土壓力的影響因素及其計算方法

關于土壓力的影響因素及其計算方法5.1概述在港口、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。擋土結構物的作用是用來擋住墻后的填土并承受來自填土的壓力。土體作用在擋土結構物上的壓力稱為土壓力本章的任務是討論土壓力的大小和分布規(guī)律的確定方法第2頁,共79頁，2024年2月25日，星期天概述第3頁,共79頁，2024年2月25日，星期天概述第4頁,共79頁，2024年2月25日，星期天概述第5頁,共79頁，2024年2月25日，星期天概述第6頁,共79頁，2024年2月25日，星期天概述第7頁,共79頁，2024年2月25日，星期天概述第8頁,共79頁，2024年2月25日，星期天概述第9頁,共79頁，2024年2月25日，星期天位移對土壓力的影響及三種土壓力土壓力的大小和分布規(guī)律不僅與擋土墻的高度、填土的性質有關，還與擋土墻的剛度及其位移關系密切，擋土墻的位移是決定因素主動被動第10頁,共79頁，2024年2月25日，星期天位移對土壓力的影響及三種土壓力靜止土壓力E0

擋土墻為剛性不動時，土處于靜止狀態(tài)不產生位移和變形，此時作用在擋土墻上的土壓力。主動土壓力Ea

擋土墻背離填土方向轉動或移動時，隨著位移量的逐漸增加，墻后土體受到的土壓力逐漸減小，當墻后填土達到極限平衡狀態(tài)時，土壓力降為最小值，這是作用在擋土墻上的土壓力。被動土壓力Ep

擋土墻向著填土方向轉動或移動時，隨著位移量的逐漸增加，墻后土體受到擠壓而引起土壓力逐漸增大，當墻后填土達到極限平衡狀態(tài)時，土壓力增大為最大值，這是作用在擋土墻上的土壓力。第11頁,共79頁，2024年2月25日，星期天影響土壓力的主要因素影響土壓力的主要因素:主要是擋土墻的位移方向和位移量的大??；其次是擋土墻的性質及填土的性質第12頁,共79頁，2024年2月25日，星期天5.2靜止土壓力計算靜止土壓力只發(fā)生在擋土墻為剛性，墻體不發(fā)生任何位移的情況，實際工程中，作用在深基礎側墻或者U形橋臺上土壓力，可近似看作靜止土壓力。按照水平向自重應力的計算公式確定第13頁,共79頁，2024年2月25日，星期天靜止土壓力計算若墻后填土為均勻體，則單位面積上靜止土壓力為靜止土壓力合力為1/3H第14頁,共79頁，2024年2月25日，星期天靜止土壓力計算若墻后填土中有地下水，則計算靜止土壓力時，水中土的重度應取浮重度形心1/3H2第15頁,共79頁，2024年2月25日，星期天靜止土壓力計算靜止土壓力計算的關鍵是靜止側壓力系數的確定。K0可由室內的或現場的靜止側壓力試驗來測定。對于砂或正常固結的粘土，可根據有效內摩擦角來確定:砂土K0=0.35—0.45;粘性土K0=0.5—0.7第16頁,共79頁，2024年2月25日，星期天5.3朗肯土壓力理論Rankine土壓力理論和Coulomb土壓力理論是計算主動土壓力和被動土壓力的兩種基本理論。朗肯土壓力理論：根據半空間的應力狀態(tài)和土的極限平衡條件得出土壓力的計算方法。

第17頁,共79頁，2024年2月25日，星期天Rankine土壓力理論的基本原理和

基本假定基本原理

認為墻后填土達到極限平衡狀態(tài)時，與墻背接觸的任一土單元體都處于極限平衡狀態(tài)，然后根據土單元體處于極限平衡狀態(tài)時應力所滿足的條件來建立土壓力的計算公式基本假定

土體是具有水平表面的半無限體，擋土墻是剛性的，墻背豎直光滑。采用這樣假定的目的是控制墻后單元體在水平和豎直方向的主應力方向。第18頁,共79頁，2024年2月25日，星期天Rankine土壓力理論的基本原理和基本假定第19頁,共79頁，2024年2月25日，星期天Rankine土壓力理論的基本原理和基本假定AOτσ主動狀態(tài)被動狀態(tài)σxmin=eaσx=K0σzσzσxmax=ep第20頁,共79頁，2024年2月25日，星期天Rankine土壓力理論的基本原理和基本假定

