3--挡土墙与边坡工程

建筑施工现场“八大员”岗位资格考试及技能抽查要求掌握朗肯土压力理论和库仑土压力理论的基本知识，并能将其应用于一般工程问题。学会重力式挡土墙设计的基本知识。教学目标知识目标掌握静止土压力、主动土压力、被动土压力的基本概念。掌握朗肯土压力理论和库仑土压力理论的基本知识。熟悉有超载、成层土、有地下水情况等实际工程中的挡土墙土压力计算。掌握重力式挡土墙计算的基本内容。能力目标能正确计算挡土墙的土压力；能进行简单重力式挡土墙的设计，并指导施工。素质目标通过本模块的学习，培养学生理论联系实践的工程素质。通过本模块的学习，培养学生良好的组织、团队协作和沟通能力。模块四挡土墙与边坡工程§4.1挡土墙的认知与设计§4.2边坡稳定性计算模块四挡土墙与边坡工程挡土墙是一种用来侧向支撑土体或防止土体下滑的构筑物，在房屋建筑、铁路桥梁以及水利工程等木工程中应用很广，例如，边坡挡土墙、地下室侧墙、重力式码头的岸壁、桥台、散料仓库、板桩墙及地下洞室的侧墙等。§4.1挡土墙的认知与设计4.1.1挡土墙的形式及在工程中的应用按挡墙结构形式，挡土墙可分为：重力式挡土墙、悬壁式及扶壁式挡土墙、锚杆挡土墙、锚定板挡土墙、加筋土挡土墙及土钉挡土墙等。按墙体结构材料，挡土墙可分为：石砌挡土墙、混凝土挡土墙、钢筋混凝土挡土墙、钢板挡土墙等。建成后的坡间挡土墙挡土墙发生事故的例子多瑙河码头岸墙滑动英国伦敦铁路挡土墙滑动图垮塌的重力式挡墙垮塌的护坡挡墙失稳的立交桥加筋土挡土墙山体滑坡峨眉山山体滑坡正在抢修挡土墙后的被支撑土体作用于挡土墙上的侧向压力，称为土压力。E填土面码头桥台E隧道侧墙E§4.1挡土墙的认知与设计4.1.2土压力计算静止压力被动土压力主动土压力土压力一、土压力类型1.静止土压力挡土墙在压力作用下不发生任何方向的位移或转动，墙后填土处于弹性平衡状态时（静止状态），作用在挡土墙背的土压力Eo被动土压力主动土压力静止土压力土压力2.主动土压力在土压力作用下，挡土墙离开土体向前位移或转动，墙后土体达到主动极限平衡状态时，作用在墙背的土压力3.被动土压力在外力作用下，挡土墙推挤土体向后位移至一定数值，墙后土体达到被动极限平衡状态时，作用在墙上的土压力滑裂面EaEp滑裂面4.三种土压力之间的关系-△+△+△-△Eo△a△pEaEoEp对同一挡土墙，在填土的物理力学性质相同的条件下有以下规律：1.Ea＜Eo＜＜Ep2.△p＞＞△a研究土压力的目的1．设计挡土构筑物，如挡土墙，地下室侧墙，桥台和贮仓等；2．地下构筑物和基础的施工、地基处理方面；3．地基承载力的计算，岩石力学和埋管工程等领域。影响土压力的因素挡土墙的土压力不是一个常量，其土压力的性质、大小及沿墙高的分布规律与很多因素有关1．挡土墙的位移方向和位移量；2．挡土墙的性质、墙背的光滑程度和结构形式；3．墙后填土的性质，包括填土的重度、含水量、内摩擦角和黏聚力的大小及填土面得倾斜程度。hvhvh=0zzzH(a)(b)静止土压力强度可按半空间直线变形体在土的自重作用下无侧向变形时的水平侧向应力h来计算。下图表示半无限土体中深度为z处土单元的应力状态：二、静止土压力计算设想用一挡土墙代替单元体左侧的土体，挡土墙墙背光滑，则墙后土体的应力状态并没有变化，仍处于侧限应力状态。竖向应力为自重应力：z=z水平向应力为原来土体内部应力变成土对墙的应力，即为静止土压力强度p0：0=h=K0zK0HH3E0(c)zp(d)h=0zzH(b)静止土压力沿墙高呈三角形分布，作用于墙背面单位长度上的总静止土压力：E0的作用点位于墙底面往上1/3H处，单位[kN/m]。