土压力理论PPT教案

1、土压力理论土压力理论概述挡土墙用来支撑天然或人工斜坡不致坍塌以保持土体稳定性的一种构筑物。土压力挡土墙后的填土因自重或外荷载作用对墙背产生的侧压力。第1页/共89页概述第2页/共89页概述第3页/共89页挡土墙的几种类型:E地下室地下室侧墙E填土重力式挡土墙E桥面拱桥桥台概述第4页/共89页刚性挡土墙本身变形极小，只能发生整体位移 重力式悬臂式扶壁式 锚拉式（锚碇式）概述第5页/共89页刚性挡土墙的位移及土压力分布概述第6页/共89页柔性挡土墙本身会发生变形，墙上土压力分布形式复杂锚杆板桩板桩变形板桩上土压力 实测 计算概述第7页/共89页临时支撑系统的位移及土压力分布临时支撑土压力分布受施工

2、过程和变位条件的影响概述第8页/共89页刚性挡土墙土压力计算比较简单，其它类型的土压力计算大都以刚性墙为依据本章要讨论的中心问题刚性挡土墙上的土压力性质及土压力计算，包括土压力的大小、方向、分布及合力作用点概述第9页/共89页3.被动土压力（Passive earth pressure)1.静止土压力（Earth pressure at rest)2.主动土压力（Active earth pressure)岩石拱桥桥台墙体位移与土压力类型概述第10页/共89页山体滑坡延安宝塔面临滑坡威胁第11页/共89页2009年9月14日5时50分发生在兰州市城关区小达子坪的山体滑坡，已经导致3人遇难。 第

3、12页/共89页第13页/共89页护坡桩形成的挡土结构第14页/共89页加筋土挡墙第15页/共89页第16页/共89页第17页/共89页挡土墙：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一种结构物。土压力：由于土体自重、土上荷载或结构物的侧向挤压作用，挡土结构物所承受的来自墙后填土的侧向压力。土压力是挡土墙上承受的主要外力第18页/共89页天然坝 坝高290 m滑坡堰塞湖 库容15亿方第19页/共89页第20页/共89页第21页/共89页第22页/共89页E填土重力式挡土墙挡土墙在土压力的作用下离开墙后填土发生位移墙体位移与土压力类型第23页/共89页E

4、桥面拱桥桥台挡土墙在各种力的共同作用下向墙后填土挤压第24页/共89页EE对称的刚性挡土墙在各种力的共同作用下静止不动第25页/共89页 挡土墙可能的位移方向不同，强背面承受土压力的类型与大小不同。 挡土墙所受土压力的大小并不是一个常数，而是随位移量的变化而变化。第26页/共89页一、土压力类型及产生条件静止土压力E0 挡土墙为刚性不动时，墙后填土处于静止状态不产生位移和变形（处于弹性平衡状态），此时作用在挡土墙上的土压力。填土6.1 土压力产生的条件第27页/共89页 挡土墙背离填土方向转动或移动，至墙后填土达到极限平衡状态时，作用在挡土墙上的土压力。主动土压力Ea = H土压力E15Eaf

5、E墙体外移，土压力逐渐减小第28页/共89页Ep土压力E- H15% 挡土墙向填土方向转动或移动，至墙后填土达到极限平衡状态时，作用在挡土墙上的土压力。被动土压力EpfE墙体内移，土压力逐渐增大第29页/共89页Ep挡土墙位移与土压力E关系- H15% = H15EaE0+-转动+-移动第30页/共89页二、静止土压力z z zszshshsz计算自重应力的假定与静止土压力产生的条件相同zzszkhs0zkphs00hh/320021hkEK0 常用经验公式计算对于砂土、正常固结粘土sin10KkPakN/mhk0第31页/共89页6.2 朗肯土压力理论基本原理 墙后填土达到极限平衡状态时，填

6、土中任一土单元体都处于极限平衡状态，根据土单元体的极限理论来建立土压力的计算公式。第32页/共89页zszshshszs3fsz=zsK0sz1ss zz30sszkhz不变，h不断减小fap3s第33页/共89页zszshshsz1ss zz30sszkhz不变，h不断增大fpp1ss1fsz=zsK0sz1s3ss1s1s3s3第34页/共89页基本假设挡土墙为刚形体墙背光滑、垂直填土表面水平墙后各点均处于极限平衡状态 sz、 sh为主应力，且sz=z第35页/共89页一、主动土压力竖向应力为大主应力zssz1水平向应力为小主应力afph3ss主动土压力强度为：245tan2)245(ta

7、n23sczpfa)2/45(tan2aK朗肯主动土压力系数aaaKcKzp2第36页/共89页墙后填土为无粘性土（砂土）c=0aaKzpaEH31主动土压力221HKEaaHKpaa H第37页/共89页墙后填土为粘性土aaaKcKzp2aE主动土压力HaKc2aaKcHK20apaKcz20z02202221)(2c-(21cKcHKHzHKHKEaaaaaaaKcHK2)(310zH zz0 aaaKcKzp2zz0 0ap第38页/共89页二、被动土压力竖向应力为小主应力zssz3水平向应力为大主应力pfph1ss被动土压力强度为：245tan2)245(tan21sczpfp)2/4