墻后土體處于朗肯主動土壓力狀態(tài)時，土體剪切破壞面與豎直面的夾角為45°-Ф/2；當墻后土體處于朗肯被動土壓力狀態(tài)時，土體剪切破壞面與水平面的夾角為45°-Ф/2。第21頁,共79頁，2024年2月25日，星期天Rankine主動土壓力計算基本計算公式（5－8）朗肯理論的主動土壓力系數第22頁,共79頁，2024年2月25日，星期天無粘性土的主動土壓力計算第23頁,共79頁，2024年2月25日，星期天無粘性土的主動土壓力計算

P1575.5-1.墻后填土表面有連續(xù)均布荷載的情況,當擋土墻墻后填土面有均布荷載q作用時，若填土重度為?,則將均布荷載換算成的當量土層厚度為q/?

第24頁,共79頁，2024年2月25日，星期天

粘性土的主動土壓力計算

ea=0第25頁,共79頁，2024年2月25日，星期天粘性土的主動土壓力計算臨界深度：對墻后填土為粘性土的擋土墻，若離填土面某一深度處的主動土壓力等于零，則該深度稱為臨界深度。墻后為粘性填土時的主動土壓力強度包括兩部分：一部分是由土自重引起的土壓力，另一部分是由土的粘聚力引起的土壓力。第26頁,共79頁，2024年2月25日，星期天粘性土的主動土壓力計算

有均布荷載時粘性土的主動土壓力第27頁,共79頁，2024年2月25日，星期天粘性土的主動土壓力計算有荷載出現拉力區(qū)不出現拉力區(qū)第28頁,共79頁，2024年2月25日，星期天Rankine被動土壓力計算基本計算公式（5－8）第29頁,共79頁，2024年2月25日，星期天無粘性土被動土壓力的計算第30頁,共79頁，2024年2月25日，星期天無粘性土被動土壓力的計算第31頁,共79頁，2024年2月25日，星期天粘性土被動土壓力的計算第32頁,共79頁，2024年2月25日，星期天粘性土被動土壓力的計算第33頁,共79頁，2024年2月25日，星期天填土中有地下水時的土壓力計算當墻后填土中有水時，需考慮地下水位以下的填土由于浮力作用使有效重量減輕引起的土壓力減小，水下填土部分采用浮容重進行計算。當墻后填土有地下水時，作用在墻背上的側壓力有土壓力和水壓力兩部分

