擋土結(jié)構(gòu)物的土壓力

第七章 擋土結(jié)構(gòu)物的土壓力§7.1概述§7.2朗肯土壓力理論§7.3庫侖土壓力理論§7.4土壓力計(jì)算方法的一些問題＊§7.5擋土墻設(shè)計(jì)§7.6新型擋土結(jié)構(gòu)＊主要內(nèi)容§7.1土壓力概述土壓力通常是指擋土墻后的填土因自重或外荷載作用對(duì)墻背產(chǎn)生的側(cè)壓力E填土面碼頭橋臺(tái)E隧道側(cè)墻EE一、土壓力類型被動(dòng)土壓力主動(dòng)土壓力靜止土壓力土壓力1.靜止土壓力

擋土墻在壓力作用下不發(fā)生任何變形和位移，墻后填土處于彈性平衡狀態(tài)時(shí)，作用在擋土墻背的土壓力Eo2.主動(dòng)土壓力

在土壓力作用下，擋土墻離開土體向前位移至一定數(shù)值，墻后土體達(dá)到主動(dòng)極限平衡狀態(tài)時(shí)，作用在墻背的土壓力滑裂面Ea3.被動(dòng)土壓力

播放動(dòng)畫播放動(dòng)畫Ep滑裂面在外力作用下，擋土墻推擠土體向后位移至一定數(shù)值，墻后土體達(dá)到被動(dòng)極限平衡狀態(tài)時(shí)，作用在墻上的土壓力4.三種土壓力之間的關(guān)系

-△+△+△-△Eo△a△pEaEoEp對(duì)同一擋土墻，在填土的物理力學(xué)性質(zhì)相同的條件下有以下規(guī)律：1.Ea

＜Eo

＜＜Ep2.

△p

＞＞△a二、靜止土壓力計(jì)算作用在擋土結(jié)構(gòu)背面的靜止土壓力可視為天然土層自重應(yīng)力的水平分量

K0h

hzK0zzh/3靜止土壓力系數(shù)靜止土壓力強(qiáng)度

靜止土壓力系數(shù)測(cè)定方法：

1.通過側(cè)限條件下的試驗(yàn)測(cè)定2.采用經(jīng)驗(yàn)公式K0

=1-sinφ’

