第八章 土压力与挡土墙

宁夏大学土木与水利工程学院2009年崔自治第八章土压力与挡土墙第一节概述第二节静止土压力计算第三节朗肯土压力理论第四节库伦土压力理论第五节挡土墙设计主要内容宁夏大学土木与水利工程学院2009年崔自治第一节概述土压力（earthpressure）:土对挡土墙的侧向压力。一、土压力分类1、依据⑴挡土墙的位移：平移和转动⑵墙后填土的应力状态2、分类⑴静止土压力E0（earthpressureatrest）：挡土墙位移为0时的土压力。⑵主动土压力Ea（activeearthpressure）：挡土墙离开土体位移，且墙后填土的应力达到极限平衡状态，此时的土压力称为主动土压力。宁夏大学土木与水利工程学院2009年崔自治第一节概述⑶被动土压力Ep（passiveearthpressure）：挡土墙向土体方向位移，且墙后填土的应力达到极限平衡状态，此时的土压力称为被动土压力。二、土压力与挡土墙位移的关系若挡土墙的位移以墙挤压填土为正，离开填土为负，则土压力与挡土墙位移的关系可用图示曲线表示。可见，在土压力中，主动土压力最小，被动土压力最大。静止土压力、主动土压力和被动土压力三者的关系为paEEE0宁夏大学土木与水利工程学院2009年崔自治第二节静止土压力计算任意深度z处竖向自重应力为z，则该点的静止土压力强度为zKp0010Ksin1式中：墙后填土的重度，kN/m3；z：计算点到墙顶的距离，m；K0：静止土压力系数。：土的有效内摩擦角。宁夏大学土木与水利工程学院2009年崔自治第二节静止土压力计算静止土压力沿墙高为三角形分布，取单位墙长计算，作用于墙上的静止土压力为静止土压力分布图形的面积。02021KHE宁夏大学土木与水利工程学院2009年崔自治第三节朗肯土压力理论一、假定墙背垂直、光滑、填土面水平。二、主动土压力取填土表面下深z处墙土界面间的应力单元体为研究对象。在主动极限平衡状态下，大主应力1为土的竖向应力v，小主应力3与主动土压力强度pa相等。土体处于极限平衡状态时，大、小主应力的关系为宁夏大学土木与水利工程学院2009年崔自治第三节朗肯土压力理论式中pa：主动土压力强度，kPa；Ka：主动土压力系数；c：墙后填土的粘聚力，kPa；：墙后填土的内摩擦角，度。v：填土表面下深z处的竖向应力，kPa；q：填土面上的连续均布超载，kPa；cz：土的竖向自重应力，kPa。)245tan(2)245(tan00213c)245(tan02aKaavaKcKp2qczv因而有:宁夏大学土木与水利工程学院2009年崔自治第三节朗肯土压力理论作用于单位墙长上的主动土压力等于主动土压力分布图形的面积。对于粘性土，由于粘聚力的作用，在墙顶附近主动土压力强度pa可能为负值，使得墙土间拉开、没有作用力，此段脱开的长度称为临界深度（criticaldepth），用z0表示)()2(210zHKcHKEaaaqKcza20宁夏大学土木与水利工程学院2009年崔自治第三节朗肯土压力理论二、被动土压力墙顶下深z处，小主应力3为土的竖向应力v，大主应力1等于被动土压力强度pp，由土体极限平衡条件可得：)245(tan02pKppvpKcKp2宁夏大学土木与水利工程学院2009年崔自治第三节朗肯土压力理论三、常见情况下土压力计算1、填土面堆载=45+/2宁夏大学土木与水利工程学院2009年崔自治第三节朗肯土压力理论2、地下水作用墙后填土中有地下水时，地下水位以下土的重度采用浮重度，考虑静水压力作用。3、成层填土当墙后填土为成层土时，土压力采用相应土层的强度指标c、分别计算。宁夏大学土木与水利工程学院2009年崔自治第三节朗肯土压力理论四、应用举例某挡土墙高4.5m，墙背垂直、光滑，墙后填土的种类及性质如图所示，①试求主动土压力；②绘主动土压力分布图；③计算作用于挡土墙上的侧向总压力。