基礎工程第章 土壓力地基承載力和土坡穩(wěn)定性

基礎工程第五章1第5章土壓力、地基承載

力和土坡穩(wěn)定性第1節(jié)概述第2節(jié)擋土墻上的土壓力第3節(jié)朗肯土壓力理論第4節(jié)庫倫土壓力理論第5節(jié)擋土墻設計第6節(jié)地基破壞型式和地基承載力第7節(jié)土坡的穩(wěn)定性分析2第1節(jié)概述

擋土墻是防止土體坍塌的構筑物，在工程建設領域得到廣泛應用。

擋土墻的結構型式可以分為重力式、懸臂式和扶壁式。

土壓力是指擋土墻后的填土因自重或外荷載作用對墻背產(chǎn)生的側向壓力。3

土壓力是擋土墻的主要外荷載，所以設計擋土墻時首先要確定土壓力的性質、大小、方向和作用點。土壓力主動土壓力靜止土壓力被動土壓力4

地基承載力是指地基承受建筑物荷載的能力。地基在建筑物荷載作用下，如果發(fā)生剪切破壞，就會對建筑物的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利的影響。因此，在地基計算中，應驗算地基的承載力。土坡天然土坡人工土坡5由于內在或外在因素的影響，土坡可能發(fā)生局部土體的滑動失穩(wěn)，造成事故并危及人身安全。因此，應驗算邊坡的穩(wěn)定性，必要時應采取適當?shù)墓こ檀胧﹣肀ＷC邊坡的穩(wěn)定性。6第2節(jié)擋土墻上的