計(jì)算3.按相關(guān)表格提供的經(jīng)驗(yàn)值確定靜止土壓力分布

土壓力作用點(diǎn)三角形分布

作用點(diǎn)距墻底h/3

§7.2朗肯土壓力理論一、朗肯土壓力基本理論1.擋土墻背垂直、光滑2.填土表面水平3.墻體為剛性體σz=zσx＝K0zzf=0pa＝Kazpp＝Kpz增加減小45o-/245o＋/2大主應(yīng)力方向主動(dòng)伸展被動(dòng)壓縮小主應(yīng)力方向pappfzK0zf=c+tan土體處于彈性平衡狀態(tài)主動(dòng)極限平衡狀態(tài)被動(dòng)極限平衡狀態(tài)水平方向均勻壓縮伸展壓縮主動(dòng)朗肯狀態(tài)被動(dòng)朗肯狀態(tài)水平方向均勻伸展處于主動(dòng)朗肯狀態(tài)，σ1方向豎直，剪切破壞面與豎直面夾角為45o-/245o-/245o＋/2處于被動(dòng)朗肯狀態(tài)，σ3方向豎直，剪切破壞面與豎直面夾角為45o＋/2二、主動(dòng)土壓力45o＋/2h擋土墻在土壓力作用下，產(chǎn)生離開土體的位移，豎向應(yīng)力保持不變，水平應(yīng)力逐漸減小，位移增大到△a，墻后土體處于朗肯主動(dòng)狀態(tài)時(shí)，墻后土體出現(xiàn)一組滑裂面，它與大主應(yīng)力面夾角45o＋/2，水平應(yīng)力降低到最低極限值z(mì)(σ1)pa(σ3)極限平衡條件朗肯主動(dòng)土壓力系數(shù)朗肯主動(dòng)土壓力強(qiáng)度zh/3EahKa討論：當(dāng)c=0,無粘性土朗肯主動(dòng)土壓力強(qiáng)度h1.無粘性土主動(dòng)土壓力強(qiáng)度與z成正比，沿墻高呈三角形分布2.合力大小為分布圖形的面積，即三角形面積3.合力作用點(diǎn)在三角形形心，即作用在離墻底h/3處2c√KaEa(h-z0)/3當(dāng)c＞0,粘性土h粘性土主動(dòng)土壓力力強(qiáng)度包括兩部分分1.土的自重引起的土土壓力zKa2.粘聚力c引起的負(fù)側(cè)壓力2c√Ka說明：負(fù)側(cè)壓力是一種拉拉力，由于土與結(jié)結(jié)構(gòu)之間抗拉強(qiáng)度度很低，受拉極易易開裂，在計(jì)算中中不考慮負(fù)側(cè)壓力深度為臨臨界深度z01.粘性土主動(dòng)土土壓力強(qiáng)度存在負(fù)負(fù)側(cè)壓力區(qū)（計(jì)算中不考慮））2.合力大小為分布圖圖形的面積（不計(jì)負(fù)側(cè)壓力部部分）3.合力作用點(diǎn)在在三角形形心，即即作用在離墻底(h-z0)/3處z0hKa-2c√Ka三、被動(dòng)土壓力極限平衡條件朗肯被動(dòng)土壓力系系數(shù)朗肯被動(dòng)土壓力強(qiáng)強(qiáng)度z(σ3)pp(σ1)45o－/2hz擋土墻在外外力作用下下，擠壓墻墻背后土體體，產(chǎn)生位位移，豎向向應(yīng)力保持持不變，水水平應(yīng)力逐逐漸增大，，位移增大大到△p，墻后土體體處于朗肯肯被動(dòng)狀態(tài)態(tài)時(shí)，墻后后土體出現(xiàn)現(xiàn)一組滑裂裂面，它與與小主應(yīng)力力面夾角45o－/2，水平應(yīng)力力增大到最最大極限值值討論：當(dāng)c=0,無粘性土朗肯被動(dòng)土土壓力強(qiáng)度度1.