第八章挡土结构物上的土压力

精品课程《土质学与土力学》第八章安徽理工大学1第八章挡土结构物上的土压力本章学习要点：土压力是与土的抗剪强度有关的问题，也是土力学重要问题之一。学习本章时，要熟悉土压力的类型及它们产生的条件和适用范围，熟练掌握主动土压力计算方法；朗肯(Rankine，W.J.M1857)土压力理论是本章重要内容，学习朗肯假设条件、主动土压力、被动土压力。要求掌握朗肯假设条件，熟练掌握其计算方法。库仑(CoulombC.A.，1776)土压力理论是本章又一重要内容，学习库仑假设条件、数值解法与库尔曼图解法、以及朗肯与库仑土压力理论比较。要求拿握其假设条件及数值解法，从分析方法与计算误差上比较两个理论的不同。掌握几种常见情况的主动土压力计算。第一节概述第五章已经讨论了土体中由于外荷引起的应力，本章将介绍土体作用在挡土结构物上的土压力，讨论土压力性质及土压力计算，包括土压力的大小、方向、分布和合力作用点，而土压力的大小及分布规律主要与土的性质及结构物位移的方向、大小等有关，亦和结构物的刚度、高度及形状等有关。一、挡土结构类型对土压力分布的影响定义：挡土结构是一种常见的岩土工程建筑物，它是为了防止边坡的坍塌失稳，保护边坡的稳定，人工完成的构筑物。常用的支挡结构结构有重力式、悬臂式、扶臂式、锚杆式和加筋土式等类型。挡土墙按其刚度和位移方式分为刚性挡土墙、柔性挡土墙和临时支撑三类。1．刚性挡土墙指用砖、石或混凝土所筑成的断面较大的挡土墙。由于刚度大，墙体在侧向土压力作用下，仅能发身整体平移或转动的挠曲变形则可忽略。墙背受到的土压力呈三角形分布，最大压力强度发生在底部，类似于静水压力分布。2．柔性挡土墙当墙身受土压力作用时发生挠曲变形。3．临时支撑边施工边支撑的临时性。二、墙体位移与土压力类型墙体位移是影响土压力诸多因素中最主要的。墙体位移的方向和位移量决定着所产生的土压力性质和土压力大小。1.静止土压力（E0）墙受侧向土压力后，墙身变形或位移很小，可认为墙不发生转动或位移，墙后土体没有破坏，处于弹性平衡状态，墙上承受土压力称为静止土压力E0。2.主动土压力（EA）挡土墙在填土压力作用下，向着背离填土方向移动或沿墙跟的转动，直至土体达到主动平衡状态，形成滑动面，此时的土压力称为主动土压力。3.被动土压力（EP）挡土墙在外力作用下向着土体的方向移动或转动，土压力逐渐增大，直至土体达到被动极限平衡状态，形成滑动面。此时的土压力称为被动土压力EP。同样高度填土的挡土墙，作用有不同性质的土压力时，有如下的关系：EPE0EA精品课程《土质学与土力学》第八章安徽理工大学2在工程中需定量地确定这些土压力值。Terzaghi（1934）曾用砂土作为填土进行了挡土墙的模型试验，后来一些学者用不同土作为墙后填土进行了类似地实验。实验表明：当墙体离开填土移动时，位移量很小，即发生主动土压力。该位移量对砂土约0.001h，（h为墙高），对粘性土约0.004h。当墙体从静止位置被外力推向土体时，只有当位移量大到相当值后，才达到稳定的被动土压力值Ep，该位移量对砂土约需0.05h，粘性土填土约需0.1h，而这样大小的位移量实际上对工程常是不容许的。本章主要介绍曲线上的三个特定点的土压力计算，即E0、Ea和Ep。三、研究土压力的目的研究土压力的目的主要用于：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。第二节静止土压力的计算设一土层，表面是水平的，土的容重为γ，设此土体为弹性状态，如图（见教材P200），在半无限土体内任取出竖直平面A′B′，此面在几何面上及应力分布上都是对称的平面。对称平面上不应有剪应力存在，所以，竖直平面和水平平面都是主应力平面。