sm05边坡与基坑工程课件

1、 概述概述 静止土压力的计算静止土压力的计算 朗肯土压力理论朗肯土压力理论 库仑土压力理论库仑土压力理论 几种常见情况的主动土压力计算几种常见情况的主动土压力计算 挡土墙设计挡土墙设计 土坡稳定分析土坡稳定分析 5.1 概述 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。 一、土压力一、土压力墙后土体对挡土墙的侧向作用力。墙后土体对挡土墙的侧向作用力。 被动土压力被动土压力主动土压力主动土压力静止土压力静止土压力 土压力土压力 1.1.静止土压力静止土压力 挡墙受侧向土压力后，墙身变形挡墙受侧向土压力后，墙身变形 或位移很小，可认为墙不发生

2、转或位移很小，可认为墙不发生转 动或位移，墙后土体没有破坏，动或位移，墙后土体没有破坏， 处于弹性平衡状态，墙上承受土处于弹性平衡状态，墙上承受土 压力称为静止土压力压力称为静止土压力E E0 0。 Eo o 2.2.主动土压力主动土压力 挡土墙在填土压力作用下，向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的转动，直至土体达到主动平 衡状态，形成滑动面，此时的衡状态，形成滑动面，此时的 土压力称为主动土压力土压力称为主动土压力E Ea a 。 滑裂面滑裂面 Ea 3.3.被动土压被动土压 力力 Ep 滑裂面滑裂面 挡土墙在外力作

3、用下向着土体挡土墙在外力作用下向着土体 的方向移动或转动，土压力逐的方向移动或转动，土压力逐 渐增大，直至土体达到被动极渐增大，直至土体达到被动极 限平衡状态，形成滑动面。此限平衡状态，形成滑动面。此 时的土压力称为被时的土压力称为被 动土压力动土压力E EP P。 4.4.三种土压力之间的关系三种土压力之间的关系 + + - - E o ap Ea Eo o Ep 对同一挡土墙，在填土的对同一挡土墙，在填土的 物理力学性质相同的条件物理力学性质相同的条件 下有以下规律：下有以下规律： 1. Ea E o Ep 2. p a 二、研究土压力的目的二、研究土压力的目的 1设计挡土构筑物，如挡土墙

4、，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。 K0 h h z K0 z oo KhE 2 2 1 z h/3 静止土压静止土压 力系数力系数 zK oo 静止土压力强度静止土压力强度 静止土压力系数静止土压力系数 测定方法：测定方法： 1.1.通过侧限条件通过侧限条件 下的试验测定下的试验测定 2.2.采用经验公式采用经验公式 K0 = 1-1-sin 计算计算 3.3.按相关表格提按相关表格提 供的经验值确定供的经验值确定 静止土压力分布静止土压力分布: : 土压力作用点土压力作用点: : 三角形分布三角形分布

5、 作用点距墙底作用点距墙底h/ /3 3 5.2 静止土压力计算 5.3 朗肯土压力理论 William John Maquorn Rankine (1820 - 1872) 2 45 一、主动土压力一、主动土压力 2 452 2 45 2 13 ctgtg 2 452 2 45 tgctg 2 z a aa KczK2 a tg 2 2 45 a K令令 1 cz cx 背向移动背向移动 2 cz a 2 45 大主应力大主应力1 czz 小主应力即主动土压力应力小主应力即主动土压力应力3 a 无粘性土的主动土压力强度分布无粘性土的主动土压力强度分布 Ea H 3 H a HK aa KHE

6、 2 2 1 如取单位墙长，则主动土压如取单位墙长，则主动土压 力为：力为： aa o a zK z )(tan 2 45 2 作用点位置为：作用点位置为：距墙踵距墙踵H/3处处 E a H 3 0 zH a HK a de bc 0 z a Kc2 粘性土的主动土压力强度粘性土的主动土压力强度 aaa KcHKHE2 2 1 2 a K c z 2 0 临界深度临界深度: aaa oo a KczK cz 2 2 452 2 45 2 )tan()(tan 主动土压力为：主动土压力为： 作用点位置为：作用点位置为：距墙踵（距墙踵（H-z0）/3处处 2 45 二、被动土压力二、被动土压力 2

7、 245 2 2 31 45tgctg )(tan 2 45 2 o p K令令 1 cz cx 指向移动指向移动 2 cz p 2 45 大主应力即被动土压力应力大主应力即被动土压力应力1 p 小主应力小主应力3 cz 2 45tgctg 2 2 45 2 z p pp KczK2 p pp KHE 2 2 1 无粘性土的被动土压力强度分布无粘性土的被动土压力强度分布 Ep p HK 3 H H pp o p zK z )(tan 2 45 2 如取单位墙长，则主动土压如取单位墙长，则主动土压 力为：力为： 作用点位置为：作用点位置为：距墙踵距墙踵H/3处处 ppp KcHKHE2 2 1