土壓力

擋土墻上的土壓力的大小和分布受到墻體可能的移動方向、墻后填土的種類、填土面的形式等因素的影響。

根據(jù)墻的位移情況和墻后土體所處的應力狀態(tài)，土壓力可分為以下三種：7

1.主動土壓力：當擋土墻向離開土體方向偏移至土體達到極限平衡狀態(tài)時，作用在墻上的土壓力，一般用Ea表示。

2.被動土壓力：當擋土墻向土體方向偏移至土體達到極限平衡狀態(tài)時，作用在擋土墻上的土壓力，用Ep表示。

3.靜止土壓力：當擋土墻靜止不動，土體處于彈性平衡狀態(tài)時，土對墻的壓力，用E0表示。8滑動面Ea主動土壓力9滑動面Ep被動土壓力10E0靜止土壓力11試驗研究表明：在在相同條件下，靜止土壓力大大于主動土壓力而小于被動土壓力力，即有Ea<E0<Ep在相同條件下，產(chǎn)產(chǎn)生被動土壓力時時所需的位移量遠遠遠大于產(chǎn)生主動動土壓力時所需的的位移量。12靜止土壓力的計算算在填土表面下任意意深度z處的靜止土壓力強度度可按下式計算：：由上式可知，靜止止土壓力沿墻高呈呈三角形分布。作作用在單位墻長上上的靜止土壓力為為：13E0H靜止土壓力的分布布14第3節(jié)朗肯土土壓力理論朗肯土壓力理論是根據(jù)半空間的應力狀態(tài)態(tài)和土的極限平衡條件件而得出的土壓力計計算方法。研究一表面為水平平面的半空間（土土體向下和沿水平平方向都伸展至無無窮）。當整個土土體都處于靜止狀狀態(tài)時，各點都處處于彈性平衡狀態(tài)。15豎直截面上的法向向應力為：在離地表為z深度處取一單元體，單元體水平平截面上的法向應力等于該處土土的自重應力，即16由于為半空間，所所以土體內每一豎直面都是對稱面，因此豎直截面和水平截面面上的剪應力都等等于零，因而相應應截面上的法向應應力z和x都是主應力，此時的應力狀態(tài)態(tài)可用莫爾圓表示示。由于該點處于于彈性平衡狀態(tài)，，所以莫爾圓位于于抗剪強度包線（（破壞包線）的下下方。170zK0z彈性平衡狀態(tài)時的的莫爾圓18如果使整個土體在在水平方向均勻伸展（x減?。┗驂嚎s（x增大），直到土體由彈彈性平衡狀態(tài)轉為為塑性平衡狀態(tài)。1.土體在水平方向伸伸展上述單元體在水平平截面上的法向應應力z不變，而豎直截面面上的法向應力x卻逐漸減小，直至滿足極限平平衡條件為止（稱稱為主動朗肯狀態(tài)）。19此時，x達到最低限值a，a是小主應力，z是大主應力，莫爾圓與抗剪強度度包線（破壞包線線）相切。剪切破壞面與水平面的夾角為。。200zK0za主動朗肯狀態(tài)時的的莫爾圓212.土體在水平方向壓壓縮上述單元體在水平平截面上的法向應力z不變而豎直截面上上的法向應力x卻逐漸增大，直至滿足極限平平衡條件為止（稱稱為被動朗肯狀態(tài)）。此時，x達到最高限值p，p是大主應力，z是小主應力，莫爾爾圓與抗剪強度包包線（破壞包線））相切。剪切破壞面與豎直面的夾角為。。220zK0zp被動朗肯狀態(tài)時的的莫爾圓230zK0zap三種狀態(tài)時的莫爾爾圓24朗肯將上述原理應應用于擋土墻的土壓力計計算中，設想用墻背直立的擋土墻代替半空空間左邊的土。如如果墻背與土的接接觸面上滿足剪應力為零的邊界應力條件以及產(chǎn)生主動或被被動朗肯狀態(tài)的邊界變形條件，由此可推導出主主動和被動土壓力力計算公式。而如如果擋土墻靜止不不動，則墻后土體體的應力狀態(tài)不變變。25朗肯土壓力理論的的假設：1.擋土墻背面豎直；；2.墻背光滑；3.墻后填土面水平。。一、主動土壓力由莫爾-庫倫強度理論知，，當土體中某點處處于極限平衡狀態(tài)態(tài)時，大主應力1和小主應力3之間滿足：261.