土壓力講解課件

1、第八章土壓力8.1概 述8.2 擋土墻側的土壓力8.3 朗肯土壓力理論8.4 庫侖土壓力理論8.5 朗肯理論與土壓力理論的比較在港口、水利、路橋及房屋建筑等工程中，擋土結構物（擋土墻）是一種常見的建筑物。擋土墻（retaining wall）：用來支撐天然或人工斜坡不致坍塌，以保持土體穩(wěn)定性的一種構筑物。土壓力（earth pressure） ：土體作用在擋土墻上的壓力。土壓力的計算是擋土墻設計的重要依據。8.1概 述建筑物填土擋土墻地下室地下室 外墻橋臺道路擋土墻研究土壓力的目的主要用于： （1）設計擋土構筑物，如擋土墻，地下室側墻，橋臺和貯倉等； （2）地下構筑物和基礎的施工、地基處理方面

2、的計算分析； （3）地基承載力的計算，巖石力學和埋管工程等領域。土壓力的大小和分布規(guī)律受到墻體可能的位移方向、墻背填土的種類、填土面的形式、墻的截面剛度和地基變形等一系列因素的影響根據墻的位移情況和墻后土體所處的應力狀態(tài)，土壓力分為8.2.1 基本概念靜止土壓力（earth pressure at rest）主動土壓力 (active earth pressure)被動土壓力 (passive earth pressure)8.2 擋土墻側的土壓力擋土墻靜止不動，墻后土體不產生位移和變形，處于彈性平衡狀態(tài)，此時作用在擋土墻上的土壓力。如果擋土墻直接澆筑在巖基上，且墻的剛度很大，墻體產生的位移很

3、小，不足以使填土產生主動破壞，此時可近似按靜止土壓力計算。此外，對于地下結構的側墻，若剛度大，墻頂又無法位移，也可認為墻上作用的是靜止土壓力。靜止土壓力 E0地下室地下室 外墻擋土墻向離開土體方向偏移至土體達到極限平衡狀態(tài)，此時土體作用在墻上的土壓力。如果擋土墻在墻后填土自重等作用下產生離開填土方向的位移，并且使墻后填土達到了極限平衡狀態(tài)，可按主動土壓力計算。實驗研究表明，擋土墻的位移達到墻高的0.1一0.3%，填土就可能發(fā)生主動破壞，而這是一般的擋土墻都容易達到的。因此，通常情況下擋土墻的土壓力可按主動土壓力計算。主動土壓力 Ea道路擋土墻破壞面當擋土墻向土體方向轉動或偏移至土體達到極限平衡

4、狀態(tài)時，作用在擋土墻上的土壓力。如果擋土墻在外力作用下產生向著填土方向擠壓的位移，并且使墻后填土達到了極限平衡狀態(tài)，可按被動土壓力計算。但實驗表明，欲使填土發(fā)生被動破壞，擋土墻位移量需達到墻高的2一5%，而這在工程中是不允許的，所以在驗算擋土墻的穩(wěn)定性時，并不采用被動土壓力的全部，通常取其30%。被動土壓力 Ep橋臺破壞面擋土墻土壓力計算可看成平面應變問題。均取一延米墻長，土壓力單位kN/m，土壓力強度kPa。Ea E 0Epa p由于產生被動土壓力需要墻身有較大偏移，而在工程中，有時并不容許建筑物產生如此大的位移。鋁棒模擬試驗鋁棒模擬試驗影響土壓力大小的因素擋土墻的位移量和方向：擋土墻的位移

5、與土壓力分布ABCDABD擋土墻形狀：擋土墻墻面形狀，墻背為豎直或是傾斜、墻背為光滑或粗糙，都關系采用何種土壓力計算理論公式和計算結果。填土的性質：填土松密程度即重度、干濕程度即含水量、土的強度指標即內摩擦角和粘聚力的大小。擋土墻的材料：如擋土墻的材料采用素混凝土和鋼筋混凝土，可認為墻的表面光滑，不計摩擦力；若為砌石擋土墻，就必須計摩擦力，因而土壓力的大小和方向都不相同。 擋土墻按其剛度可分為 剛性擋土墻：土壓力呈三角形分布，上小下大 柔性擋土墻 臨時支撐 擋土墻結構類型古典的擋土墻土壓理論朗肯（Rankine,1857）兩種理論均把土體視為剛塑性體，按照極限平衡理論求解庫侖（Coulomb,

6、1773）Charles Augustin de Coulomb (1736 - 1806) William John Maquorn Rankine(1820 - 1872) z地下室 外墻靜止土壓力強度（kN/m2)（經驗公式）靜止土壓力合力大小HP0(kN/m)H/3三角形形心處，距底面 H/3處方向水平或查表K0 靜止土壓力系數作用點位置8.2.2 靜止土壓力 假設： 墻背垂直 光滑 墻后填土水平8.3.1 基本假設半空間應力狀態(tài)，土單元處于極限狀態(tài)8.3 朗肯土壓力理論極限平衡條件主動土壓力強度主動土壓力系數被動土壓力強度被動土壓力系數極限平衡條件8.3.2 主動土壓力無黏性土（c=

7、0 ）黏性土（c0 ）8.3.3 被動土壓力無黏性土（c=0 ）黏性土（c0 ）8.3.4 有局部均勻超載時的土壓力8.3.5 非均質填土時的土壓力 墻后填土有地下水在地下水位以下，擋土結構上存在水土兩種壓力。在靜水條件下如何計算擋土結構的壓力，我國土力學和基礎工程學界曾對以下兩種計算方法有過爭議，即：水土分算和水土合算。（一）水土分算（大部分規(guī)范采用） 水壓力和土壓力分開計算：土中的豎向有效應力對擋土結構產生橫向土壓力；而孔隙水壓力由于各向等壓，故直接作用在擋土結構上。根據朗肯土壓力理論: 工程上較難確定有效應力抗剪強度指標及超靜孔隙水壓力，常采用固結不排水或不排水總應力抗剪強度指標，并將超