解：①求主动土压力系数Ka49.0)245(tan1021aK31)245(tan2022aKm48.0211110qKcza②求临界深度z0宁夏大学土木与水利工程学院2009年崔自治第三节朗肯土压力理论③求主动土压力强度pa（kPa）主动土压力强度pa计算列于下表aaaKcKqzp2)(0计算点czvKacpa218.038.00.4910.04.63上38.058.00.4910.014.43下38.058.01/30.019.3457.877.81/30.025.9④绘主动土压力分布图宁夏大学土木与水利工程学院2009年崔自治第三节朗肯土压力理论⑤计算主动土压力Ea8.1)9.253.19(212)4.146.4(21)48.01(6.421aE⑥计算水压力Ew⑦计算作用于挡土墙上的总压力E2.722121.133waEEEkN/mkN/mkN/m9.60宁夏大学土木与水利工程学院2009年崔自治第四节库伦土压力理论一、假定⑴墙后填土为均质的无粘性土；⑵土体滑动面为平面；⑶滑动土楔体为不变形的刚体。二、主动土压力设墙背与竖向线的夹角为，墙背与填土间的摩擦角为，填土表面与水平面的夹角为，填土的内摩擦角为。宁夏大学土木与水利工程学院2009年崔自治第四节库伦土压力理论土楔体在自重G、滑动面反力R和墙背反力E的作用下处于静力平衡状态，所以G、R和E构成的力三角形闭合。由正弦定理可得：2sin1sinWE1118020090求解使E取得极值时，填土的理论破裂角cr，令0ddE宁夏大学土木与水利工程学院2009年崔自治第四节库伦土压力理论将cr代入上式得主动土压力aaKHE221222)cos()cos()sin()sin(1)cos(cos)(cosaK三、被动土压力同学们自行推导。四、粘性填土、地表超载和地下水作用情况1、粘性填土情况方法一：在考虑滑动楔体的静力平衡时，直接将粘聚力计入阻滑力。宁夏大学土木与水利工程学院2009年崔自治第四节库伦土压力理论方法二：把填土的粘聚力折算成等效内摩擦角，而后按库伦土压力理论计算土压力，这样计算简单。等效内摩擦角按照土压力等效的原则确定。方法三：不考虑土的粘聚力，仍按无粘性填土来计算。计算的主动土压力值偏大，偏于安全。2、地表超载情况填土面超载计入滑动土楔体的自重，参照库伦土压力理论建立。)sin()cos()tan(00BAEa宁夏大学土木与水利工程学院2009年崔自治第四节库伦土压力理论))(2(2100HahHaAtan)22(21)(21000haHHhdbabBqh0)/)(tancot(tantantan00AB式中A0、B0：边界条件系数。a、b、d：填土几何参数；h0：由地表超载q折算的等效土层厚度，m；：滑动面倾角，度。宁夏大学土木与水利工程学院2009年崔自治第四节库伦土压力理论3、地下水作用情况地下水位以下采用浮重度。作用在挡土墙背上的总压力是土压力和静水压力之和。若填土为粘性土，由于水的存在，使土的抗剪强度指标有所降低，因此应分层计算。五、土压力理论讨论朗肯土压力理论根据墙后填土的应力状态导得，土体极限平衡条件的概念比较明确，公式简单。适用于墙背垂直，填土面水平的情况。库伦土压力理论根据刚体极限平衡条件导得，适用于填土为均质无粘性土的情况。宁夏大学土木与水利工程学院2009年崔自治第四节库伦土压力理论六、影响土压力的因素⑴挡土墙的位移⑵墙背粗糙程度⑶墙背倾角⑷填土面的坡度⑸填土性质（填土的强度指标，含水量）。宁夏大学土木与水利工程学院2009年崔自治第五节挡土墙设计一、挡土墙设计的内容⑴挡土墙墙型选择⑵填土类型选择⑶墙身断面设计⑷挡土墙验算⑸防水排水设计⑹墙身结构设计⑺施工图绘制二、挡土墙的类型1、重力式挡土墙（gravityretainingwall）依靠自身的重力维持自身的稳定性，由砖、石、混凝土或毛石混凝土浇筑而成。