無粘性土272.粘性土28當擋土墻偏離土體體時，由于墻后土體中離地地表深度z處的豎向應力（大主主應力）不不變，而水平平應力x卻逐漸減小直至進進入主動朗肯狀態(tài)，此時x為小主應力力a，由極限平平衡條件公公式可得1.無粘性性土292.粘性性土30由以上公式式可知：1.無粘性性土的主動動土壓力強度與z成正比，沿沿墻高的壓壓力呈三角角形分布。。如取單位位墻長，則則主動土壓壓力為：31EaH無粘性土的的主動土壓壓力強度分分布圖322.粘性土土的主動土土壓力強度包括兩兩部分：一一部分是由自重引起起的土壓力力強度，，另另一部分是是由粘聚力力引起的負負側壓力強強度，，這兩部部分土壓力力疊加的結結果如下圖圖所示。33EaH粘性土的主主動土壓力力強度分布布圖adebc34其中ade部分是負側側壓力，對墻背而言言是拉力，但實際上上墻與土在很很小的拉力力作用下就就會分離，，從而造成成土壓力為為零。所以以粘性土的的土壓力分分布僅是abc部分。a點離填土面面的的深度度z0稱為臨界深度，在填土面面無荷載的的條件下，，可令a=0求得z0的值，可得得35如取單位墻墻長計算，，主動土壓壓力Ea為：36二、被動土土壓力當墻受到外外力作用而而推向土體時，填填土中任意意一點的豎豎向應力仍仍不變變，而水平平向應力x卻逐漸增大大，直至出出現(xiàn)被動朗肯狀狀態(tài)。此時，x達最大限值值p，因此p是大主應力力，也就是是被動土壓壓力強度，，而z則是小主應應力。由極極限平衡條條件公式可可得371.無粘粘性土2.粘性性土38從以上公式式可知：無無粘性土的被動土壓壓力強度呈呈三角形分布布；粘性土的被被動土壓力力強度呈梯形分布。如取單位位墻長計算算，則被動動土壓力可可由下式計計算：1.無粘性性土392.粘性土土40Ep無粘性土的的被動土壓壓力強度分分布圖H41Ep粘性土的被被動土壓力力強度分布布圖42當填土面有有均布荷載載時的土壓力計算算：當擋土墻后后填土面有有連續(xù)均布布荷載作用用時，土壓壓力的計算算方法是將均布荷載載換算成當當量的土重重。當填土面面水平時，，當量的土土層厚度為為43Ea填土面有均均布荷載的的土壓力計計算44第4節(jié)庫庫倫土壓壓力理論庫倫土壓力力理論是根據(jù)墻后后土體處于于極限平衡衡狀態(tài)并形形成一滑動楔體時，從楔體體的靜力平衡條條件得出的土壓壓力計算理理論。庫倫土壓力力理論的基基本假設：：1.墻后的填土土是理想的的散粒體（（粘聚力c=0）；2.滑動破壞面面為一通過過墻踵的平面。45一、主動土土壓力一般擋土墻墻的計算屬屬于平面問題，故可沿墻墻的長度方方向取1m進行分析析。當墻向向前移動或或轉動而使使墻后土體體沿某一破破壞面破壞壞時，土楔楔向下滑動動而處于主主動極限平平衡狀態(tài)。。此時，作作用于土楔楔上的力有有：46按庫倫理論論求主動土土壓力WREWREACB471.土楔體體的自重；；2.破壞面面上的反力力R；3.墻背對對土楔體的的反力E；土楔體在上上述三個力力的作用下下處于靜力平衡狀狀態(tài)，必然構成成一個閉合合的力矢三三角形，由由正弦定定律便可得得到E的值。48與E大小相等、、方向相反反的作用力就是是墻背上的的土壓力。。在上式中，，除了滑動動面與水平平面的傾角角外，其余量量都是已知知的常量。。假定不同的的滑動面可可以得到不不同的傾角角，從而得到到一系列相相應的土壓壓力E。49一、主動土土壓力一般擋土墻墻的計算屬屬于平面問題，故可沿墻墻的長度方方向取1m進行分析析。當墻向向前移動或或轉動而使使墻后土體體沿某一破破壞面破壞壞時，土楔楔向下滑動動而處于主主動極限平平衡狀態(tài)。。