8、5(tan2pK朗肯被动土压力系数pppKcKzp2第39页/共89页墙后填土为无粘性土（砂土）c=0ppKzppE被动土压力221HKEppHKpppHH31第40页/共89页墙后填土为粘性土pppKcKzp2被动土压力pEHppkcHK2pKc2pppKcHKHE2212土压力作用点的位置根据力矩平衡原理确定第41页/共89页 土压力： 单位长度挡土墙上土压力 单位：kN/m，大小、方向、作用点 土压力强度： 单位面积上的土压力 单位：kN/m2几个概念每延米第42页/共89页土压力计算步骤计算墙背上特征点处的土压力强度pppKcKzp2aaaKcKzp2绘制土压力强度分布图计算土压力Ea

9、、Ep确定土压力作用点第43页/共89页三、几种常见情况主动土压力计算1. 填土表面上有均布荷载qqHH00HqqH0计算墙背上特征点处的土压力强度aaKcp20aaaHKcKHp200aaHHaKcKHHp20)(0aaKcKHH20aKc2绘制土压力强度分布图作用在墙背上的土压力aaKcKHH20aaKcKH20第44页/共89页q当均布荷载从某点开始连续分布时过均布荷载起点作两条线与水平面夹角分别为、。ED认为D点以上土压力不受超载影响，E点以下完全受影响，D、E间的土压力用直线连接。aaKcKqH2245第45页/共89页q当均布荷载局部分布时过均布荷载起、终点作两条线与水平面夹角为。

10、ED认为D点以上E点以下土压力不受超载影响，E点以下，D、E间完全受影响。245第46页/共89页2. 填土为成层土1 1 c12 2 c2H1H2 第一层按均质土计算土压力分布 计算第二层土压力分布时，把第一层重量作用在分层面上的应力，作为第二层的超载。成层土中土压力分布图为： 计算各土层的土压力系数第47页/共89页2 1)2/45(2ztgzKpaac1= c2=0 时2 2 H1H21 1 111aKH211aKH 22211)(aKHH 1 = 2 时 2 1 2 0 c1 0 c2 = 0aaaKczKp2c1、 c2不为0 时2 2 H1H21 1 111112aaKcKH222

11、112aaKcKH22222112)(aaKcKHH1 = 2 2 = 1 时第49页/共89页注意 土压力分布在分层面上的连续性； 土压力分布线的斜率在分层面上的连续性； 土压力系数及粘聚力c应该采用计算点所在土层的。第50页/共89页3. 填土中有地下水 当墙后填土中有水时，需考虑地下水位以下的填土由于浮力作用使有效重量减轻引起的土压力减小，水下填土部分采用浮容重进行计算。 计算作用在墙背上的总压力时应包括水压力的作用。第51页/共89页H1H2水下部分用浮重度土压力01wHp土压力 wEwaEEE水压力水压力221HpwHHw1aHp21HHap0apaE第52页/共89页6.3 库伦土

12、压力理论基本原理CB 当墙背上承受主、被动土压力时，填土必处于极限平衡状态。 填土中形成一完整滑动面BC，倾角为。 以滑动土体ABC的静力平衡条件确定土压力。A第53页/共89页基本假设挡土墙为刚形体墙后填土为粗粒土，c=0滑动面为过墙踵的平面滑动土楔体为刚形体第54页/共89页ABCH一、主动土压力WER重力W=SABC墙背反力E土体反力RWRE- =90- - 土的外摩擦角第55页/共89页在力矢量三角形中，利用正弦定律可得：)()(180sin)sin(fWE0ddfaaKHE221222)cos()cos()sin()sin(1)cos(cos)(cosaK库仑主动土压力系数第56页/

13、共89页若 =0， 即墙背垂直光滑，填土表面水平 库伦理论与朗肯理论等价 )245(tan2aK第57页/共89页主动土压力强度分布aaKHE221aazKdzdEABHaHKcosBAH aaKBAE2cos212coslKdzdEaa2cosBAKa第58页/共89页二、被动土压力ABCHWRE + =90+-)()(180sin)sin(fWEWER第59页/共89页ppKHE221EEp库仑被动土压力系数pHKH31土压力分布：三角形分布222)cos()cos()sin()sin(1)cos(cos)(cospK0ddf第60页/共89页W中包括BCDEEaz0WBCDACADCAE

14、REWEaRCAECADaKcz20三、粘性填土的主动土压力第61页/共89页四、库尔曼图解法WRE- =90-ABCHmn按照相同比例表示E的大小LWmn三角形Bmn与力矢量三角形相似基本原理W方向Ea方向第62页/共89页基本步骤W方向Ea方向第63页/共89页6.4 土压力计算方法的讨论1 分析方法E朗肯理论朗肯理论库仑理论库仑理论土体内各点均处于极限土体内各点均处于极限平衡状态：平衡状态：极限应力法极限应力法刚性楔体，滑面上处于刚性楔体，滑面上处于极限平衡状态：极限平衡状态：滑动楔滑动楔体法体法先求土压力强度先求土压力强度p p先求土压力先求土压力E E极限平衡状态第64页/共89页2

