傾覆穩(wěn)定不滿足時(shí)應(yīng)采取的措施：1、加大G2、加大前趾長(zhǎng)度，更穩(wěn)定3、墻背做成仰斜（但施工不方便）4、在墻背上作卸荷臺(tái)，形狀如牛腿。2、抗滑穩(wěn)定驗(yàn)算抗滑穩(wěn)定條件EaEanEatdGGnGtaa0O擋土墻在土壓力作用下可能沿基礎(chǔ)底面發(fā)生滑動(dòng)m為基底摩擦系數(shù)，根據(jù)土的類(lèi)別查表得到

抗滑穩(wěn)定不滿足時(shí)應(yīng)采取的措施：1、修改擋土墻的斷面尺寸,加大G2、在墻基底面作砂石墊層，增大摩擦力3、擋土墻基底可作成逆坡，利用逆坡上的部分反力抗滑。4、加拖板來(lái)抗滑。主要是利用拖板上覆蓋的土重抗滑3、地基承載力驗(yàn)算基底平均應(yīng)力pk≤fa基底最大壓應(yīng)力pkmax≤1.2faf為地基承載力特征值4、墻身強(qiáng)度驗(yàn)算根據(jù)墻身材料分別按砌體結(jié)構(gòu)、素混凝土結(jié)構(gòu)或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的有關(guān)計(jì)算方法進(jìn)行。1.墻背傾斜形式仰斜、直立和俯斜E1仰斜E2直立E3俯斜E1＜E2＜E36.5.3重力式擋土墻的體型與構(gòu)造墻頂墻基墻趾墻面墻背排水設(shè)施1、擋土墻的排水處理是否得當(dāng)，直接影響到擋土墻的安全及使用效果。2、擋土墻的排水設(shè)施通常有地面排水和墻身排水兩部分組成。

A、地面排水可設(shè)置地面排水溝，引排地面水；夯實(shí)回填土頂面和地面松土，防止雨水和地面水下滲，必要時(shí)可加設(shè)鋪砌；對(duì)路塹擋土墻墻趾前的邊溝應(yīng)予以鋪砌加固，以防止邊溝水滲入基礎(chǔ)。

B、墻身排水主要是為了迅速排除墻后積水。漿砌擋土墻應(yīng)根據(jù)滲水量在墻身的適當(dāng)高度處布置泄水孔。2.墻后排水措施墻后填土宜選擇透水性較強(qiáng)的填料，若采用粘土，應(yīng)混入一定量的塊石，增大透水性和抗剪強(qiáng)度，墻后填土應(yīng)分層夯實(shí)。3.填土質(zhì)量要求泄水孔粘土夯實(shí)濾水層泄水孔粘土夯實(shí)粘土夯實(shí)截水溝沉降縫和伸縮縫為了防止因地基不均勻沉陷而引起墻身開(kāi)裂，應(yīng)根據(jù)地基的地質(zhì)條件及墻高、墻身斷面的變化情況設(shè)置沉降縫；為