在深度Z处，作用在水平面上的主应力为：zv在竖直面的主应力为：zkh0式中：k0——土的静止侧压力系数。γ——土的容重σh即为作用在竖直墙背AB上的静止土压力，即：与深度Z呈线性直线分布。可见：静止土压力与Z成正比，沿墙高呈三角形分布。单位长度的挡土墙上的静压力合力E0为：02021KHE可见：总的静止土压力为三角形分布图的面积。式中，H：挡土墙的高度。E0的作用点位于墙底面以上H/3处。静止侧压力系数K0的数值可通过室内的或原位的静止侧压力试验测定。其物理意义：在不允许有侧向变形的情况下，土样受到轴向压力增量△σ1将会引起侧向压力的相应增量△σ3，比值△σ3/△σ1称为土的侧压力系数ζ或静止土压力系数k0。1130K室内测定方法：（1）、压缩仪法：在有侧限压缩仪中装有测量侧向压力的传感器。（2）、三轴压缩仪法：在施加轴向压力时，同时增加侧向压力，使试样不产生侧向变形。上述两种方法都可得出轴向压力与侧向压力的关系曲线，其平均斜率即为土的侧压力系数。精品课程《土质学与土力学》第八章安徽理工大学3对于无粘性土及正常固结粘土也可用下式近似的计算：'sin10K式中：'——为填土的有效摩擦角。对于超固结粘性土：mCNcoOCRKK)()()(00式中：coK)(0——超固结土的0K值CNK)(0——正常固结土的0K值OCR——超固结比m——经验系数，一般可用m＝0.41。第三节朗肯土压力理论（1857年提出）一、基本原理朗肯研究自重应力作用下，半无限土体内各点的应力从弹性平衡状态发展为极限平衡状态的条件，提出计算挡土墙土压力的理论。（一）假设条件1．挡土墙背垂直2．墙后填土表面水平3．挡墙背面光滑即不考虑墙与土之间的摩擦力。（二）分析方法由教材P200图6-10可知：1．当土体静止不动时，深度Z处土单元体的应力为rzr，rzkh0；2．当代表土墙墙背的竖直光滑面mn面向外平移时，右侧土体制的水平应力h逐渐减小，而r保持不变。当mm位移至''nm时，应力圆与土体的抗剪强度包线相交——土体达到主动极限平衡状态。此时，作用在墙上的土压力n达到最小值，即为主动土压力，Pa；3．当代表土墙墙背的竖直光滑面mn面在外力作用下向填土方向移动，挤压土时，h将逐渐增大，直至剪应力增加到土的抗剪强度时，应力圆又与强度包线相切，达到被动极限平衡状态。此时作用在''''nm面上的土压力达到最大值，即为被动土压力，Pp。二、水平填土面的朗肯土压力计算（一）主动土压力当墙后填土达主动极限平衡状态时，作用于任意Z处土单元上的σV=r·z=σ1，3Pah，即σVσh。1、无粘性土精品课程《土质学与土力学》第八章安徽理工大学4将rzr1，Pa3代入无粘性土极限平衡条件：arzKtg)245(213式中：)245(2tgKa——朗肯主动土压力系数。Pa的作用方向垂直于墙背，沿墙高呈三角形分布，当墙高为H（Z=H），则作用于单位墙高度上的总土压力KarHEa22，aE垂直于墙背，作用点在距墙底3H处。见教材P202图6-11。2、粘性土将Parzr31,，代入粘性土极限平衡条件：)245(2)245(213tgctg得KacrzKatgctgPa2)245(2)245(21说明：粘性土得主动土压力由两部分组成，第一项：rzKa为土重产生的，是正值，随深度呈三角形分布；第二项为粘结力c引起的土压力Kac2，是负值，起减少土压力的作用，其值是常量。见教材P203图6-12。总主动土压力aE应为三角形abc之面积，即：rcKacHKaRHKarcHKacrHKaEa2222212)(2(21aE作用点则位于墙底以上)(310ZH处。（二）被动土压力当墙后土体达到被动极限平衡状态时，бhбV，则phP1，rzv3。