15、 应用条件及误差朗肯理论朗肯理论库仑理论库仑理论 墙背光滑墙背光滑 墙背竖直墙背竖直 填土面水平填土面水平 填土为粗粒土填土为粗粒土 滑动面为平面滑动面为平面 粘性土一般用图解法粘性土一般用图解法主动土压力偏大主动土压力偏大10%左右左右被动土压力偏小可达几倍被动土压力偏小可达几倍主动土压力偏小（可忽略）主动土压力偏小（可忽略）被动土压力偏大可达几倍被动土压力偏大可达几倍在实际工程问题中，土压力计算是比较复杂的工程中使用被动土压力较少，因所需相对位移太大第65页/共89页3 计算误差朗肯理论WREaEa实际0WREpEp主动土压力偏大被动土压力偏小第66页/共89页3 计算误差库伦理论实际滑裂

16、面不一定是平面主动土压力偏小被动土压力偏大滑动面滑动面主动土压力搜索到的不一定是最大值被动土压力搜索到的不一定是最小值第67页/共89页计算误差结论如果 =0，滑裂面是直线，两种理论计算Ka、Kp相同如果 0 Ka 朗肯偏大10%左右，工程偏安全库仑偏小一些（可忽略)； Kp朗肯偏小可达几倍；库仑偏大可达几倍;在实际工程问题中，土压力计算是比较复杂的。工程中使用被动土压力较少。因为所需相对位移太大第68页/共89页6.5 挡土墙设计(自学)一、挡土墙的类型1. 重力式挡土墙墙顶墙基墙趾墙面墙背墙踵仰斜垂直俯斜第69页/共89页2. 悬臂式挡土墙墙趾墙踵立壁钢筋3. 扶壁式挡土墙墙趾墙踵扶壁第7

17、0页/共89页4. 锚定板式与锚杆式挡土墙墙板锚定板基岩锚杆第71页/共89页二、重力式挡土墙选型及构造1. 墙背倾斜形式Ea1仰斜Ea2直立Ea3俯斜Ea1Ea2Ea3第72页/共89页2. 墙身剖面重力式挡土墙每隔10m设置一道伸缩缝。bm1n1HB顶宽b0.4m，块石b0.2m，混凝土底宽B=(1/31/2)Hl1墙背m0.25（仰斜）墙面n=0.050.2底坡l=0.1，土质地基l=0.2，岩石地基第73页/共89页3. 挡土墙埋深土质地基不小于0.5m岩石地基不小于0.3m4. 墙后排水措施泄水孔粘土夯实滤水层泄水孔粘土夯实粘土夯实 截水沟排水孔间距23m第74页/共89页 墙后填土

18、宜选择透水性较强的填料，若采用粘土，应混入一定量的块石，增大透水性和抗剪强度，墙后填土应分层夯实。5.填土质量要求第75页/共89页三、重力式挡土墙的计算1. 抗倾覆稳定验算挡土墙在土压力作用下可能绕墙趾O点向外倾覆zfEaEazEaxG0Ox0 xfbz5 . 10faxfaztzExEGxK)cos(aazEE)sin(aaxEEcotzbxf0tanbzzf第76页/共89页2.抗滑稳定验算3 . 1)(tatannsGEEGK0cosGGn)cos(0aanEEEaEanEatGGnGt0O挡土墙在土压力作用下可能沿基础底面发生滑动0sinGGt)sin(0aatEE为基底摩擦系数第7

19、7页/共89页第78页/共89页1.6 几种常见的主动土压力计算1 填土上有荷载s145+/2pa=s3fsv=z+qsK0svz pa=s3qaaaKcKqzp2)(3sqz s1aaaKcqKzK2aaKcqK2azK朗肯土压力理论第79页/共89页1.6 几种常见的主动土压力计算2 成层填土情况1 1 c1)245(2)245(2vhssooatgctgp2 2 c2H1H2aaKcK2vs第80页/共89页2 11.6 几种常见的主动土压力计算)2/45(2ztgzKpaac1= c2=0 时2 2 H1H21 1 111aKH211aKH 22211)(aKHH 1 = 2 时 2

20、1 2 0 c1 0 c2 = 01.6 几种常见的主动土压力计算aaaKczKp2c1、 c2不为0 时2 2 H1H21 1 111112aaKcKH222112aaKcKH22222112)(aaKcKHHaaKdzdp1 = 2 2 = 1 时第82页/共89页H1H21.6 几种常见的主动土压力计算3 填土中有水水下部分用浮容重uzzss土压力zaaKpsupu)2/45(2tgKaaKH1 aKHH)(212Hw 土压力 aKH1aEwEwaEEE水压力静水情况水压力第83页/共89页E地下室地下室侧墙E填土重力式挡土墙E桥面拱桥桥台各用什么样的土压力？第84页/共89页 【例】某挡土墙高7