第6章土压力与土坡稳定

1、 6.1 6.1 概述概述 6.2 6.2 静止土压力计算静止土压力计算 6.3 6.3 朗肯朗肯(rankine(rankine) )土压力理论土压力理论 6.4 6.4 库仑库仑(coulomb)(coulomb)土压力理论土压力理论 6.5 6.5 几种常见情况土压力几种常见情况土压力 6.6 6.6 挡土墙设计挡土墙设计 6.7 6.7 土坡稳定分析土坡稳定分析排水排水管管排水排水孔孔混凝混凝土墙土墙土工织物土工织物反滤反滤砂砾石料砂砾石料第第6 6章章 土压力与土坡稳定土压力与土坡稳定6.1.1 挡土墙的用途和类型挡土墙的用途和类型1. 挡土墙的用途挡土墙的用途 挡土墙是用来支撑天然

2、或人工斜坡不致坍塌以保持土体稳定性，或使部挡土墙是用来支撑天然或人工斜坡不致坍塌以保持土体稳定性，或使部分侧向荷载传递分散到填土上的支挡结构物。分侧向荷载传递分散到填土上的支挡结构物。 挡土墙在工业与民用建筑、水利水电工程、铁路、公路、桥梁、港口挡土墙在工业与民用建筑、水利水电工程、铁路、公路、桥梁、港口及航道等各类建筑工程中被广泛地应用。及航道等各类建筑工程中被广泛地应用。 6.1 6.1 概述概述 1 1）挡土墙按结构型式分：）挡土墙按结构型式分： 重力式；重力式； 悬臂式；悬臂式； 扶臂式；扶臂式； 锚杆式；锚杆式； 加筋土式。加筋土式。 a a）仰斜式）仰斜式 b b）直立式）直立式

3、c c）俯斜式）俯斜式 d d）衡重式）衡重式重力式挡土墙重力式挡土墙2.2.挡土墙的类型挡土墙的类型悬臂式挡土墙悬臂式挡土墙 扶壁式挡土墙扶壁式挡土墙锚杆式挡土墙锚杆式挡土墙 2 2）挡土墙按建筑材料分：）挡土墙按建筑材料分： 砖砌；砖砌； 块石；块石； 素混凝土；素混凝土； 钢筋混凝土。钢筋混凝土。 3 3）按其刚度和位移方式分：）按其刚度和位移方式分： 刚性挡土墙；刚性挡土墙； 柔性挡土墙；柔性挡土墙；临时支撑。临时支撑。 刚性挡土墙刚性挡土墙是指用砖、石或混凝土所筑成的断面较大的挡土墙。由是指用砖、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，仅发身整体平移或

4、转动，本身挠于刚度大，墙体在侧向土压力作用下，仅发身整体平移或转动，本身挠曲变形则可忽略。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。在底部，类似于静水压力分布。锚杆锚杆板桩板桩板桩变形板桩变形l 柔性挡土墙l 刚性挡土墙刚性挡土墙t型型预应力预应力刚性加筋刚性加筋圬圬工工式式l型型扶壁扶壁古月堂西侧的挡土墙浆砌块石古月堂西侧的挡土墙浆砌块石挡土墙形式挡土墙形式-刚性挡土墙刚性挡土墙加筋土挡墙加筋土挡墙挡土墙形式挡土墙形式-刚性挡土墙刚性挡土墙柔性支护结构锚杆锚杆板桩板桩板桩变形板桩变形板桩上土压力板桩

5、上土压力 实测实测 计算计算板桩板桩锚杆锚杆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 挡土墙发生事故的例子挡土墙发生事故的例子山体滑坡山体滑坡延安宝塔面临滑坡威胁延安宝塔面临滑坡威胁1.1.土压力试验土压力试验6.1.2土压力的种类土压力的种类 在一个长方形的模型槽中部插上一在一个长方形的模型槽中部插上一块刚性挡板，在板的一侧安装压力盒，块刚性挡板，在板的一侧安装压力盒，填上土；板的另一侧临空。填上土；板的另一侧临空。 在挡板静止不动时，测得板上的在挡板静止不动时，测得板上的土压力为土压力为e0 . 如果将挡板向离开土体的临空方如果将挡板向离开土体的临空方向移动或转动时