此時，作作用于土楔楔上的力有有：50按庫倫理論論求主動土土壓力WREWREACB511.土楔體體的自重；；2.破壞面面上的反力力R；3.墻背對對土楔體的的反力E；土楔體在上上述三個力力的作用下下處于靜力平衡狀狀態(tài)，必然構成成一個閉合合的力矢三三角形，由由正弦定定律便可得得到E的值。52與E大小相等、、方向相反反的作用力就是是墻背上的的土壓力。。在上式中，，除了滑動動面與水平平面的傾角角外，其余量量都是已知知的常量。假定不同的的滑動面可可以得到不不同的傾角角，從而得到到一系列相相應的土壓壓力E。53可以看出E是的函數(shù)。E的最大值Emax即為墻背的的主動土壓力力。其所對對應的滑動動面即為土土楔最危險險的滑動面面。為求得Emax，可采用微微分學中求求極值的方方法求E的極大值，，可令54解上式可以以得到Emax，并得到Emax所對應的擋擋土墻后填土的破破壞角cr，即為真正正滑動面的的傾角。55整理后可得得到庫倫主主動土壓力的一般般表達式或56庫倫主動土土壓力強度度沿墻高呈三角形分布布，主動土壓壓力的作用點在距墻底H/3處。當墻背垂直直、光滑，，填土面水水平時，庫庫倫主動土土壓力的一一般表達式式成為可見，在上上述條件下下，庫倫主主動土壓力力公式和朗朗肯公式相相同。57二、被動土土壓力當擋土墻墻受外力力作用推推向填土，直直至土體體沿某一一破裂面面BC破壞時，，土楔ABC向上滑動動，并處處于被動極限限平衡狀狀態(tài)。此時土土楔ABC在其自重重W和反力R和E的作用下下平衡。。58按庫倫理理論求被被動土壓壓力WREWREACB59按求主動動土壓力力同樣的的原理可求得被被動土壓壓力的庫庫倫公式式為：或60庫倫被動動土壓力力強度沿沿墻高呈三角形分分布，被動土土壓力的的作用點在距墻底H/3處。被動土壓壓力強度度可按下下式計算算：當墻背垂垂直、光光滑，填填土面水水平時，，庫倫被被動土壓壓力的一一般表達達式成為為61可見，在在上述條條件下，，庫倫被動土壓壓力公式式和朗肯肯公式相相同。三、朗肯肯理論與與庫倫理理論的比比較朗肯理論論與庫倫倫理論建建立在不不同的假假設基礎礎上，用用不同的的分析方方法計算算土壓力力，只有有在最簡簡單的情情況下，，采用這這兩種理理論的計計算結果果才相同同，否則則便得出出不同的的結果。。621.朗肯肯土壓力力理論：：（1）是是根據(jù)半半空間的的應力狀態(tài)和土土的極限限平衡條條件而得得出的土土壓力計計算方法法。（2）朗朗肯土壓壓力理論論假設：：a.擋土土墻背面面豎直；；b.墻背背光滑；；c.墻后后填土面面為水平平面。63（3）對對于粘性性土和無無粘性土土都可以直直接用理理論公式式進行計計算；（4）朗朗肯土壓壓力理論論概念明明確，計計算簡單單，使用用方便。。但由于于其假設設條件，，造成使使用范圍圍有局限限性。另另外，由由于忽略略了墻背背與填土土之間的的摩擦，，計算出出的主動動土壓力力偏大，，被動土土壓力偏偏小。642.庫倫倫土壓力力理論：：（1）是是根據(jù)擋擋土墻后后的土體處于于極限平平衡狀態(tài)態(tài)并形成成一滑動動楔體時時，從楔楔體的靜靜力平衡衡條件得得出的土土壓力計計算理論論。（2）庫庫倫土壓壓力理論論假設：：a.擋土土墻后的的填土是是理想的的散粒體體（粘聚聚力c=0）；；b.滑動動破壞面面為一通通過墻踵踵的平面面。65（3）對對于無粘粘性土可可以直接用理論論公式進進行計算算，對于于粘性土則則不能用用理論公公式直接接計算粘粘性土的的土壓力力；（4）庫倫土土壓力理論考考慮了墻背與與土之間的摩摩擦力，并可可用于墻背傾傾斜，填土面面傾斜的情況況。