土壓力理論與邊坡穩(wěn)定.ppt

6 土壓力和土坡穩(wěn)定,學(xué)習(xí)目標(biāo)： 了解重力式擋土墻設(shè)計內(nèi)容,減小主動土壓力的措施； 掌握主動土壓力、靜止土壓力和被動土壓力等三種土壓力的概念以及產(chǎn)生條件，熟悉郎肯土壓力理論和庫侖土壓力理論的原理與適用條件，會計算常見情況下的主動和被動土壓力。,6.2 土壓力的類型與影響因素,6.5 庫倫土壓力理論,本 章 內(nèi) 容,6.3 靜止土壓力的計算,6.4 郎肯土壓力理論,6.6 擋土墻設(shè)計,6.1 概述,6.7 土坡穩(wěn)定分析,6.1 概 述,擋土墻用來支撐天然或人工斜坡不致坍塌以保持土體穩(wěn)定性，或使部分側(cè)向荷載傳遞分散到填土上的一種結(jié)構(gòu)物。 土壓力擋土墻后的填土因自重或外荷載作用對墻背產(chǎn)生的側(cè)壓力。,常見擋土墻結(jié)構(gòu),土壓力根據(jù)擋土墻位移方向和大小分類,擋土墻所受土壓力的大小并不是一個常數(shù)，而是隨位移量的變化而變化。,6.2 土壓力的類型,墻體位移與土壓力類型,被動土壓力 （Passive earth pressure),靜止土壓力 （Earth pressure at rest),主動土壓力 （Active earth pressure),土壓力與擋土墻位移的關(guān)系,1.擋土墻所受土壓力類型取決于墻體是否發(fā)生了位移，位移的方向和大??； 2.擋土墻所受土壓力的大小不是常量，隨著位移以及位移的大小、方向的變化，土壓力值也在變化，Ea、E0、Ep、是三種特定土壓力狀態(tài)值； 3.土體達(dá)到主動平衡，產(chǎn)生主動土壓力Ea，所需要墻體位移量較小，對中密以上砂土a/H約為15 ，而墻體達(dá)到被動平衡，產(chǎn)生被動土壓力Ep，所需要墻體位移量很大，對中密以上砂土p/H約為1%5%，這樣大的位移在工程中是不允許的。 實際工程中不少擋土墻的位移量可能并未達(dá)到a、p，因而作用在擋土墻上的土壓力可能介于Ea和Ep之間，計算比較復(fù)雜，本章只介紹Ea、E0、Ep的計算方法。,結(jié) 論,K0: 靜止土壓力系數(shù),靜止土壓力墻體不發(fā)生移動,強度,總靜止 土壓力,注意： 當(dāng)填土中有地下水時，時下透水層應(yīng)采用浮重度計算土壓力，同時考慮作用在擋土墻上的靜水壓力。,6.3 靜止土壓力計算,6.4 朗肯土壓力理論, 6.4.1 基本原理,1857年英國學(xué)者朗肯(W.J.M.Rankine)研究了半無限土體處于極限平衡時的應(yīng)力狀態(tài)，提出了著名的朗肯土壓力理論。 朗肯土壓力理論的假設(shè)： 1.擋土墻背面豎直 2.墻背光滑 3.墻后填土面水平,朗肯主動及被動狀態(tài), 6.4.2 朗肯主動土壓力計算,1=z，pa=x=3,極限平衡條件：,(1)均質(zhì)填土作用情況,臨界深度,總主動土壓力,無黏性土,作用點：擋土墻H/3處； 方向：垂直墻背指向墻身,黏性土,作用點：擋土墻（H-z0)/3處； 方向：垂直墻背指向墻身,（2）分層填土,分層填土,Ea反,yc,(3)填土表面有均布荷載,梯形形心公式,例 某擋土墻后填土為兩層砂土，填土表面作用連續(xù)均布荷載如計算擋土墻上的主動土壓力分布，繪出土壓力分布圖，求合力。