6、，则土压力逐渐减小，向移动或转动时，则土压力逐渐减小，当墙后土体发生滑动时达到最小值，测当墙后土体发生滑动时达到最小值，测得板上的土压力为得板上的土压力为 e ea a . 将挡板推向填土方向则土压力逐渐将挡板推向填土方向则土压力逐渐增大，当墙后土体发生滑动时达到最大增大，当墙后土体发生滑动时达到最大值，测得板上的土压力为值，测得板上的土压力为 e ep p。墙身位移与土压力的关系墙身位移与土压力的关系 3）被动土压力）被动土压力（passive earth pressure)1）静止土压力）静止土压力（earth pressure at rest)2）主动土压力）主动土压力（active e

7、arth pressure)岩石拱桥桥台2.2.土压力种类土压力种类 挡土墙在墙后填土的推力作用下，不发生任何方向的移动或转动时，挡土墙在墙后填土的推力作用下，不发生任何方向的移动或转动时，墙后土体没有破坏，而处于弹性平衡状态，作用于墙背的水平压力称为静墙后土体没有破坏，而处于弹性平衡状态，作用于墙背的水平压力称为静止土压力止土压力e0 。 例如，地下室外墙在楼面和内隔墙的支撑作用下几乎无位移发生，作例如，地下室外墙在楼面和内隔墙的支撑作用下几乎无位移发生，作用在外墙面上的土压力即为静止土压力。用在外墙面上的土压力即为静止土压力。1 1） 静止土压力（静止土压力（e0 0） eo o 挡土墙在

8、填土压力作用下，向着背离土体方向发生移动或转动时，墙挡土墙在填土压力作用下，向着背离土体方向发生移动或转动时，墙后土体由于侧面所受限制的放松而有下滑的趋势，土体内潜在滑动面上的后土体由于侧面所受限制的放松而有下滑的趋势，土体内潜在滑动面上的剪应力增加，使作用在墙背上的土压力逐渐减小。当挡土墙的移动或转动剪应力增加，使作用在墙背上的土压力逐渐减小。当挡土墙的移动或转动达到一定数值时，墙后土体达到主动极限平衡状态，此时作用在墙背上的达到一定数值时，墙后土体达到主动极限平衡状态，此时作用在墙背上的土压力，称为主动土压力土压力，称为主动土压力ea （土体主动推墙）。（土体主动推墙）。2 2） 主动土压

9、力（主动土压力（ea ）滑裂面滑裂面eaep滑裂面滑裂面3 3）被动土压力（）被动土压力（ep） 当挡土墙在较大的外力作用下，向着土体的方向移动或转动时，墙后当挡土墙在较大的外力作用下，向着土体的方向移动或转动时，墙后土体由于受到挤压，有向上滑动的趋势，土体内潜在滑动面上的剪应力反土体由于受到挤压，有向上滑动的趋势，土体内潜在滑动面上的剪应力反向增加，使作用在墙背上的土压力逐渐增大。当挡土墙的移动或转动达到向增加，使作用在墙背上的土压力逐渐增大。当挡土墙的移动或转动达到一定数值时，墙后土体达到被动极限平衡状态，此时作用在墙背上的土压一定数值时，墙后土体达到被动极限平衡状态，此时作用在墙背上的土

10、压力，称为被动土压力力，称为被动土压力ep（土体被动地被墙推移）。（土体被动地被墙推移）。 静止土压力的计算主要应用弹性理论的方法；主动土压力和被动土压静止土压力的计算主要应用弹性理论的方法；主动土压力和被动土压力的计算主要应用朗肯土压力理论和库仑土压力理论以及由此发展起来的力的计算主要应用朗肯土压力理论和库仑土压力理论以及由此发展起来的一些近似方法及图解法。试验研究表面，在相同条件下，主动土压力小于一些近似方法及图解法。试验研究表面，在相同条件下，主动土压力小于静止土压力，而静止土压力又小于被动土压力。静止土压力，而静止土压力又小于被动土压力。 6.1.3 6.1.3 影响土压力的因素影响土