無粘性性土被動(dòng)土土壓力強(qiáng)度度與z成正比，沿沿墻高呈三三角形分布布2.合力大小為為分布圖形形的面積，，即三角形形面積3.合力作作用點(diǎn)在三三角形形心心，即作用用在離墻底底h/3處hhKph/3Ep當(dāng)c＞0,粘性土粘性土主動(dòng)動(dòng)土壓力強(qiáng)強(qiáng)度包括兩兩部分1.土的自重引引起的土壓壓力zKp2.粘聚力c引起的側(cè)壓壓力2c√Kp說明：側(cè)壓力是一一種正壓力力，在計(jì)算算中應(yīng)考慮慮1.粘性土土被動(dòng)土壓壓力強(qiáng)度不不存在負(fù)側(cè)側(cè)壓力區(qū)2.合力大小為為分布圖形形的面積，，即梯形分分布圖形面面積3.合力作作用點(diǎn)在梯梯形形心土壓力合力力hEp2c√KphKp＋2c√Kphp四、例題分分析【例】有一擋土墻墻，高6米米，墻背直直立、光滑滑，墻后填填土面水平平。填土為為粘性土，，其重度、、內(nèi)摩擦角角、粘聚力力如下圖所所示，求主動(dòng)土壓壓力及其作作用點(diǎn)，并并繪出主動(dòng)動(dòng)土壓力分分布圖h=6m=17kN/m3c=8kPa=20o【解答】主動(dòng)土壓力力系數(shù)墻底處土壓壓力強(qiáng)度臨界深度主動(dòng)土壓力力主動(dòng)土壓力力作用點(diǎn)距距墻底的距距離2c√Kaz0Ea(h-z0)/36mhKa-2c√Ka五、幾種常常見情況下下土壓力計(jì)計(jì)算1.填土表表面有均布布荷載（以無粘性性土為例））z＋qh填土表面深深度z處豎向應(yīng)力力為(q+z)AB相應(yīng)主動(dòng)土土壓力強(qiáng)度度A點(diǎn)土壓力強(qiáng)強(qiáng)度B點(diǎn)土壓力強(qiáng)強(qiáng)度若填土為粘粘性土，c＞0臨界深度z0z0＞0說明存在負(fù)負(fù)側(cè)壓力區(qū)區(qū)，計(jì)算中中應(yīng)不考慮慮負(fù)壓力區(qū)區(qū)土壓力z0≤0說明不存在在負(fù)側(cè)壓力力區(qū)，按三三角形或梯梯形分布計(jì)計(jì)算zq2.成層填填土情況（以無粘性性土為例））ABCD1，12，23，3paApaB上paB下paC下paC上paD擋土墻后有有幾層不同同類的土層層，先求豎豎向自重應(yīng)應(yīng)力，然后后乘以該土層的主動(dòng)土壓壓力系數(shù)，，得到相應(yīng)應(yīng)的主動(dòng)土土壓力強(qiáng)度度h1h2h3A點(diǎn)B點(diǎn)上界面B點(diǎn)下界面C點(diǎn)上界面C點(diǎn)下界面D點(diǎn)說明：合力大小為為分布圖形形的面積，，作用點(diǎn)位位于分布圖圖形的形心心處3.墻后填填土存在地地下水（以無粘性性土為例））ABC(h1+