庫倫理論論假設墻后填填土破壞時，，破裂面是一一平面，但實實際情況卻是是一曲面，采采用庫倫理論論的計算結果果與按滑動面面為曲面的計計算結果有出出入。66第5節(jié)擋擋土墻設計一、擋土墻的的類型擋土墻按結構構型式可分為為三種主要類類型：1.重力式擋擋土墻重力式擋土墻墻是以擋土墻墻自身重力來來維持擋土墻墻在土壓力作作用下的穩(wěn)定定。67重力式擋土墻墻通常由塊石石或素混凝土砌筑筑而成，因而而墻體抗拉強度較小，，作用于墻背背的土壓力所所引起的傾覆覆力矩全靠墻墻身自重產(chǎn)生生的抗傾覆力力矩來平衡，，因此，墻身身必須做成厚厚而重的實體體才能保證其其穩(wěn)定，這樣樣，墻身的體體積和重量都都比較大。重力式擋土墻墻具有結構簡簡單，施工方方便，能夠就就地取材等優(yōu)優(yōu)點，是工程程中應用較廣廣的一種型式式。682.懸臂式擋擋土墻懸臂式擋土墻墻一般用鋼筋筋混凝土建造，，由三個懸臂臂板組成：立壁、墻趾懸臂和墻踵懸臂。墻的穩(wěn)定性性主要靠墻踵踵底板上的土土重，而墻體體內的拉應力力則由鋼筋承承擔。這類擋擋土墻的優(yōu)點點是能充分利利用鋼筋混凝凝土的受力特特性，墻體截截面較小。693.扶壁式擋擋土墻當擋土墻后的的填土比較高高時，為了增強強懸臂式擋土土墻中立壁的的抗彎性能，，常沿墻的縱縱向每隔一定定距離設一道道扶壁，故稱稱為扶壁式擋擋土墻。70二、擋土墻的的計算擋土墻的截面面一般按試算算法確定，即即先根據(jù)擋土土墻所處的條條件憑經(jīng)驗初初步擬定截面面尺寸，然后后進行擋土墻墻的驗算，如如不滿足要求求，則應改變變截面尺寸或或采取其他措措施。71擋土墻的計算算通常包括下下列內容：1.穩(wěn)定性驗驗算：包括抗抗傾覆和抗滑滑移穩(wěn)定驗算算；2.地基的承承載力驗算；；3.墻身強度度驗算。721.穩(wěn)定性驗驗算擋土墻的穩(wěn)定定性破壞通常常有兩種形式，，一種是在主主動土壓力作作用下外傾，，對此應進行行傾覆穩(wěn)定性驗驗算；另一種是在在土壓力作用用下沿基底外外移，需進行行滑動穩(wěn)定性驗驗算。a.傾覆穩(wěn)定定性驗算：繞繞墻趾的抗傾傾覆力矩與傾傾覆力矩之比比稱為抗傾覆安全系系數(shù)Kt≥1.6。73b.滑動穩(wěn)定定性驗算：抗抗滑力與滑動力之比比稱為抗滑安全系數(shù)數(shù)Ks≥1.3。。2.地基承載載力驗算地基的承載力力驗算，要求求同時滿足基基底平均應力力p≤f和基底最大壓壓應力pmax≤1.2f（f為地基承載力力設計值）。。743.墻身強度度驗算墻身強度驗算算應根據(jù)墻身身材料分別按砌砌體結構、素素混凝土結構構或鋼筋混凝凝土結構的有有關計算方法法進行。75三、重力式擋擋土墻的體型型選擇和構造措施（一）墻背的的傾斜型式重力式擋土墻墻按墻背傾斜斜方向可分為為仰斜、直立和俯斜三種型式。76仰斜墻背重力力式擋土墻77直立墻背重力力式擋土墻78俯斜墻背重力力式擋土墻79對于不同傾斜斜方向墻背的的擋土墻，如用用相同的計算算方法和計算指標進進行計算，其其主動土壓力力以仰斜為最最小，直立居居中，俯斜最最大。因此，，就墻背所受受的主動土壓壓力而言，仰斜墻背較為合理。如在開挖臨時時邊坡以后筑筑墻，采用仰仰斜墻背可與與邊坡緊密貼貼合，而俯斜斜墻背則需在在墻背回填土土，因此仰斜斜墻背比較合合理。80如果在填方地地段筑墻，仰仰斜墻背填土的夯夯實比俯斜墻墻背或直立墻背困困難，此時，，俯斜墻背和和直立墻背比比較合理。從墻前地形的的陡緩看，當當墻前地形較較為平坦時，，用仰斜墻背背較為合理。。如果墻前地地形較陡，則則宜用直立墻墻背。因為俯俯斜墻背的土土壓力較大，，而用仰斜墻墻背時，為了了保證墻趾有有一定的入土土深度，就要要加高墻身，，使砌筑工程程量增加。