8、2 粘性土的被动土压力强度粘性土的被动土压力强度 Ep pp KcHK2 p Kc2 ppp oo p KczK cz 2 2 452 2 45 2 )tan()(tan 主动土压力为：主动土压力为： 作用点位置为：作用点位置为： 12 12 2 3 pp H z pp 距墙踵距墙踵 处处 几种常见情况的主动土压力计算 成层土的土压力计算成层土的土压力计算 土压力强度分布线斜率土压力强度分布线斜率 不同，并在交界面处发不同，并在交界面处发 生突变：生突变： 土压力强度分布线土压力强度分布线 将表现为在土层分将表现为在土层分 界面处斜率发生变界面处斜率发生变 化的折线分布化的折线分布 1) 地下

9、水位以下填土重量将因受到水的浮力而减小计算地下水位以下填土重量将因受到水的浮力而减小计算 土压力时应用浮容重土压力时应用浮容重； 2) 地下水对填土的强度指标地下水对填土的强度指标c、 的影响。一般认为对砂性的影响。一般认为对砂性 土的影响可以忽略；但对粘性填土，地下水将使土的影响可以忽略；但对粘性填土，地下水将使c、 值值 减小从而使土压力增大；减小从而使土压力增大； 3) 地下水对墙背产生静水压力作用，不可忽略。地下水对墙背产生静水压力作用，不可忽略。 水土分算水土分算 有地下水位时土压力的计算有地下水位时土压力的计算 zq 1 连续均布荷载作用下土压力计算连续均布荷载作用下土压力计算 a

10、 Kzq)( a K 13 地表局部荷载作用下土压力计算地表局部荷载作用下土压力计算 地面局部荷载产生的土压力是沿平行于破裂面的方向传递至地面局部荷载产生的土压力是沿平行于破裂面的方向传递至 墙背上的。墙背上的。 5.4 库仑土压力理论 Charles Augustin de Coulomb (1736 - 1806) 一、主动土压力一、主动土压力 当墙向前移动或转动而使墙后土体沿某一破坏面破坏时，当墙向前移动或转动而使墙后土体沿某一破坏面破坏时， 土楔向下滑动而处于主动极限平衡状态。土楔向下滑动而处于主动极限平衡状态。 W R E )sin()sin(cos )sin()cos()cos(

11、2 2 2 H Ea aa KHE 2 2 1 22 2 1 )cos()cos( )sin()sin( )cos(cos )(cos a K令令 z a E a HK 3 H a Hz a a HK dz dE 即即当墙背垂直、光滑，填土面水平时，当墙背垂直、光滑，填土面水平时， ) 2 45( 2 1 22 tgHEa 可见，在上述条件下，库伦主动土压力公式和可见，在上述条件下，库伦主动土压力公式和 朗肯公式相同。朗肯公式相同。 若若 = 0 = 0 = 0 库伦主动土压力的一般表达式成为：库伦主动土压力的一般表达式成为： )( 2 45 2 tgK a 二、被动土压力二、被动土压力 当挡

12、土墙受外力作用推向填土，直至土体沿某一破当挡土墙受外力作用推向填土，直至土体沿某一破 裂面裂面BC破坏时，土楔破坏时，土楔ABC向上滑动，并处于被动极限向上滑动，并处于被动极限 平衡状态。平衡状态。 22 2 1 )cos()cos( )sin()sin( )cos(cos )(cos p K pp KHE 2 2 1 W R E 2 2 2 2 1 2 1 )cos()cos( )sin()sin( )cos(cos )(cos HE p p E p HK 3 H p Hz p p HK dz dE ) 2 45( 2 1 22 tgHE p 即即当墙背垂直、光滑，填土面水平时当墙背垂直、光

13、滑，填土面水平时 可见，在上述条件下，库伦主动土压力公式和可见，在上述条件下，库伦主动土压力公式和 朗肯公式相同。朗肯公式相同。 若若 = 0 = 0 = 0 库伦被动土压力的一般表达式成为库伦被动土压力的一般表达式成为 )( 2 45 2 tgK p 5.5 挡土墙设计挡土墙设计 挡土墙按其刚度和位移方式分为：挡土墙按其刚度和位移方式分为： 1 1刚性挡土墙刚性挡土墙 2 2柔性挡土墙柔性挡土墙 3 3临时支撑临时支撑 一、工程常用挡土墙一、工程常用挡土墙 24sm05边坡与基坑工程 L L型型T T型型 预应力预应力 刚性加筋刚性加筋 扶壁扶壁 圬工圬工 式式 刚性挡土墙：刚性挡土墙： 指