11、压力的因素 1 1）挡土墙的位移）挡土墙的位移 挡土墙的位移（或转动）方向和位移量的大小，是影响土压力大小的挡土墙的位移（或转动）方向和位移量的大小，是影响土压力大小的最主要因素。墙体位移的方向不同，土压力的性质就不同；墙体方向和位最主要因素。墙体位移的方向不同，土压力的性质就不同；墙体方向和位移量大小决定着所产生的土压力的大小。其它条件完全相同，仅仅挡土墙移量大小决定着所产生的土压力的大小。其它条件完全相同，仅仅挡土墙的移动方向相反，土压力的数值相差可达的移动方向相反，土压力的数值相差可达2020倍左右。倍左右。 2 2）挡土墙类型）挡土墙类型 挡土墙的剖面形状，包括墙背为数值还是倾斜、光滑

12、还是粗糙，都关挡土墙的剖面形状，包括墙背为数值还是倾斜、光滑还是粗糙，都关系采用何种土压力计算理论公式和计算结果。如果挡土墙的材料采用素混系采用何种土压力计算理论公式和计算结果。如果挡土墙的材料采用素混凝土或钢筋混凝土，可认为墙背表面光滑，不计摩擦力；若是砌石挡土墙，凝土或钢筋混凝土，可认为墙背表面光滑，不计摩擦力；若是砌石挡土墙，则必须计入摩擦力，因而土压力的大小和方向都不相同。则必须计入摩擦力，因而土压力的大小和方向都不相同。 3 3）填土的性质）填土的性质 挡土墙后填土的性质，包括填土松密程度即重度、干湿程度（即含水挡土墙后填土的性质，包括填土松密程度即重度、干湿程度（即含水率）、土的强

13、度指标（内摩擦角和粘聚力）的大小，以及填土表面的形状率）、土的强度指标（内摩擦角和粘聚力）的大小，以及填土表面的形状（水平、上斜或下斜）等，都将会影响土压力的大小。（水平、上斜或下斜）等，都将会影响土压力的大小。6.2 静止土压力计算静止土压力计算 在岩石地基上的重力式挡土墙，由于墙的自重大，地基坚硬，墙体在岩石地基上的重力式挡土墙，由于墙的自重大，地基坚硬，墙体不会产生位移和转动；地下室外墙在楼面和内隔墙的支撑作用下也几乎无不会产生位移和转动；地下室外墙在楼面和内隔墙的支撑作用下也几乎无位移和转动发生。此时，挡土墙或地下室外墙后的土体处于静止的弹性平位移和转动发生。此时，挡土墙或地下室外墙后

14、的土体处于静止的弹性平衡状态，作用在挡土墙或地下室外墙面上的土压力即为静止土压力。衡状态，作用在挡土墙或地下室外墙面上的土压力即为静止土压力。 拱座不允许产生位移，故按静止土压力计算。拱座不允许产生位移，故按静止土压力计算。 水闸、船闸边墙因为与闸底板连成整体，边墙位移可以忽略不计，水闸、船闸边墙因为与闸底板连成整体，边墙位移可以忽略不计，可按静止土压力计算。可按静止土压力计算。6.2.1 6.2.1 静止土压力产生条件静止土压力产生条件6.2.2 6.2.2 静止土压力计算公式静止土压力计算公式1. 1. 静止土压力计算公式静止土压力计算公式zke001) 1) 按照经典弹性力学理论计算按照

15、经典弹性力学理论计算1130k2) 2) 半经验公式半经验公式 对于无粘性土及正常固结粘土：对于无粘性土及正常固结粘土：sin10k对于超固结粘性土：对于超固结粘性土： mocrkk)()()(cn0co03 3）经验取值）经验取值 总总静止土压力为：静止土压力为：1/3hn若墙后填土为均匀体，则单位面积上静止土压力为。若墙后填土为均匀体，则单位面积上静止土压力为。2. 2. 总静止土压力总静止土压力02021khehke00形心1/3h2n若墙后填土中有地下若墙后填土中有地下水，则计算静止土压水，则计算静止土压力时，水中土的重度力时，水中土的重度应取浮重度。应取浮重度。2. 2. 总静止土压