8、靜孔隙水壓力的影響包含在其中，水土分算方法為（二）水土合算（一般可考慮用于黏性土，我國有些基坑規(guī)范采用） 考慮土中的豎向總應力對擋土結構產生橫向土壓力，采用固結不排水或不排水的總應力強度指標。根據朗肯土壓力理論:注：（1）兩種方法計算結果有差別。（2）實際工程情況較復雜，很少是靜水壓情況，所以可考慮滲流及超靜水壓的水土分算能更合理反應水土的作用。（3）考試時，必須采用水土分算方法。8.3.6 無限斜坡面時的土壓力1、主動土壓力1、主動土壓力2、被動土壓力已知條件如圖求：作用在墻上的主動土壓力Pa6mAB4.20.54Pa1.82例 題6m解：AB4.242.840.54主動土壓力合力Pa作用點

9、：方 向：水平Pa1.82H 求圖示直立邊坡可以保持穩(wěn)定的最大高度解：由公式本題 設土壓力合力為零時的高度為土坡可以自立的高度，則z=0時例 題已知條件如圖求：作用在墻上的壓力1、墻后無地下水時2、墻后如圖有地下水時6mAB4m解136C2430.720例 題6mAB4m36解2C2430.7土壓力水壓力20合 力P = 102.7 + 20 = 122.7kN/m（大于無水時）（1）庫倫理論考慮的擋土墻，墻背可以是傾斜的。（2）墻背可以是粗糙的，與填土之間存在摩擦力。（3）不像朗肯理論是從墻后土體中一點的應力狀態(tài)出發(fā)來研究土壓力計算問題，而是從考慮墻后土體某個滑動楔體的整體平衡條件出發(fā)，直接

10、求出作用在墻背上的總土壓力。8.4.1 基本假設8.4 庫侖土壓力理論假定（1）填土無粘性(C=0)，即墻后填土是理想散粒體。（2）滑動面為：通過墻踵(zhong)的平面（3）滑動土楔（xie）體視為剛體?；瑒油列▔笸馏w中的滑動平面沿墻背的滑動面8.4.2 主動土壓力（屬平面應變問題，取1m長分析）ABC破壞面與水平面的夾角WP墻土間摩擦角， 也稱為外摩擦角土的內摩擦角填土坡角W土楔體自重 W， 大小、方向已知RR破壞面BC上的反力 R， 大小未知，方向已知P土壓力 P， 大小未知，方向已知墻背傾角HWRP由正弦定理ABCWPRDH由正弦定理WRPABCWPRD即其中是假設的滑動面與水平面的

11、夾角H因為力三角形求極值，令求出破壞角代入上式得即土壓力強度（沿墻高）三角形分布Ka已制成表可查表主動土壓力合力大?。褐鲃油翂毫姸戎鲃油翂毫狭Ψ较颍号c水平面成主動土壓力合力作用點：距底面H/3處若得與朗肯公式相同土對擋土墻墻背的摩擦角墻后填砂土較好。墻背粗糙較好。仰斜式擋土墻較好，但施工困難。ABCWPRWPR得8.4.3 被動土壓力H力三角形即被動土壓力合力大小：被動土壓力強度被動土壓力合力方向：與水平面成被動土壓力合力作用點：距底面H/3處若得與朗肯公式相同1、主動土壓力圖解法一、庫爾曼圖解法復雜情況可采用圖解法。8.4.4 粘性填土時的土壓力計算1、主動土壓力圖解法2、被動土壓力圖解

12、法主動土壓力力多邊形可能在畫力的順序上不一樣主動土壓力 被動土壓力如果墻體排水失效往往會導致墻后填土中水位較高，此時需考慮地下水的作用。有地下水時的土壓力確定方法與前述的類似，需注意的是：（1）在計算水下土體重量時應采用浮重度。（2）要考慮水的存在引起土的抗剪強度的降低。 （3）作用于擋土墻上的壓力除土壓力外，還有水壓力的作用。（4）如果墻后填土中有穩(wěn)定滲流，那么在建立滑動土體靜力平衡條件時，還應考慮滲流力的作用。3、填土中有地下水時的土壓力建筑地基基礎設計規(guī)范（GB50007-2002）推薦的主動土壓力計算方法考慮了主動土壓力的增大系數c 庫侖土壓力理論假設墻后填土是理想的散體，從理論上說只

13、適用于無粘性土。但實際工程常不得不采用粘土或粉土作填土。可采用以下方法計算主動土壓力： （1）圖解法。（2）規(guī)范推薦的公式；c：主動土壓力增大系數，土坡高度小于5m時宜取1.0；58m時宜取1.1；高度大于8m時宜取1.2；Ka計算見規(guī)范附錄L二、規(guī)范推薦的公式兩種理論都是在一定的假定條件下得到的。這些假定與工程實際會有一定的出入。朗肯理論基于土單元體的應力極限平衡條件來建立，采用的假定是墻背面豎直、光滑、填土面為水平，而實際墻背不是光滑的，所以采用朗肯理論計算出的土壓力值與實際情況相比，有一定的誤差，但偏于保守，即主動土壓力偏大，被動土壓力偏小。 8.5 朗肯理論與土壓力理論的比較庫倫理論基于庫倫理論基于滑動楔體的靜力平衡條件來建立，采用的假定是破壞面為平面。庫倫理論從假定上看對墻背要求不如朗肯理論嚴格，但是，當墻背與填土間的摩擦角較大時，在土體中產生的滑動面往往不是一個平面而是一個曲面。實踐