（d）图是处在静止土压力状态下的土单元的应力摩尔圆，可以看出，这种应力状态离破坏包线很远，属于弹性平衡应力状态。2000021HKdzEHE0H3H静止土压力的分布朗肯土压力简介土的极限平衡条件半空间的应力状态土压力的计算方法三、郎肯土压力理论朗肯土压力理论是根据半无限土体内的应力状态和土的极限平衡条件得出的土压力计算方法。朗肯将上述原理应用于挡土墙的土压力计算中，设想用墙背竖直且光滑的挡土墙代替半无限土体左边的土，则墙背与土的接触面上满足剪应力为零的边界应力条件以及产生主动或被动朗肯状态的边界变形条件，由此可推导出主动和被动土压力的计算公式。朗肯土压力理论的假设：1.挡土墙背面竖直2.墙背光滑3.墙后填土面水平0zK0ztgcf弹性平衡状态时的莫尔圆自重应力zz竖直截面上的法向应力zKx0朗肯土压力类型1.土体在水平方向伸展单元体在水平截面上的法向应力z不变，而竖直截面上的法向应力x却逐渐减小，直至满足极限平衡条件（称为主动朗肯状态）。0zK0zatgcf主动朗肯状态时的莫尔圆2.土体在水平方向压缩单元体在水平截面上的法向应力z不变而竖直截面上的法向应力x却逐渐增大，直至满足极限平衡条件（称为被动朗肯状态）。0zK0zptgcf被动朗肯状态时的莫尔圆0zK0zaptgcf三种状态时的莫尔圆pappfzK0z土体处于弹性平衡状态主动极限平衡状态被动极限平衡状态水平方向均匀压缩伸展压缩主动朗肯状态被动朗肯状态水平方向均匀伸展处于主动朗肯状态，σ1方向竖直，剪切破坏面与竖直面夹角为45o-/245o-/245o＋/2处于被动朗肯状态，σ3方向竖直，剪切破坏面与竖直面夹角为45o＋/21.无粘性土)245()245(213231tgtg或（一）土体的极限平衡状态朗肯土压力计算公式2.粘性土)245(2)245()245(2)245(213231tgctgtgctg或aaazKztg或)245(21.无粘性土（二）主动土压力计算aaaKHEtgHE22221)245(21或EaH3H无粘性土的主动土压力强度分布图aHK2.粘性土aaaaKczKtgcztg2)245(2)245(2或2202221)2)((21cKcHKHKcHKzHEaaaaaaKcz20临界深度EaH30zH粘性土的主动土压力强度分布图aHKadebc0z（三）被动土压力计算1.无粘性土pppzKztg或)245(2ppKHE221Ep无粘性土的被动土压力强度分布图pHK3HH2.粘性土ppppKczKtgcztg2)245(2)245(2或pppKcHKHE2212EpppKcHK2pKc2粘性土的被动土压力强度分布图库仑土压力简介土的极限平衡状态滑动楔体静力平衡条件土压力的计算方法库伦土压力理论的基本假设：1.墙后的填土是理想的散粒体（粘聚力c=0）；2.滑动楔体为刚体；3.楔体沿着墙背及一个通过墙踵的平面滑动。四、库伦土压力理论（一）主动土压力按库伦理论求主动土压力作用于土楔上的力：1.土楔体的自重；2.破坏面上的反力R；3.墙背对土楔体的反力E；由土楔体的静力平衡条件得：ABCW)sin()sin(GE)sin()sin(cos)sin()cos()cos(2122HE作用在墙背上的土压力库伦主动土压力的一般表达式：或aaKHE2210ddEEmax所对应的挡土墙后填土的破坏角cr，即为真正滑动面的倾角。2222)(sin)(sin)sin()sin(1)(sinsin)(sin21HEa库伦主动土压力强度沿墙高呈三角形分布，主动土压力的作用点在距墙底H/3处。当墙背垂直、光滑，填土面水平时，库伦主动土压力的一般表达式与朗肯公式相同。)