當墻后無粘性填土中地下水位逐漸上升時，墻背上的側壓力產生的變化是增大

在計算作用在墻背上的總壓力應包括水壓力和土壓力的作用。第34頁,共79頁，2024年2月25日，星期天填土中有地下水時的土壓力計算

(P158-159)第35頁,共79頁，2024年2月25日，星期天填土為成層土時的土壓力計算

(P157-158)由于各層填土重度不同，使得填土豎向應力分布在土層交界面上出現轉折由于各層填土粘聚力和內摩擦角不同，所以在計算主動或被動土壓力系數時，需采用計算點所在土層的粘聚力和內摩擦角第36頁,共79頁，2024年2月25日，星期天填土為成層土時的土壓力計算第37頁,共79頁，2024年2月25日，星期天5.4庫侖土壓力理論假設擋土墻剛性、墻后填土為無粘性土。以整個滑動土體上力的平衡條件來確定土壓力庫侖理論假定墻后土體中的滑裂面是通過墻踵的平面庫侖土壓力理論：根據墻后土體處于極限平衡狀態(tài)并形成一滑動楔體時，從楔體的靜力平衡條件得出土壓力的理論。填土AφBDCE第38頁,共79頁，2024年2月25日，星期天無粘性土主動土壓力的計算第39頁,共79頁，2024年2月25日，星期天無粘性土主動土壓力的計算正弦定律計算自重第40頁,共79頁，2024年2月25日，星期天無粘性土主動土壓力的計算主動土壓力是假定一系列破壞面計算出的土壓力中的最大值第41頁,共79頁，2024年2月25日，星期天無粘性土主動土壓力的計算第42頁,共79頁，2024年2月25日，星期天無粘性土被動土壓力的計算第43頁,共79頁，2024年2月25日，星期天無粘性土被動土壓力的計算W代入第44頁,共79頁，2024年2月25日，星期天無粘性土被動土壓力的計算當擋土墻向填土方向擠壓時，最危險滑動面上的P值一定是最小的，因為此時滑動土體所受阻力最小，最容易被向上推出，所以作用在墻背上的被動土壓力EP值，應是假定一系列破壞面上計算出的土壓力最小值Pmin第45頁,共79頁，2024年2月25日，星期天庫爾曼圖解法上述的庫侖土壓力計算是基于填土表面為平面的假定建立的，若填土的表面不是平面，而是折線或曲線時，就不能應用前述解析解直接計算，此時可以用圖解法。第46頁,共79頁，2024年2月25日，星期天庫爾曼圖解法第47頁,共79頁，2024年2月25日，星期天庫爾曼圖解法填土FφAL90-ε-φ0C1W1n1m1第48頁,共79頁，2024年2月25日，星期天粘性填土的土壓力粘性填土與無粘性填土相比，抗剪強度中包括粘聚力的貢獻，因此采用庫侖土壓力理論對滑動塊體進行受力分析時，當墻后填土達到極限平衡狀態(tài)時，力矢多邊形需考慮墻背面和滑動面上粘聚力。粘性填土的庫侖土壓力確定可采用試算圖解法第49頁,共79頁，2024年2月25日，星期天粘性填土的土壓力對于工程實際中粘性填土問題，往往采用等代內摩擦角法，不直接考慮粘性填土粘聚力的影響，而是用一個等代內摩擦角來代替粘土的兩個強度指標，然后再按無粘性填土問題求解。第50頁,共79頁，2024年2月25日，星期天填土中有地下水時土壓力的計算在計算水下土體重量時，應采用浮容重進行計算?？紤]水的存在引起土的抗剪強度的降低考慮水壓力的作用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。第51頁,共79頁，2024年2月25日，星期天土壓力問題的討論朗肯與庫侖土壓力理論存在的主要問題朗肯與庫侖土壓力理論的適應性三種典型土壓力理論在實際工程中的應用擋土墻位移對土壓力分布的影響第52頁,共79頁，2024年2月25日，星期天朗肯與庫侖土壓力理論存在的主要問題朗肯理論基于土單元體的應力極限平衡條件來建立，采用的假定是墻背豎直光滑，填土面為水平，其計算結果偏于保守。庫侖土壓力理論基于滑動塊體的靜力平衡條件來建立，采用的假定是破壞面為平面。但當墻背與填土的摩擦角較大時，在土體中產生的滑動面往往是一個曲面，會產生較大的誤差。第53頁,共79頁，2024年2月25日，星期天朗肯與庫侖土壓力理論存在的主要問題

在實際工程中，當墻背傾斜角較大超過一定范圍后，滑動塊體不會沿墻背滑動，而是沿著途中某一平面滑動，即產生所謂的第二滑裂面第54頁,共79頁，2024年2月25日，星期天朗肯土壓力理論的優(yōu)缺點

朗肯土壓力理論應用半空間中的應力狀態(tài)和極限平衡理論計算土壓力，概念比較明確，公式簡單，應用方便，對于粘性土和無粘性土都可以用該公式直接計算，故在工程中得到青睞。但為了使墻后填土中的應力狀態(tài)符合半空間應力狀態(tài)，必須假設墻背是直立光滑的，填土面是水平的，因而使其應用范圍受到限制，并由于該理論忽略了墻背與填土之間摩擦的影響，使計算的主動土壓力偏大，被動土壓力偏小。第55頁,共79頁，2024年2月25日，星期天庫侖土壓力理論的優(yōu)缺點

庫侖土壓力理論根據墻后滑動土楔的靜力平衡條件推導得出土壓力計算公式，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，但由于該理論假設填土是無粘性土，因此不能用庫侖公式直接計算粘性填土的土壓力。庫侖土壓力理論假設墻后填土破壞時，破裂面是一平面，而實際上是一曲面，因此，庫侖土壓力理論計算結果與按曲面的計算結果有出入，這種偏差在計算被動土壓力時尤為嚴重。第56頁,共79頁，2024年2月25日，星期天朗肯與庫侖土壓力理論的適應性朗肯理論求得的是墻背各點土壓力強度分布，而庫侖理論求得的是墻背上的總土壓力朗肯理論適用于填土表面為水平的無粘性土或粘性土的土壓力計算庫侖理論只適用于填土表面為水平或傾斜的無粘性土，對粘性土只能用圖解法計算被動土壓力的計算常采用朗肯理論擋土墻在滿足墻背直立光滑且填土面水平的條件下，庫侖土壓力理論與朗肯土壓力理論計算得到的土壓力是一致的