h2)Kawh2擋土墻后有有地下水時(shí)時(shí)，作用在在墻背上的的土側(cè)壓力力有土壓力和水壓力兩部分，可可分作兩層層計(jì)算，一一般假設(shè)地地下水位上上下土層的的抗剪強(qiáng)度度指標(biāo)相同同，地下水位以以下土層用用浮重度計(jì)計(jì)算A點(diǎn)B點(diǎn)C點(diǎn)土壓力強(qiáng)度度水壓力強(qiáng)度度B點(diǎn)C點(diǎn)作用在墻背背的總壓力力為土壓力力和水壓力力之和，作作用點(diǎn)在合合力分布圖圖形的形心心處h1h2h六、例題分分析【例】擋土墻高5m，墻背直立、、光滑，墻墻后填土面面水平，共共分兩層。。各層的物物理力學(xué)性性質(zhì)指標(biāo)如如圖所示，，試求主動(dòng)動(dòng)土壓力Ea，并繪出土壓壓力分布圖圖h=5m1=17kN/m3c1=01=34o2=19kN/m3c2=10kPa2=16oh1

=2mh2

=3mABCKa1＝0.307Ka2＝0.568【解答】ABCh=5mh1=2mh2=3mA點(diǎn)B點(diǎn)上界面B點(diǎn)下界面C點(diǎn)主動(dòng)土壓力力合力10.4kPa4.2kPa36.6kPa§7.3庫侖土壓壓力理論論一、庫侖侖土壓力力基本假假定1.墻后后的填土土是理想想散粒體體2.滑動(dòng)動(dòng)破壞面面為通過過墻踵的的平面3.滑動(dòng)動(dòng)土楔為為一剛塑塑性體，，本身無無變形二、庫侖侖土壓力力αβδGhCABq墻向前移移動(dòng)或轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，，墻后土土體沿某某一破壞壞面BC破壞，土土楔ABC處于主動(dòng)動(dòng)極限平平衡狀態(tài)態(tài)土楔受力力情況：：3.墻背背對(duì)土楔楔的反力力E,大小未知知，方向向與墻背背法線夾夾角為δER1.土楔楔自重G=△ABC,方向豎直直向下2.破破壞面為為BC上的反力力R,大小未知知，方向向與破壞壞面法線線夾角為為土楔在三三力作用用下，靜靜力平衡衡αβδGhACBqER滑裂面是是任意給給定的，，不同滑滑裂面得得到一系系列土壓壓力E，E是q的函數(shù)，E的最大值Emax，即為墻背背的主動(dòng)動(dòng)土壓力力Ea，所對(duì)應(yīng)應(yīng)的滑動(dòng)動(dòng)面即是是最危險(xiǎn)險(xiǎn)滑動(dòng)面面庫侖主動(dòng)動(dòng)土壓力力系數(shù)，，查表確確定土對(duì)擋土土墻背的的摩擦角角，根據(jù)據(jù)墻背光光滑，排排水情況況查表確確定主動(dòng)土壓壓力與墻墻高的平平方成正正比主動(dòng)土壓壓力強(qiáng)度度主動(dòng)土壓壓力強(qiáng)度度沿墻高高呈三角角形分布布，合力力作用點(diǎn)點(diǎn)在離墻墻底h/3處，方向向與墻背背法線成成δ，與水平面成（α＋δ）hhKahαβACBδαEah/3說明：土壓力強(qiáng)度分分布圖只代表表強(qiáng)度大小，，不代表作用用方向主動(dòng)土壓力三、例題分析析【例】擋土墻高4.5m，墻背俯斜，填填土為砂土，，=17.5kN/m3，=30o，填土坡角、、填土與墻背背摩擦角等指指標(biāo)如圖所示示，試按庫侖侖理論求主動(dòng)動(dòng)土壓力Ea及作用點(diǎn)α=10oβ=15oδ=20o4.5mABα=10oEah/3【解答】由α=10o，β=15o，=30o，δ=20o查表得到土壓力作用點(diǎn)點(diǎn)在距墻底h/3=1.5m處§7.4土壓力計(jì)算方方法討論一、朗肯與庫庫侖土壓力理理論存在的主主要問題朗肯土壓力理理論基于土單元體的應(yīng)應(yīng)力極限平衡衡條件建立的，采用用墻背豎直、光光滑、填土表表面水平的假定，與實(shí)實(shí)際情況存在在誤差，主動(dòng)土壓力偏偏大，被動(dòng)土土壓力偏小庫侖土壓力理理論基于滑動(dòng)塊體的靜靜力平衡條件件建立的，采用用破壞面為平面面的假定，與實(shí)實(shí)際情況存在在一定差距（（尤其是當(dāng)墻墻背與填土間間摩擦角較大大時(shí)）二、三種土壓壓力在實(shí)際工工程中的應(yīng)用用擋土墻直接澆澆筑在巖基上上，墻的剛度度很大，墻體體位移很小，，不足以使填填土產(chǎn)生主動(dòng)動(dòng)破壞，可以以近似按照靜靜止土壓力計(jì)計(jì)算巖基E0擋土墻產(chǎn)生離離開填土方向向位移，墻后后填土達(dá)到極極限平衡狀態(tài)態(tài)，按主動(dòng)土土壓力計(jì)算。。