,解：已知1=30， 2=35求出Ka1=0.333，Ka2=0.271分別計算a、b、c 三點的土壓力強度為：,a點： z=q=20kPa， pa=qKa1=200.333=6.67kPa b點上： z=q+1z1=20+186=128kPa pa=（q+1z1）Ka1=1280.333=42.62kPa b點下： z=q+1z1 =20+186=128kPa pa=（q+1z1）Ka2=1280.271=34.69kPa c點： z=q+1z1+2z2 =128+204=208kPa pa=（q+1z1+2z2）Ka2=2080.271=56.37kPa,Ea=Saedb+Segd+S bfhc +S fhi =6.676+(42.62-6.67)6/2+34.694+(56.37-34.69)4/2 =40.02+107.85+138.76+43.36=329.99kN/m,a點： pa=6.67kPa b點上： pa=42.62kPa b點下： pa=34.69kPa c點： pa=56.37kPa,將以上計算結(jié)果繪于圖中得土壓力分布圖,由土壓力分布圖求面積得主動土壓力合力Ea，對c點取矩可求出合力作用點位置yc,d,e,f,g,h,i,a,b,c,Eayc=Saedbyaedb+Segdyegd+Sbfhc ybfhc +Sghiyghi 329.99yc=40.02(4+3)+107.85(4+2)+138.762+43.364/3 yc=3.83m,(4)墻后填土中有地下水,一般砂土和粉土可按水土分算，然后疊加；粘性土可根據(jù)情況按水土分算或水土合算。,水土分算是在計算土壓力z時取有效應(yīng)力，所以水下土體的自重應(yīng)力按浮重度計算，同時抗剪強度指標(biāo)取有效應(yīng)力強度指標(biāo)和c,水土合算法是對地下水位以下的土體取飽和重度sat計算z，但土的抗剪強度指標(biāo)取總應(yīng)力強度指標(biāo)和c,例 某擋土墻高6m，墻背鉛直、光滑，無粘性填土表面水平，地下水位埋深2m,水上土體重度=18kN/m3，水下土體飽和重度sat=19.3 kN/m3，土體內(nèi)摩擦角=35(水上、水下相同)，試計算作用在擋土墻上的主動土壓力及水壓力。,解：已知=35，則Ka= tan2(45-35/2）=0.271，A、B、C三點處的土壓力強度分別為：,A點： zA=0， paA=0 B點： zB=1h1=182=36 kPa paB=zB Ka=360.271=9.76 kPa C點： zC=1h1+h2 =36+(19.3-9.8)4=74 kPa paC=zC Ka=740.271=20.05 kPa,A點： paA=0 B點： paB=9.76 kPa C點： paC=20.05 kPa,Ea=SABD+SBDEC +SDEF =0.59.762+9.764+0.5 (20.05-9.76)4 =9.76+39.04+20.58=69.38 kN/m,繪出土壓力分布圖,合力為土壓力分布圖形面積,D,E,F,墻背上的靜水壓力呈三角形分布，總水壓力為,Ew=0.5 wh2w=0.59.842=78.4 kN/m 擋土墻背上的總壓力：E= Ea+ Ew=69.38+78.40=147.78 kN/m,Eyc=SABDyABD+SBDEC yBDEC +SDEFyDEF +S水y水, 6.4.3 朗肯被動土壓力計算,3=z，pp=x=1,例 某擋土墻后填土為兩層砂土，填土表面作用連續(xù)均布荷載如計算擋土墻上的被動土壓力分布，繪出土壓力分布圖，求合力。,解：已知1=30， 2=35求出Kp1=3，Kp2=3.69分別計算a、b、c 三點的土壓力強度為：,a點： z=q=20kPa， pp=qKp1=203=60kPa b點上： z=q+1z1=20+186=128kPa pp=（q+1z1）Kp1=1283=384kPa b點下： z=q+1z1 =20+186=128kPa pp=（q+1z1）Kp2=1283.69=472.32 kPa c點： z=q+1z1+2z2 =128+204=208kPa pp=（q+1z1+2z2）Kp2=2083.69=767.52kPa,Ep=Saedb+Segd+S