施工方便，可就地取材，广泛应用于墙高不大于6m的小型工程。宁夏大学土木与水利工程学院2009年崔自治第五节挡土墙设计2、悬臂式挡土墙（cantileversheetpilewall）悬臂式挡土墙一般用钢筋混凝土建造。墙的稳定主要依靠墙后底板以上土体的重量来维持。其优点是可以充分利用钢筋混凝土的受力特点，墙体截面尺寸较小，结构轻巧，适用于墙高不大于10m的工程。宁夏大学土木与水利工程学院2009年崔自治第五节挡土墙设计3、扶壁式挡土墙（counterfortretainingwall）当悬臂式挡土墙较高时，墙体竖壁内的弯曲内力和位移都比较大。为了提高竖壁刚度和抵抗弯曲内力的能力，常沿墙体纵向每隔一定距离设置一道扶壁，构成扶壁式挡土墙，扶壁间距约为0.8~1.0倍的墙高。宁夏大学土木与水利工程学院2009年崔自治第五节挡土墙设计4、锚杆式挡土墙（anchorrodretainingwall）锚杆式挡土墙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。土钉墙与锚杆式挡土墙不同的是锚杆整段灌浆，锚杆和滑动土体作为一个整体共同工作。宁夏大学土木与水利工程学院2009年崔自治第五节挡土墙设计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。5、板桩墙（sheetpilewall）板桩墙由支护桩和挡土面板组成，常用作基坑开挖的临时支护。为了提高桩体的稳定性、减小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。宁夏大学土木与水利工程学院2009年崔自治第五节挡土墙设计三、填土选择应尽量选择的土料：回填土料应尽量选择粗粒土，如砂土、砾石、碎石等，这类土的土压力小，抗剪强度比较稳定，易于排水。可选择的土料：塑性指数较小的粘性土。不能选择的土料：耕植土、淤泥、膨胀性粘土、冻土块和含大量腐殖质的土不能作为回填土。四、挡土墙验算（stabilitychecked）挡土墙验算包括挡土墙的稳定性验算、地基承载力验算和变形验算，仅介绍稳定性验算。稳定性验算包括抗滑移验算和抗倾覆验算。宁夏大学土木与水利工程学院2009年崔自治第五节挡土墙设计1、抗滑稳定性验算（stabilityagainstsliding）挡土墙在主动土压力的作用下可能沿着墙底产生滑移。沿着墙底的阻滑力R与沿着墙底的滑动力T之比，称为抗滑稳定安全系数Ks。3.1TRKstatGETNRannEGN式中Eat:Ea沿墙底的切向分力，kN/m；Gt:G沿墙底的切向分力，kN/m；Ean:Ea沿墙底的法向分力，kN/m；Gn:G沿墙底的法向分力，kN/m；:土对墙底的摩擦系数宁夏大学土木与水利工程学院2009年崔自治第五节挡土墙设计2、抗倾覆稳定性（stabilityagainsttilting）验算挡土墙在墙背主动土压力的作用下可能绕着墙趾o产生向墙前的转动而倾覆。对墙趾o的抗倾覆力矩Mr与倾覆力矩Mt之比，称为抗倾覆稳定安全系数Kt。5.1trtMMK式中Mr:抗倾覆力矩，等于Ea的竖向分力Eav和G对墙趾o的力矩之和，kNm；Mt:倾覆力矩，等于Ea的水平分力Eah对墙趾o的力矩，kNm。宁夏大学土木与水利工程学院2009年崔自治第五节挡土墙设计3、提高挡土墙稳定性的措施提高抗滑稳定的措施：⑴提高挡土墙的自重。⑵挡土墙底做成逆坡。⑶铺设砂、石垫层。⑷设置拖板。提高抗倾覆稳定的措施：⑴提高挡土墙的自重。⑵加长墙趾长度。⑶采用仰斜式挡土墙。⑷做卸荷台。宁夏大学土木与水利工程学院2009年崔自治第五节挡土墙设计五、防水排水设计泄水孔直径不宜小于10