位移達(dá)到墻墻高的0.1%～0.3%,填填土就可能發(fā)發(fā)生主動(dòng)破壞壞。Ea30%Ep擋土墻產(chǎn)生向向填土方向的的擠壓位移，，墻后填土達(dá)達(dá)到極限平衡衡狀態(tài)，按被被動(dòng)土壓力計(jì)計(jì)算。位移需需達(dá)到墻高的的2%～5%,工程上一一般不允許出出現(xiàn)此位移，，因此驗(yàn)算穩(wěn)穩(wěn)定性時(shí)不采采用被動(dòng)土壓壓力全部，通通常取其30％三、擋土墻位位移對(duì)土壓力力分布的影響響擋土墻下端不不動(dòng)，上端外外移，墻背壓壓力按直線分分布，總壓力力作用點(diǎn)位于于墻底以上H/3擋土墻上端不不動(dòng)，下端外外移，墻背填填土不可能發(fā)發(fā)生主動(dòng)破壞壞，壓力為曲曲線分布，總總壓力作用點(diǎn)點(diǎn)位于墻底以以上約H/2擋土墻上端和和下端均外移移，位移大小小未達(dá)到主動(dòng)動(dòng)破壞時(shí)位移移時(shí)，壓力為為曲線分布，，總壓力作用用點(diǎn)位于墻底底以上約H/2,當(dāng)位移超過某某一值，填土土發(fā)生主動(dòng)破破壞時(shí)，壓力力為直線分布布，總壓力作作用點(diǎn)降至墻墻高1/3處處H/3H/2H/3四、不同情況況下?lián)跬翂ν镣翂毫τ?jì)算1.墻后有局局部均布荷載載情況局部均布荷載載只沿虛線間間土體向下傳傳遞，由q引起的側(cè)壓力力增加范圍局局限于CD墻段2.填土面不不規(guī)則的情況況填土面不規(guī)則情情況，采用作圖圖法求解，假定定一系列滑動(dòng)面面，采用靜力平平衡求出土壓力力中最大值3.墻背為折線線形情況墻背由不同傾角角的平面AB和BC組成，先以BC為墻背計(jì)算BC面上土壓力E1及其分布，然后后以AB的延長(zhǎng)線AC作為墻背計(jì)算ABC面上土壓力,只只計(jì)入AB段土壓力E2，將兩者壓力疊加加得總壓力五、《規(guī)范》土土壓力計(jì)算公式式BACCE2E1hδEazqαβABpapb主動(dòng)土壓力其中：yc為主動(dòng)土壓力增增大系數(shù)分布情況§7.5擋擋土墻設(shè)計(jì)一、擋土墻類型型1.重力式擋土土墻塊石或素混凝土土砌筑而成，靠靠自身重力維持持穩(wěn)定，墻體抗抗拉、抗剪強(qiáng)度度都較低。墻身身截面尺寸大，，一般用于低擋擋土墻。2.懸臂式擋土土墻鋼筋混凝土建造造，立臂、墻趾趾懸臂和墻踵懸懸臂三塊懸臂板板組成，靠墻踵踵懸臂上的土重重維持穩(wěn)定，墻墻體內(nèi)拉應(yīng)力由由鋼筋承擔(dān)，墻墻身截面尺寸小小，充分利用材材料特性，市政政工程中常用墻頂墻基墻趾墻面墻背墻趾墻踵立壁鋼筋3.扶壁式擋土土墻針對(duì)懸臂式擋土土墻立臂受力后后彎矩和撓度過過大缺點(diǎn)，增設(shè)設(shè)扶壁，扶壁間間距（0.8～1.0）h，墻體穩(wěn)定靠扶壁壁間填土重維持持4.錨定板式與與錨桿式擋土墻墻預(yù)制鋼筋混凝土土面板、立柱、、鋼拉桿和埋在在土中錨定板組組成，穩(wěn)定由拉拉桿和錨定板來來維持墻趾墻踵扶壁墻板錨定板基巖錨桿二、擋土墻計(jì)算算1.穩(wěn)定性驗(yàn)算算：抗傾覆穩(wěn)定和抗抗滑穩(wěn)定2.地基承載力力驗(yàn)算擋土墻計(jì)算內(nèi)容容3.墻身強(qiáng)度驗(yàn)驗(yàn)算抗傾覆穩(wěn)定驗(yàn)算算zfEaEazEaxGaa0d抗傾覆穩(wěn)定條件件擋土墻在土壓力力作用下可能繞繞墻趾O點(diǎn)向外傾覆Ox0xfbz抗滑穩(wěn)定驗(yàn)算抗滑穩(wěn)定條件EaEanEatdGGnGtaa0O擋土墻在土壓力力作用下可能沿沿基礎(chǔ)底面發(fā)生生滑動(dòng)三、重力式擋土