bfhc +S fhi =606+(384-60)6/2+472.324+(767.52-472.32)4/2 =360+972+1889.28+590.4=3811.68 kN/m,a點： pp=60kPa b點上： pp=384kPa b點下： pp=472.32kPa c點： pp=767.52kPa,將以上計算結(jié)果繪于圖中得土壓力分布圖,由土壓力分布圖求面積得被動土壓力合力Ep，對c點取矩可求出合力作用點位置yc,Eayc=Saedbyaedb+Segdyegd+Sbfhc ybfhc +Sghiyghi 3811.68yc=360(4+3)+972(4+2)+1889.282+590.44/3 yc=3.39m,2010.10.22,6.5 庫侖土壓力理論, 6.5.1 基本原理,1776年法國學(xué)者庫侖(C.A.CouLumb)提出了適用性較廣的庫侖土壓力理論。 庫侖土壓力理論的假設(shè)： 1.墻后的填土是理想的散粒體（粘聚力c=0）； 2.滑動破壞面為一通過墻踵的平面。,Charlse-Augustin de Coulomb 1736 -1806,出發(fā)點：,假設(shè)條件：,墻背傾斜，具有傾角 墻背粗糙，與填土摩擦角為 填土表面有傾角,平面滑裂面假設(shè)：滑裂面為平面、墻后填土c=0; 剛體滑動假設(shè)：破壞土楔為剛體，滑動楔體整體處于極限平衡狀態(tài), 6.5.2 庫侖主動土壓力計算,對墻后土楔體進(jìn)行受力分析,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.墻背對土楔體的反力E,由土楔體的靜力平衡條件得：,可知是的函數(shù)，即取不同的就有不同的值，支持力最大的滑動面是最危險滑動面，因此求出max對應(yīng)的滑動面即為最危險滑動面，max對應(yīng)的土壓力即是主動土壓力Ea 。,Pmax所對應(yīng)的擋土墻后填土的破壞角cr ，即為真正滑動面的傾角。,將求導(dǎo)得到的cr得庫倫主動土壓力的一般表達(dá)式：,K 庫侖主動土壓力系數(shù),注意： 當(dāng)符合朗肯土壓力條件時(=0、=0、=0 )， 可得Ka=tan2（45-/2）。 由此可以看出朗肯土壓力公式是庫侖公式的一種特例。, 6.5.3 庫侖被動土壓力計算,按庫侖主動土壓力同樣的原理求得被動土壓力為：,1.分析方法,極限平衡狀態(tài), 6.5.4 庫侖理論和郎肯理論比較,2.應(yīng)用條件,3.計算誤差,實際0,主動土壓力 偏大,被動土壓力 偏小,朗肯土壓力理論,實際滑裂面不一定是平面,主動土壓力 偏小,被動土壓力 偏大,滑動面,滑動面,主動土壓力得到的不一定是最大值,被動土壓力得到的不一定是最小值,庫侖土壓力理論,4.計算誤差與精確解的比較,5.計算誤差結(jié)論,如果 =0，滑裂面是直線，兩種理論計算Ka, Kp相同 如果 0 Ka 朗肯偏大10%左右，工程偏安全 庫侖偏小一些（可忽略)； Kp 朗肯偏小可達(dá)幾倍； 庫侖偏大可達(dá)幾倍; 在實際工程問題中，土壓力計算是比較復(fù)雜的。,工程中能達(dá)到被動土壓力的較少。因為所需相對位移太大,6.6 擋土結(jié)構(gòu)設(shè)計簡介,h6m,h10m,間隔0.30.4m,6.6.1 常見擋土墻,擋土墻工程實例, 6.6.2 拉錨式擋土結(jié)構(gòu),錨碇板擋土墻,錨桿式擋土墻,錨桿式擋土墻, 6.6.3 加筋土擋土墻,加筋土擋土墻,柔性筋式：用土工織物作加筋建成,剛性筋式 ：用加筋帶或鋼性大的土工格柵作加筋,加筋土擋土墻, 6.6.4 重力式擋土墻構(gòu)造要求,1.截面選型,重力式擋土墻，按墻背傾斜形式一般分為俯斜式、豎直式、仰斜式三種。 仰斜式所受主動土壓力最小。,2.