81仰斜與俯斜墻墻背重力式擋土墻的比較較82因此，墻背的的傾斜型式應應根據(jù)使用要求求、地形和施施工等情況綜合考慮慮確定：1.仰斜墻背主動土壓力最最小，墻身截截面經(jīng)濟，墻墻背可與開挖挖的臨時邊坡坡緊密貼合，，但墻后填土土的壓實較為為困難，因此此多用于支擋擋挖方工程的的邊坡；832.俯斜墻背主動土壓力最大，但墻后后填土施工較較為方便，易于保保證回填土質質量而多用于于填方工程；；3.直立墻背介于前兩者之之間，且多用用于墻前原有有地形較陡的的情況，如山山坡上建墻，，因此時仰斜斜墻身較高而而入土較淺，，俯斜墻則土土壓力較大。。84（二）填土質質量要求擋土墻的回填填土料應盡量量選擇透水性較較大的土，因因為這類土的的抗剪強度較較穩(wěn)定，且易易于排水。填土壓實質量量是擋土墻施工工中的一個關關鍵問題。填填土時應分層層夯實。85第6節(jié)地地基破壞型式式和和地地基承載力一、地基破壞壞型式在荷載作用下下，建筑物地地基的破壞通通常是由于承承載力不足而而引起的剪切切破壞，地基基剪切破壞的的型式可分為為整體剪切破壞壞、局部剪切破壞壞和沖剪破壞三種。861.整體剪切切破壞整體剪切破壞壞的特征是，，當基礎上的荷荷載較小時，，基底壓力p與沉降s基本上呈直線關系，屬于線性變形階段段。當荷載增加加到某一數(shù)值值時，在基礎礎邊緣處的土土開始發(fā)生剪剪切破壞，隨隨著荷載的增增加，剪切破破壞區(qū)逐漸擴擴大，這時壓壓力與沉降之之間呈曲線關系，屬彈塑性變形階段。87整體剪切破壞型式式的壓力~沉降關系曲曲線ps088如果基礎上的荷載載繼續(xù)增加，剪切破壞區(qū)不不斷擴大，最終在地基中形成一一連續(xù)的滑動面，，基礎急劇下沉或或向側面傾倒，同同時基礎周圍的地地面隆起，此時屬屬塑性破壞階段，地基發(fā)生整體剪切破壞。89整體剪切破壞902.局部剪切破壞壞局部剪切破壞是介介于整體剪切破壞和沖剪破破壞之間的一種破破壞型式。剪切破破壞也從基礎邊緣緣開始，但滑動面面不發(fā)展到地面，，而是限制在地基基內部某一區(qū)域，，基礎四周地面也也有隆起現(xiàn)象，但但不會有明顯的傾傾斜和倒塌。壓力力和沉降關系曲線線從一開始就呈現(xiàn)現(xiàn)非線性關系。91sp局部剪切破壞型式式的壓力~沉降關系曲曲線092局部剪切破壞933.沖剪破壞沖剪破壞先是由于于基礎下軟弱土的壓縮變形形使基礎連續(xù)下沉沉，如荷載繼續(xù)增增加到某一數(shù)值時時，基礎可能向下下“切入”到土中中，基礎側面附近近的土體因垂直剪剪切而破壞。沖剪剪破壞時，地基中中沒有出現(xiàn)明顯的的連續(xù)滑動面，基基礎四周的地面不不隆起，基礎沒有有很大的傾斜，壓壓力與沉降的關系系曲線與局部剪切切破壞的情況類似似，不出現(xiàn)明顯的的轉折現(xiàn)象。94ps沖剪破壞型式的壓力~沉降關系曲曲線095地基剪切破壞的型型式，主要與土的壓縮性質有關關。一般地說，對于于堅硬或密實的土，地基將發(fā)生生整體剪切破壞；而對于松軟土，，將出現(xiàn)局部剪切破壞或沖剪破壞。96二、地基承載力地基承載力是指地基承受荷載的能力。在壓壓力與沉降的關系系曲線中，整體剪剪切破壞的曲線有有兩個轉折點，相相應于a點的荷載稱為臨塑荷載pcr，為地基土開始出出現(xiàn)剪切破壞時的的基底壓力；相應應于b點的壓力稱為地基極限承載力pu，是地基承受基礎礎荷載的極限壓力力，當基底壓力達達到pu時，地基就發(fā)生整整體剪切破壞。97ps0abpupcr整體剪切破壞型式式的壓力~沉降關系曲曲線98工程上，為了保證證建筑物的安全可靠，在基基礎設計時，必須把基底壓力限限制