1、无粘性土将pP1，rz3代入无粘性土极限平衡条件式中)245(231tg可得：pprzKrztgP)245(2式中：)245(2tgKp——称为朗肯被动土压力系数pP沿墙高底分布及单位长度墙体上土压力合力pE作用点的位置均与主动土压力相同。Ep=1/2rH2Kp见教材P204图6-13。墙后土体破坏，滑动面与小主应力作用面之间的夹角245，两组破裂面之间的精品课程《土质学与土力学》第八章安徽理工大学5夹角则为90º＋。2、粘性土将31,rzPp代入粘性土极限平衡条件)245(2)245(231tgctg可得：KpcrzKtgcrztgPpp2)245(2)245(2粘性填土的被动压力也由两部分组成，都是正值，墙背与填土之间不出现裂缝；叠加后，其压力强度pP沿墙高呈梯形分布；总被动土压力为：KpHcKprHEp2212pE的作用方向垂直于墙背，作用点位于梯形面积重心上。pE2cKprHKp例1已知某混凝土挡土墙，墙高为H＝6.0m，墙背竖直，墙后填土表面水平，填土的重度r=18.5kN/m3,φ=200,c=19kPa。试计算作用在此挡土墙上的静止土压力，主动土压力和被动土压力，并绘出土压力分布图。解：（1）静止土压力，取K0＝0.5，00rzKPmknKHE/5.1665.065.1821212020E0作用点位于下mH0.22处，如图a所示。（2）主动土压力根据朗肯主压力公式：KacrzKPaa2，)245(tgKa222221cKcHKHEaaa＝0.5×18.5×62×tg2（45º－20º/2）－2×19×6×tg(45º－20º/2)＋2×192/18.5＝42.6kn/m临界深度：mtgKcZa93.2)22045(5.1819220Ea作用点距墙底：精品课程《土质学与土力学》第八章安徽理工大学6mZH02.1)93.20.6(31)(310处，见图b所示。（3）被动土压力：mKNtgtgKcHKHEppp/1005)22045(6192)22045(65.1821221222墙顶处土压力：KPaKcPpa345421墙底处土压力为：KPaKcHKPppb78.2802总被动土压力作用点位于梯形底重心，距墙底2.32m处，见图c所示。Z0=2.93mEpH=6mE02.32m2mEa1.02m55.5KN/m227.79KN/m2280.78KN/m2(a)(b)(c)讨论：1、由此例可知，挡土墙底形成、尺寸和填土性质完全相同，但E0＝166.5KN/m，Ea=42.6KN/m，即：E0≈4Ea，或041EEa。因此，在挡土墙设计时，尽可能使填土产生主动土压力，以节省挡土墙的尺寸、材料、工程量与投资。2、appaEEmKNEmKNE23,/1005,/6.42。因产生被动土压力时挡土墙位移过大为工程所不许可，通常只利用被动土压力的一部分，其数值已很大。第四节库仑土压力理论（1776法国）一.方法要点：（一）假设条件：1.墙背倾斜，具有倾角；2.墙后填土为砂土，表面倾角为角；3.墙背粗糙有摩擦力，墙与土间的摩擦角为，且（）4.平面滑裂面假设；精品课程《土质学与土力学》第八章安徽理工大学7当墙面向前或向后移动，使墙后填土达到破坏时，填土将沿两个平面同时下滑或上滑；一个是墙背AB面，另一个是土体内某一滑动面BC。设BC面与水平面成角。5.刚体滑动假设：将破坏土楔ABC视为刚体，不考虑滑动楔体内部的应力和变性条件。6.楔体ABC整体处于极限平衡条件。见教材P207图6-19。（二）取滑动楔体ABC为隔离体进行受力分析分析可知：作用于楔体ABC上的力有（1）.土体ABC的重量W，（2）下滑时受到墙面AB给予的支撑反力E（其反方向就是土压力）。（3）BC面上土体支撑反力R。1．根据楔体整体处于极限平衡状态的条件，可得知E、R的方向。（见教材P208图6-20）2．根据楔体应满足静力平衡