14、用砖、石或混凝土所筑成的断面较大的挡土墙。指用砖、石或混凝土所筑成的断面较大的挡土墙。 25sm05边坡与基坑工程 钢筋混凝土挡土墙钢筋混凝土挡土墙 26sm05边坡与基坑工程 砌体加筋挡土墙砌体加筋挡土墙 27sm05边坡与基坑工程 重力式挡墙重力式挡墙( (水泥土搅拌桩水泥土搅拌桩) ) 深层搅拌桩：深层搅拌桩： 适用淤泥质土、地基承载力适用淤泥质土、地基承载力120KPa120KPa粘性土；粘性土； 挖深挖深8m8m 28sm05边坡与基坑工程 水泥土搅拌桩支护应用水泥土搅拌桩支护应用 上海新世纪商厦：上海新世纪商厦： 8m8m深基坑采用水泥土搅拌桩支护技术；桩长深基坑采用水泥土搅拌桩支

15、护技术；桩长19m19m，坝宽，坝宽 8.7m8.7m，插，插10m10m毛竹毛竹 29sm05边坡与基坑工程 30sm05边坡与基坑工程 重力式挡墙（土钉支护）重力式挡墙（土钉支护） 土钉墙：适用一般粘性土、中密以上砂土；土钉墙：适用一般粘性土、中密以上砂土； 挖深挖深15m15m 31sm05边坡与基坑工程 悬臂式排桩支护悬臂式排桩支护 稀疏排桩：适用砂土、一般粘性土；挖深稀疏排桩：适用砂土、一般粘性土；挖深10m10m 连续排桩：适用软土、一般粘性土；挖深连续排桩：适用软土、一般粘性土；挖深7m7m 32sm05边坡与基坑工程 悬臂式排桩支护应用悬臂式排桩支护应用 南京火车站综合楼：南京

16、火车站综合楼： 地下室两层，采用稀疏排桩方案；挖深地下室两层，采用稀疏排桩方案；挖深9m9m 33sm05边坡与基坑工程 悬臂式排桩（框架式）悬臂式排桩（框架式） 框架式双排桩：框架式双排桩： 适用软土、砂土、适用软土、砂土、 一般粘性土；一般粘性土； 挖深挖深12m12m 34sm05边坡与基坑工程 柔性挡土墙：当墙身受土压力作用时发生挠曲柔性挡土墙：当墙身受土压力作用时发生挠曲 变形。变形。 锚杆锚杆 板桩板桩 板桩变形板桩变形 基坑支撑上的土压力基坑支撑上的土压力 变形变形土压力分布土压力分布 板桩上土压力板桩上土压力 实测实测 计算计算 35sm05边坡与基坑工程 板桩支护板桩支护1

17、1 钢板桩：适用软土、淤泥土；挖深钢板桩：适用软土、淤泥土；挖深15m15m 36sm05边坡与基坑工程 板桩支护板桩支护2 2 钢筋砼板桩：钢筋砼板桩： 适用软土、一般粘适用软土、一般粘 性土；性土； 挖深挖深10mT 土坡整土坡整 体稳定体稳定 N W 63sm05边坡与基坑工程 基本概念与基本原理 W T T N 稳定条件稳定条件：T T sinWT cosWN tan NT 砂土的内砂土的内 摩擦角摩擦角 tancos WT 抗滑力与滑抗滑力与滑 动力的比值动力的比值 tan tan sin tancos W W T T Fs 安全系数安全系数 64sm05边坡与基坑工程 基本概念与基

18、本原理 3.3.粘性土坡稳定性分析粘性土坡稳定性分析 (1)(1)瑞典圆弧滑动法瑞典圆弧滑动法 N f W R O B d 假定滑动面为圆柱面，截假定滑动面为圆柱面，截 面为圆弧，利用土体极限面为圆弧，利用土体极限 平衡条件下的受力情况：平衡条件下的受力情况： 滑动面上的最滑动面上的最 大抗滑力矩与大抗滑力矩与 滑动力矩之比滑动力矩之比 Wd RLc F u s Wd RL RL RL M M F fff s C A 饱和粘土，不排水剪条件饱和粘土，不排水剪条件 下，下， u u0 0，f fc cu u 65sm05边坡与基坑工程 基本概念与基本原理 最危险滑动面圆心的确定最危险滑动面圆心的