截面尺寸選擇,一般規(guī)定：塊石擋土墻頂寬400mm， 混凝土擋土墻頂寬200mm； 底 寬：H/2 H/3,3.坡度要求,仰斜式墻面墻背平行，坡角1：0.5； 俯斜式墻背坡度1：0.36； 當(dāng)平底墻不滿足抗滑移驗算時， 做成逆坡， 土質(zhì)地基逆坡坡度1：10； 巖質(zhì)地基坡坡度1：15,4.埋置深度,土質(zhì)0.5m；軟巖質(zhì)0.3m,5.伸縮縫,每隔10 20m設(shè)置一道伸縮縫。,6.排水措施,擋土墻中設(shè)置泄水孔， 間距2 3m，斜率5%， 100mm，； 墻后做慮水層和必要的 排水盲溝； 墻頂處覆蓋鋪設(shè)防水層 及截水溝； 墻下設(shè)置排水溝。,7.填土質(zhì)量,墻后宜選用透水性強的填料，宜摻入適量塊石，在季節(jié)性凍土區(qū)選擇非凍脹性材料，如爐渣、碎石、粗砂等。 填土要分層填筑分層夯實。, 6.6.5 擋土墻穩(wěn)定及強度驗算（形式簡單的擋土墻）,1.抗滑移穩(wěn)定驗算 Ks=抗滑力/滑動力=G/Ea1.3 式中：G擋土墻每延米的自重，KN； Ea作用在每米擋土墻上的總主動土壓力，KN； 擋土墻底面與地基之間的摩擦系數(shù),2.抗傾覆穩(wěn)定驗算 Kt=抗傾覆力矩/傾覆力矩=Gx/Eay1.6 式中：x擋土墻重心距離墻趾的水平距離，m； y總土壓力作用點距離墻趾的垂直高度，m； G、Ea同前。,3.強度驗算 墻身材料強度驗算要求任意斷面的法向應(yīng)力小于材料自身的抗壓設(shè)計強度，且剪應(yīng)力小于材料的抗剪設(shè)計強度。,Ea,G,x,y, 6.6.6 擋土墻穩(wěn)定及強度驗算（形式復(fù)雜的擋土墻）,1.受力分析,結(jié)構(gòu)自重G； 主動土壓力Ea； 被動土壓力Ep，計算時通常忽略不計，偏安全； 基底反力R，分解為豎向反力Rn和水平方向反力Rt。,2.擋土墻抗傾覆穩(wěn)定性驗算,主動土壓力作用，擋土墻有可能繞墻趾處發(fā)生轉(zhuǎn)動傾覆，要求抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)Ks1.6,Eax：土壓力在水平方向上分力=Eacos(+)； Eaz：土壓力在水平方向上分力=Easin(+)； xf：土壓力作用點距墻趾水平距離,xf=b-ztan; zf：土壓力作用點距墻趾高度,zf=z-btan; x0：重心墻趾距離； b：墻底寬度。,3.擋土墻抗滑移穩(wěn)定性驗算,主動土壓力作用，擋土墻有可能沿基礎(chǔ)底面發(fā)生滑動，要求抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)Ks1.3,Gn：單位長度擋土墻的自重G在垂直于墻底平面方向的分力， Gn=Gcos； Gt：單位長度擋土墻的自重G在平行于墻底平面方向的分力， Gt=Gsin； Ean：單位長度土壓力Ea在垂直于墻底平面方向的分力， Ean=Easin(+)； Eat：單位長度土壓力Ea在平行于墻底平面方向的分力， Eat=Eacos(+)；,：墻底與地基的摩擦因素，參照P82表5-2； ：擋土墻墻底傾角； ：外摩擦角，參照P78取值； ：墻背傾角，俯斜為正，仰斜為負(fù)。,擋土墻基底與地基的摩擦系數(shù)值,外摩擦角,俯斜的混凝土或砌體墻取 ： 臺階形墻背取 ： 垂直混凝土或砌體墻取 ：,若驗算不滿足要求，應(yīng)采取以下措施： 加大擋土墻截面，增大G； 墻底做砂石墊層增大； 墻背做卸載臺； 加大墻底逆坡，增加抗滑分力； 在墻鍾處加拖板，利用拖板上土體自重，增加抗滑力。,4.擋土墻地基承載力驗算,與一般偏心受壓基礎(chǔ)驗算方法相同，應(yīng)滿足：pkmax1.2fa； 墻底合力偏心距e0.25b； 必要時進(jìn)行軟弱下臥層驗算。