41土压力

第一节土压力Earthpressure主要研究作用在挡土结构物的土压力的分布规律第4章土体稳定分析什么是挡土结构物？是一种防止土体滑坍的支挡（撑）结构物，一般为条形结构的挡土墙，用来保护土坡、基坑、硐壁等土体稳定，使整个建筑物能正常发挥作用。广泛应用于建筑、水利、港口、路桥、边坡等工程中。作用在挡土墙上的主要荷载是土压力。挡土结构物用途码头隧道支挡边坡的挡土墙桥台支撑建筑物周围填土的挡土墙概述概述稳定性问题垮塌的重力式挡墙挡土墙类型的型式多样，常见的的挡土墙有•重力式•扶壁式•悬臂式•板桩式•加筋式等。4.1.1挡土结构物类型及其土压力4.1.1.1挡土墙类型(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)拉筋锚杆面板扶壁墙顶墙面墙背墙基墙踵重力式(垂直)重力式(仰斜)重力式(俯斜)悬臂式扶壁式锚杆式加筋式挡土墙的类型1.重力式挡土墙（1）特点：体积大、靠墙自重保持稳定性；（2）适用：小型工程，墙高H〈5m；（3）材料：就地取材，砖、石、素混凝土；（4）优点：结构简单，施工方便，应用广；（5）缺点：工程量大，沉降大。2.悬臂式挡土墙薄壁式挡土墙的稳定主要靠墙踵悬臂以上的土重，墙体内的拉应力由钢筋承担（1）特点：体积小、靠墙后基础上方的土重保持稳定性；（2）适用：重要工程，墙高H〉5m；（3）材料：砼；（4）优点：工程量小；（5）缺点：费钢材、技术复杂。3.扶臂式挡土墙（1）特点：为了增强墙的抗弯性能,沿长度方向每隔一定的距离（0.8～1.0）H设置一道扶臂；（2）适用：重要工程，墙高H〉10m；（3）材料：砼；（4）优点：工程量小；（5）缺点：技术复杂、费钢材。4.锚杆式挡土墙锚杆式挡土墙由预制的钢筋混凝土立柱、挡土板构成墙面，与水平或倾斜的钢锚杆联合组成。锚杆的一端与立柱连接，另一端被锚固在山坡深处的稳定岩层或土层中，墙后侧压力由挡土板传给立柱，由锚杆与岩体之间的锚固力，即锚杆的抗拔力，使墙获得稳定。（1）特点：新型结构；（2）适用：一般多用于路堑挡土墙，墙高H=27m；（3）材料：砼、钢材；（4）优点：结构轻柔性大、工程量小造价低、施工方便；（5）缺点：技术复杂。5.加筋土挡土墙是由填土及布置在填土中的筋带，以及墙面板三部分组成。在垂直墙面的方向，按一定间隔和高度水平的放置拉筋材料，然后填土压实，通过填土与筋带间的摩擦作用，把土的侧压力传给筋带，从而稳定土体。（1）特点：新型结构；（2）适用：适用于填土路基；（3）材料：砼、钢材；（4）优点：结构轻柔性大、对地基变形适应性大，建筑高度大；（5）缺点：技术复杂。6.土钉墙它也是由钢筋混凝土墙板和设置于土体或岩体中的锚杆组成。锚杆将挡土墙所受的土压力传递到稳定的土体或岩体中去，从而维持挡土墙的稳定。锚定板挡土墙由钢筋混凝土墙板、钢拉杆和锚定板连接而成，然后在墙板和锚定板间填土。作用于墙板上的土压力通过拉杆由锚定板上的土压力平衡。7.板桩墙板桩墙由支护桩和挡土面板组成，常用作深基坑开挖的临时支护。为了提高桩体的稳定性、减少桩向基坑中的位移以及桩体最大弯矩，常在桩体上设置支撑或土体锚杆。5-225-23SoilMechanics加筋挡土墙混凝土挡土墙及复合排水管完工完工挡土墙按刚度分类刚性挡土墙柔性挡土墙•一般指用砖、石、混凝土所构筑而成断面较大的挡土墙；•刚度大，土压力的作用下墙仅能发生整体平移或转动，墙身的挠曲变形则可忽略•例如：重力式挡土墙•一般指用钢筋混凝土桩或地下连续墙所筑成的断面较小而长度较大的挡土墙。