19、确定 1 2 R O B A 对于均质粘性土对于均质粘性土 土坡，其最危险土坡，其最危险 滑动面通过坡脚滑动面通过坡脚 =0=0 圆心位置由圆心位置由 1 1，2 2确定确定 O B 1 2 A H E 2H 4.5H F Fs s 00 圆心位置在圆心位置在EOEO 的延长线上的延长线上 66sm05边坡与基坑工程 基本概念与基本原理 (2)(2)条分法条分法 a b c d i i O C R A B H 对于外形复杂、对于外形复杂、 0 0的粘的粘 性土土坡，土体分层情况时，性土土坡，土体分层情况时， 要确定滑动土体的重量及其要确定滑动土体的重量及其 重心位置比较困难，而且抗重心位置比较

20、困难，而且抗 剪强度的分布不同，一般采剪强度的分布不同，一般采 用条分法分析用条分法分析 各土条对滑弧各土条对滑弧 圆心的抗滑力圆心的抗滑力 矩和滑动力矩矩和滑动力矩 滑动土体滑动土体 分为若干分为若干 垂直土条垂直土条 土坡稳定土坡稳定 安全系数安全系数 67sm05边坡与基坑工程 基本概念与基本原理 条分法分析步骤条分法分析步骤I a b c d i i O C R A B H 1.1.按比例绘出土坡剖面按比例绘出土坡剖面 2.2.任选一圆心任选一圆心O O，确定滑动，确定滑动 面，将滑动面以上土体分面，将滑动面以上土体分 成几个等宽或不等宽土条成几个等宽或不等宽土条 3.3.每个土条的受

21、力分析每个土条的受力分析 c d b a li Xi PiXi+1 Pi+1 Ni Ti Wi 静力平衡静力平衡 假设两组合力假设两组合力 ( (P Pi i，X Xi i) ) ( (P Pi i 1 1， ，X Xi i 1 1) ) iii WNcos iii WTsin ii ii i i W ll N cos 1 ii ii i i W ll T sin 1 68sm05边坡与基坑工程 基本概念与基本原理 条分法分析步骤条分法分析步骤 4.4.滑动面的总滑动力矩滑动面的总滑动力矩 iii WRTRTRsin 5.5.滑动面的总抗滑力矩滑动面的总抗滑力矩 )tancos( tan ii

22、iii iiiiifi lcWR lcRlRRT 6.6.确定安全系数确定安全系数 ii iiiii s W lctgW TR RT F sin cos a b c d i i O C R A B H c d b a li Xi PiXi+1 Pi+1 Ni Ti 条分法是一种试算法，应选取不同条分法是一种试算法，应选取不同 圆心位置和不同半径进行计算，求圆心位置和不同半径进行计算，求 最小的安全系数最小的安全系数 69sm05边坡与基坑工程 基本概念与基本原理 4.4.边坡稳定分析的总应力法和有效应力法边坡稳定分析的总应力法和有效应力法 n有效应力法：使用有效应力强度指标有效应力法：使用有效

23、应力强度指标 c c 、 n总应力法：使用总应力强度指标总应力法：使用总应力强度指标 c cu u 或 或 c ccu cu、 、 cu cu 70sm05边坡与基坑工程 基本概念与基本原理 5.5.土坡稳定分析的几个问题讨论土坡稳定分析的几个问题讨论 (1)(1)挖方边坡与天然边坡挖方边坡与天然边坡 对于天然地层正常固结及超固结粘土土坡，按上述的稳定对于天然地层正常固结及超固结粘土土坡，按上述的稳定 分析方法，得到安全系数，比较符合实测结果。但对于超分析方法，得到安全系数，比较符合实测结果。但对于超 固结裂隙粘土土坡，采用与上述相同的分析方法，会得出固结裂隙粘土土坡，采用与上述相同的分析方法，会得出 不正确的结果。不正确的结果。 (2)(2)关于圆弧滑动条分法关于圆弧滑动条分法 计算中引入的计算假定：计算中引入的计算假定： 滑动面为圆弧；滑动面为圆弧； 不考虑条间力作用；不考虑条间力作用； 安全系数用滑裂面上全部抗滑力矩与滑动力矩之比来安全系数用滑裂面上全部抗滑力矩与滑动力矩之比来 定义。定义。 71sm05边坡与基坑工程 基本概念与基本原理 (3)(3)土的抗剪强度指标值的选用土的抗剪强度