第57頁,共79頁，2024年2月25日，星期天三種典型土壓力在實際工程中的應用第58頁,共79頁，2024年2月25日，星期天擋土墻位移對土壓力分布的影響擋土墻下端不動，上端向外移動，無論位移多少，作用在墻背上的壓力都按直線分布。當墻上端的移動達到一定數值后，墻后填土會發(fā)生主動破壞，此時作用在墻上的土壓力稱為主動土壓力。第59頁,共79頁，2024年2月25日，星期天擋土墻位移對土壓力分布的影響擋土墻上端不動，下端向外移動，無論位移達到多大，都不能使填土內發(fā)生主動破壞，壓力為曲線分布，總壓力作用點位移墻底以上越H/2處第60頁,共79頁，2024年2月25日，星期天擋土墻位移對土壓力分布的影響擋土墻的上端和下端都向外移動，當位移的大小未達到足以使填土發(fā)生主動破壞時，壓力也是稱為曲線分布，當位移超過某一值后填土將發(fā)生主動破壞，應力成直線分布。第61頁,共79頁，2024年2月25日，星期天工程中擋土墻的土壓力計算實際工程中所遇到的土壓力計算往往比較復雜，有時不能直接用朗肯和庫侖土壓力理論求解，需要某種近似方法簡化處理填土表面有局部均布荷載時的土壓力計算坦墻墻背上的土壓力折線墻背面上的土壓力開挖情況下的土壓力地震時的土壓力第62頁,共79頁，2024年2月25日，星期天填土表面有局部均布荷載時的土壓力計算均布荷載自墻后某一距離開始連續(xù)分布第63頁,共79頁，2024年2月25日，星期天填土表面有局部均布荷載時的土壓力計算均布荷載分布在墻后某一寬度范圍內第64頁,共79頁，2024年2月25日，星期天坦墻墻背上的土壓力第65頁,共79頁，2024年2月25日，星期天開挖情況下的土壓力第66頁,共79頁，2024年2月25日，星期天5.6非極限土壓力的計算1．考慮位移時的土壓力計算在相同條件下，非極限土壓力大于主動土壓力，小于被動土壓力。即：

考慮位移的土壓力計算公式可表達為：第67頁,共79頁，2024年2月25日，星期天非極限土壓力的計算

考慮位移的土壓力計算公式能反映位移對土壓力的影響，適用于非極限位移時土壓力的計算，這樣計算得到的土壓力比主動土壓力大，比被動土壓力小。在基坑開挖工程中有實用價值。第68頁,共79頁，2024年2月25日，星期天2．土壓力隨時間的發(fā)展規(guī)律土體具有隨時間而變化的特性，即流變特性。土體的剪應力松弛特性對擋土建筑物的土壓力有很大影響。應力松弛的結果使主動土壓力增大，而使被動土壓力減小，最后兩者都趨于靜止土壓力。擋土墻的位移和時間因素是耦合作用的，根據位移和時間對土壓力的影響分析，可將土壓力的計算表示為下面的公式：第69頁,共79頁，2024年2月25日，星期天土壓力隨時間的發(fā)展規(guī)律第70頁,共79頁，2024年2月25日，星期天5.7擋土墻的設計與計算

1.擋土墻的類型選擇常用的是重力式、懸臂式與扶壁式三種重力式擋土墻懸臂式擋土墻扶壁式擋土墻錨定板擋土墻加筋土擋土墻

第71頁,共79頁，2024年2月25日，星期天2擋土墻斷面尺寸的確定

擋土墻斷面尺寸常用試算法確定。首先，根據擋土墻所處的條件(工程地質、填土性質、墻體材料和施工條件等)，憑經驗初步擬定斷面尺寸，然后進行擋士墻穩(wěn)定性和強度的驗算，以判斷是否滿足有關規(guī)范或規(guī)定的要求。如果達不到要求，則須調整斷面尺寸或采取其他措施，重新進行驗算，直到符合安全可靠、經濟合理的要求為止。第72頁,共79頁，2024年2月25日，星期天3擋土墻的穩(wěn)定驗算抗滑