,5.擋土墻墻身強度驗算,與一般砌體構(gòu)件相同，要求任意截面上，抗壓、抗拉、抗剪、抗彎等均符合強度設(shè)計要求。 驗算時 ，取最危險截面進(jìn)行驗算，如：截面急劇變化處、轉(zhuǎn)折處、墻底處等。, 6.7.1 概述,邊坡穩(wěn)定分析對象：,土石壩、庫區(qū)邊坡，堤壩填筑,土質(zhì)、巖質(zhì)邊坡,土坡：具有傾斜面的土體,坡肩 坡頂,坡面,坡角,坡趾,坡高,坡底,坡度 1:m (h/l),6.7 土坡的穩(wěn)定性分析,均質(zhì)土的土坡坡頂與坡底平行，坡面為同一坡度時，稱為簡單土坡。,天然土坡,江、河、湖、海岸坡,山、嶺、丘、崗、天然坡,人工土坡,挖方：溝、渠、坑、池,填方：堤、壩、路基、堆料,土坡,1.土坡的類型,一部分土體在外因作用下，相對于另一部分土體滑動,滑坡：,什么是滑坡？ 為什么會滑坡？,2. 滑坡現(xiàn)象,發(fā)育完全的典型滑坡形態(tài)和構(gòu)造示意圖,3.滑坡原因,1）振動：地震、爆破,2）土中水位升、降,4）水流沖刷：使坡腳變陡,5）凍融：凍脹力及融化含水量升高,6）人工開挖：基坑、船閘、壩肩、隧洞出入口,3）降雨引起滲流、軟化,4.滑坡危害,對水利工程的危害,對鐵路公路的危害,對河運及海洋工程的危害,對工程設(shè)施及房屋建筑的危害,5.滑坡形式,平移,崩塌,轉(zhuǎn)動,流滑,山東乳山山體滑,福州發(fā)生山體滑坡事故,貴州凱里發(fā)生山體滑坡,半坡村山體滑坡,2003年8月25日，四川省雅安市雨城區(qū)和滎經(jīng)縣遭受特大暴雨襲擊。在不到5個小時的時間內(nèi)，降雨量達(dá)到228毫米，發(fā)生群發(fā)性滑坡和洪水，造成18人死亡3人失蹤。,2003年7月13日 三峽庫區(qū)沙鎮(zhèn)溪發(fā)生千將坪滑坡，致使24人失蹤。,2006.1.4 印尼中爪哇滑坡,山崩1342處； 滑坡1752處； 泥石流501處； 堰塞湖100多個 （嚴(yán)重危害的34個）。,被地震摧毀的北川縣城，左上角的滑坡是北川的最大殺手,5.12汶川地震山體崩塌與滑坡災(zāi)害,1600人死亡！,老縣城,埋沒村莊,906人死亡！,新北川中學(xué)巖崩,埋沒村莊,王家?guī)r滑坡,新北川中學(xué),老縣城,新縣城,景家山崩塌,施加在層面的重力為W，該力可以分解成一個沿層面方向的下滑力 （剪切力）T,和一個垂直層面方向的正壓力P,從物理學(xué)中的摩擦定律可知，則摩擦力應(yīng)為正壓力與摩擦系數(shù)的乘積，摩擦力是阻礙滑動的力。發(fā)生滑坡的臨界條件可以寫為:,6.滑坡的條件,滑坡條件,內(nèi)因：土體自身抗剪強度的降低,外因：剪應(yīng)力的增加,產(chǎn)生滑坡的根本原因： 是滑動面上的剪應(yīng)力達(dá)到并超過了該面上的抗剪強度，穩(wěn)定平衡遭到破壞。,滑坡示意圖,均質(zhì)的無粘性土土坡，在干燥或完全浸水條件下，土粒間無粘結(jié)力,只要位于坡面上的土單元體能夠保持穩(wěn)定，則整個坡面就是穩(wěn)定的,單元體穩(wěn)定,TT,土坡整體穩(wěn)定, 6.7.2 無粘性土坡的穩(wěn)定分析,T,穩(wěn)定條件：TT,抗滑力與滑動力的比值,1）微單元A自重: W=V,2）沿坡滑動力：T=Wsin,3）對坡面壓力：N=Wcos,4）抗滑力： T=Ntan=Wcostan,5）抗滑安全系數(shù)：,當(dāng)=時，K=1.0，天然休止角,安全系數(shù)與土容重?zé)o關(guān),與所選的微單元大小無關(guān),坡內(nèi)任一點或平行于坡的任一滑裂面上安全系數(shù)k都相等,一般要求：K1.31.5,6.7.3 粘性土坡的穩(wěn)定性