16、力总静止土压力例例6-16-1计算图计算图 静止土压力沿墙背的分布及其合力的作用点位置如图。静止土压力沿墙背的分布及其合力的作用点位置如图。 6.3 6.3 朗肯土压力理论朗肯土压力理论6.3.1 6.3.1 基本原理基本原理 英国科学家朗肯（英国科学家朗肯（w.j.m rankinew.j.m rankine）于）于18571857年研究了半无限土体在自重应力作用下，年研究了半无限土体在自重应力作用下，土体内各点从弹性平衡状态发展为极限平很土体内各点从弹性平衡状态发展为极限平很状态的应力条件，推导出挡土墙土压力计算状态的应力条件，推导出挡土墙土压力计算的公式，即著名的朗肯土压力理论。的公式，

17、即著名的朗肯土压力理论。 朗肯土压力理论假设条件：表面水平的朗肯土压力理论假设条件：表面水平的半无限土体，处于极限平很状态。半无限土体，处于极限平很状态。 朗肯土压力理论适用条件为：朗肯土压力理论适用条件为： 挡土墙的墙背垂直、光滑；挡土墙的墙背垂直、光滑；挡土墙挡土墙墙后填土表面水平。墙后填土表面水平。6.3.2 6.3.2 朗肯主动土压力计算朗肯主动土压力计算 a a）计算简图）计算简图 b b）应力状态示意图）应力状态示意图 c c）主动破坏剪切面示意图）主动破坏剪切面示意图朗肯主动土压力计算朗肯主动土压力计算zz1x3ae剪切破坏面与大主应力作用面的夹角是剪切破坏面与大主应力作用面的夹

18、角是: : 245 墙后土体达到主动极限平衡状态时，大主应力为垂直应力，其作用面墙后土体达到主动极限平衡状态时，大主应力为垂直应力，其作用面是水平面，故剪切破坏面是与水平面夹是水平面，故剪切破坏面是与水平面夹 角的两组共轭面。角的两组共轭面。2451. 1. 理论研究理论研究2. 2. 主动土压力计算公式主动土压力计算公式)245tan(2)245(tan21x3c（6-66-6）aaa2kczke （6-76-7）aazke（6-86-8） 3. 3. 主动土压力分布主动土压力分布a a）无粘性土朗肯主动土压力）无粘性土朗肯主动土压力 b b）粘性土朗肯主动土压力）粘性土朗肯主动土压力aaa

19、2kchkeaahke5. 5. 总主动土压力作用点总主动土压力作用点2aa20aaa2221)(2(21ckchkhzhkchke2 2）粘性土）粘性土 1 1）无粘性土）无粘性土 4. 4. 总主动土压力总主动土压力（6-116-11） （6-106-10） （6-96-9）e ea a=0=022202221)(21ckchhkzhkeaaaa粘性土的主动土压力计算粘性土的主动土压力计算 1f v= z k0 v 1 345 -f f/2ep6.3.3 6.3.3 朗肯被动土压力计算朗肯被动土压力计算被动极限平衡应力状态被动极限平衡应力状态1. 1. 理论研究理论研究 a a）计算简图）

20、计算简图 b b）应力状态示意图）应力状态示意图 c c）被动破坏剪切面示意图）被动破坏剪切面示意图2. 2. 被动土压力计算公式被动土压力计算公式)245tan(2)245(tan23x1c （6-126-12）ppp2kczke（6-136-13）ppzke（6-146-14）3. 3. 被动土压力分布被动土压力分布a a）无粘性土朗肯被动土压力）无粘性土朗肯被动土压力 b b）粘性土朗肯被动土压力）粘性土朗肯被动土压力ppp2kchkepp2kce 4. 4. 总被动土压力总被动土压力1) 1) 无粘性土无粘性土 p2p21khe2) 2) 粘性土粘性土 pp2p221kchkhe5. 5. 总被动土压力作用点总被动土压力作用点1) 1) 无粘性土无粘性土 总被动土压力的作用点位于被动土压力