•刚度小，墙体在土压力的作用下会发生明显的挠曲变形，因而会影响土压力的大小和分布•例如：深基坑支护结构刚性挡土墙L型T型预应力刚性加筋扶壁圬工式以砖、石或者混凝土为主要材料建造的构造物称为圬工结构柔性支护结构锚杆板桩板桩变形基坑支撑上的土压力变形土压力分布板桩上土压力实测计算支撑包括横板、立柱、横撑上海市外环过江隧道基坑支撑临时支撑无法打锚杆，相邻建筑物的基础较深,有地下管线内支撑概述锚杆式挡土墙墙高H=27m铁路路基其他结构形式加筋挡土墙4.1.1.2土压力•什么是土压力？•土压力的影响因素？•土压力分类?(土压力的种类)•土压力是由土体自重或作用在土体上的外力一起对结构物所产生的侧向压力。•挡土墙通常是条形结构，土压力可以按平面问题计算，即取单位长度的墙，求该长度上土压力的大小、方向、分布规律及合力的作用点。影响土压力的因素：土压力的大小及分布与墙后土的性质墙本身的材料所受荷载墙体的位移（包括线位移和角位移）地表形状其中墙体的位移是影响土压力性质的关键因素。土压力分类：据挡土墙的位移情况和墙后土体所处的应力状态，分为三种：静止土压力主动土压力被动土压力(a)(c)(b)-Δ+ΔE0EpEa•墙体无任何位移时，土体中的应力状态相当于自重应力作用下的应力条件；•静止土压力，常用符号p0来表示，其合力用E0表示。⑴静止土压力当d=D/H=0时（如地下室）E=E0地下室EEEE支撑土坡的挡土墙堤岸挡土墙地下室侧墙拱桥桥台填土填土填土填土地下室EEEEEEEE支撑土坡的挡土墙堤岸挡土墙地下室侧墙拱桥桥台填土填土填土填土•在土压力作用下，挡土墙离开土体向前位移至一定数值，墙后土体达到主动极限平衡状态时，作用在墙背的土压力。•墙身受墙后填土的作用使墙绕墙背底部转动或平移；•土压力将随这种位移的增大而减小；•位移达到某一界限值时，土体中要产生滑裂面，墙后土体所处的应力状态称为主动极限平衡状态。•主动土压力，常用符号pa来表示，其合力用Ea表示。⑵主动土压力滑裂面Ea地下室EEEE支撑土坡的挡土墙堤岸挡土墙地下室侧墙拱桥桥台填土填土填土填土地下室EEEEEEEE支撑土坡的挡土墙堤岸挡土墙地下室侧墙拱桥桥台填土填土填土填土在外力作用下，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。•墙身因某种作用而向着土体方向移动平移或转动，作用在墙背上的土压力将随这种位移的增大而增大。•当位移达到某一界限值时，土体将出现滑动面，这时墙后土体所处的应力状态称为被动极限平衡状态。•被动土压力，常用符号pp来表示，合力用Ep表示。⑶被动土压力Ep滑裂面地下室EEEE支撑土坡的挡土墙堤岸挡土墙地下室侧墙拱桥桥台填土填土填土填土地下室EEEEEEEE支撑土坡的挡土墙堤岸挡土墙地下室侧墙拱桥桥台填土填土填土填土SoilMechanics试验表明：(1)挡土墙所受到的土压力类型，首先取决于墙体是否发生位移以及位移方向；(2)挡土墙所受土压力的大小随位移量而变化，并不是一个常数；(3)主动和被动土压力是特定条件下的土压力，仅当墙有足够大位移或转动时才能产生。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＜＜Ep2.Pa＜Po＜Pp3.△p＞＞△a墙身位移与土压力关系•挡土墙的位移方向以及位移量的大小直接影响着土压力的性质和大小。静止土压力:当墙体没有产生任何位移，墙后土体处于弹性平衡状态时作用在墙上的土压力。作用在挡土结构背面的静止土压力可视为天然土层自重应力的水平分量。总静止土压力zKp00HHKzpE0200021d计算公式：4.1.2静止土压力计算K0hhzK0zooKhE221zh/3静止土压力系数静止土压力分布三角形分布随深度线性增加土压力作用点作用点距墙底h/3SoilMechanics土体内每一竖直面都是对称面，地面下深度z处的M点在自重作用下，垂直截面和水平截面上的剪应力均为零，该点处于弹性平衡状态（静止土压力状态），其大小为：130xzzKz用1、3作摩尔应力圆，如左图所示。其中3（x）即为静止土压力强度。