245(2122tgHEa（二）被动土压力按库伦理论求被动土压力按求主动土压力同样的原理可求得被动土压力的库伦公式为：2222)(sin)(sin)sin()sin(1)(sinsin)(sin21HEp或ppKHE221库伦被动土压力强度沿墙高呈三角形分布，被动土压力的作用点在距墙底H/3处。)245(2122tgHEp当墙背垂直、光滑，填土面水平时，库伦被动土压力的一般表达式与朗肯公式相同。五、土压力计算方法的一些问题——朗肯理论与库伦理论的比较1.朗肯土压力理论：（1）依据：半空间的应力状态和土的极限平衡条件（2）概念明确、计算简单、使用方便（3）理论假设条件（4）理论公式直接适用于粘性土和无粘性土（5）由于忽略了墙背与填土之间的摩擦，主动土压力偏大，被动土压力偏小。2.库伦土压力理论：（1）依据：墙后土体极限平衡状态、楔体的静力平衡条件（2）理论假设条件（3）理论公式仅直接适用于无粘性土（4）考虑了墙背与土之间的摩擦力，并可用于墙背倾斜，填土面倾斜的情况。但库伦理论假设破裂面是一平面，与按滑动面为曲面的计算结果有出入。六、几种常见情况的土压力计算1.填土表面作用均布荷载填土表面深度z处竖向应力为(q+z)相应主动土压力强度aaaKcKqzp2)(＋A点土压力强度（以无粘性土为例）aaAqKpB点土压力强度aaBKqhp)(＋z＋qhABzq利用重力等效原理假设填土为无粘性土墙顶主动土压力的强度：墙底主动土压力的强度：主动土压力分布图为梯形总主动土压力等于梯形的面积作用点：通过梯形的形心作用在墙背上aaqkaEaakHq)(aE2.墙后填土分层情况（以无粘性土为例）1，12，23，3Pa1上Pa1下pa2上Pa3上pa2下Pa3下挡土墙后有几层不同类的土层，先求竖向自重应力，然后乘以该土层的主动土压力系数，得到相应的主动土压力强度h1h2h301上ap1111aaKhp下2112aaKhp上222112)(aaKhhp下322113)(aaKhhp上33322113)(aaKhhhp下说明：合力大小为分布图形的面积，作用点位于分布图形的形心处3.墙后填土存在地下水（以无粘性土为例）ABC(h1+h2)Kawh2挡土墙后有地下水时，作用在墙背上的土侧压力有土压力和水压力两部分，地下水位以下的采用浮重度计算。作用在墙背的总压力为土压力和水压力之和，作用点在合力分布图形的形心处0aApA点B点aaBKhp1C点aaaCKhKhp21土压力强度水压力强度B点0wBpC点2hpwwCh1h2h七、《规范》法计算土压力《建筑地基基础设计规范GB50007-2011》规定，对土质边坡，边坡主动土压力应按式（4-19）进行计算。当填土为无粘性土时，主动土压力系数可按库伦土压力理论确定。当支挡结构满足朗肯条件时，主动土压力系数可按朗肯土压力理论确定。粘性土或粉土的主动土压力也可采用楔体试算法图解求得。2aaa12EhK《规范》主动土压力计算简图§4.1挡土墙的认知与设计4.1.3挡土墙的计算与构造一、挡土墙形式的选择挡土墙选型主要从以下原则上考虑：1）挡土墙的用途，高度与重要性；2）建筑场地的地形与地质条件；3）尽量就地取材，因地制宜；4）挡墙结构型式安全而经济。1.重力式挡土墙截面尺寸设计二、重力式挡土墙设计挡土墙的截面尺寸一般按试算法确定，即先根据挡土墙所处的工程地质条件、填土性质、荷载情况以及墙身材料、施工条件等，凭经验初步拟定截面尺寸。然后逐项进行验算。如不满足要求，修改截面尺寸，或采取其他措施。挡土墙截面尺寸一般包括：1）挡土墙高度2）挡土墙的顶宽和底宽2.重力式挡土墙的计算1）抗滑稳定验算3.1)(tatannsGEEGK抗滑稳定条件0cosGGn)cos(0aan