xzxzz(a)zx(d)若墙后土体内有地下水，计算静止土压力时，水下土应考虑水的浮力作用，对于透水性的土应采用浮重度计算，同时考虑作用在挡土墙上的静水压力均匀土静止土压力的分布（有地下水）有地下水时的情况特殊情况下静止土压力强度p0的计算对于成层土和有超载情况，第n层土底面处静止土压力强度p0可按下式计算：)(100niiinqhKp（8.2.6）式中，——计算点以上第层土的重度（）；iini,,2,1——计算点以上第层土的厚度；ihi——计算点所在土层（第层土）的静止土压力系数；nK0n——填土面上的均布荷载。q对于墙后有地下水情况，地下水位以下对于透水性较好的土应采用有效重度计算，同时考虑作用于挡土墙上的静水压力。对于透水性较差的土采用饱和重度来计算，所得到的是水土总压力强度。sat静止土压力系数K010K据理论公式计算：试验确定：室内三轴试验或应力路径三轴仪测得；现场旁压试验。缺乏试验资料时，可据经验公式计算：规范所给出的静止土压力系数的参考值。sin1OCRsin95.0sin15.0000KKK超固结土：粘性土：砂性土：【例题】计算作用在图上所示挡土墙上的静止土压力分布值及其合力。0E按公式计算土中各点静止土压力p0值4.037sin1sin10K【解】按式计算静止土压力系数K0基本原理：Rankine(1857)将土作为半无限空间体用自重作用下土体中各点达到极限平衡状态时的应力条件来计算土压力。AB假设：表面水平的半无限土体处于极限平衡状态。把垂线AB左侧的土体换成一个具有垂直光滑墙背的挡土墙，则作用在挡土墙上的土压力等于原来作用在垂线AB上的水平法向应力。4.1.3朗肯土压力理论朗肯理论的适用条件：1、墙后填土为均质、各向同性；2、墙后填土延伸到无限远处；3、填土表面水平；4、墙背垂直光滑（墙与垂向夹角=0，墙与土的摩擦角d=0）。根据墙的位移方向与大小，可设想半无限土体中产生水平向的拉伸膨胀与压缩，以致产生主动的和被动的两种极限平衡状态相应的土压力。主动膨胀被动压缩c0(a)(b)(c)(d)σz=γzzσzσσxσxτφK0γzpaγzppσ1σ145º-φ/245º-φ/245º-φ/245º-φ/24.1.3.1主动土压力假设：土体在水平反复均匀地拉伸膨胀，直到达到极限平衡状态，该应力状态称为朗肯主动状态，由极限平衡条件可导出主动土压力的计算公式。σ3=K0σ1σ1σ3σττf=c+σtanφAAB无粘性土:当土体达到主动极限平衡状态时，有245tan213a3pz1a2a245tanzKzp主动土压力自重应力主动土压力系数245tan2aK(a)(c)(b)aKc2abcσz=γzσzσxσxγHKaγHKaH/3(H-z0)/3EaEaz0作用点距离墙脚H/3处。主动土压力方向：垂直于墙背分布：沿墙高呈三角形分布总主动土压力：2221145222OaaEHtgHK（）45＋/2墙后破裂面形状粘性土：当土体达到主动极限平衡状态时，有245tan2245tan213caaa2a2245tan2245tanKczKpczp粘性土主动土压力有两部分组成:(1)由自重引起的土压力;(2)由粘聚力引起的负侧压力。aaaa0aa2020KczKpHzpzzKcpz031zH(a)(c)(b)aKc2abcσz=γzσzσxσxγHKaγHKaH/3(H-z0)/3EaEaz0作用点在距离墙脚处。方向：垂直于墙背。分布：总主动土压力020ZaacPzK令得临界深度主动区220112()(2)222aaaaacEHZHKcKHKcHK主动膨胀被动压缩c0(a)(b)(c)(d)σz=γzzσzσσxσxτφK0γzpaγzppσ1σ145º-φ/245º-φ/245º-φ/245º-φ/2主动膨胀被动压缩c0(a)(b)(c)(d)σz=