《土壓力與擋土墻》PPT課件.ppt

土力學(xué)與地基基礎(chǔ),主講：王鵬程,2011 年 10 月,聯(lián)系方式,Name:王鵬程 TelE-mail:wpclx1988_2008163.com,7.1 土壓力概述 7.2 靜止土壓力計(jì)算 7.3 朗肯(Rankine)土壓力理論 7.4 庫(kù)侖(Coulomb)土壓力理論 7.5 幾種常見(jiàn)情況的土壓力 7.6 擋土墻設(shè)計(jì),第七章 土壓力與擋土墻設(shè)計(jì),庫(kù)侖 C. A. Coulomb (1736-1806),W.J.M. Rankine 1820-1872 Scotland,什么是擋土結(jié)構(gòu)物 Retaining structure 什么是土壓力 Earth pressure 影響土壓力的因素 研究土壓力的目的,甲所背面,7.1 土壓力概述,一 、擋土結(jié)構(gòu)物(擋土墻),為防止土體坍塌而修建的擋土結(jié)構(gòu)。,用來(lái)支撐天然或人工斜坡不致坍塌以保持土體穩(wěn)定性，或使部分側(cè)向荷載傳遞分散到填土上的一種結(jié)構(gòu)物。,土,擋土結(jié)構(gòu)物及其土壓力,Rigid wall,擋土墻類(lèi)型(按剛度及位移方式): 剛性擋土墻 柔性擋土墻,剛性擋土墻,T型,預(yù)應(yīng)力,剛性加筋,圬工式,漿砌塊石的擋土墻,擋土墻形式-剛性擋土墻,擋土墻形式-剛性擋土墻,護(hù)坡樁形成的擋土結(jié)構(gòu),擋土墻形式-剛性擋土墻,土工格柵加筋建成56.5m高的加筋擋土墻,擋土墻形式-剛性擋土墻,擋土墻形式-剛性擋土墻,加筋土擋墻,擋土墻形式-剛性擋土墻,上海市外環(huán)過(guò)江隧道岸埋段基坑支撐,擋土墻形式-剛性擋土墻,柔性支護(hù)結(jié)構(gòu),柔性支護(hù)結(jié)構(gòu),板樁,擋土墻的存在限制了土體的移動(dòng)，對(duì)墻后土體來(lái)講，是一個(gè)約束，因而墻后土體對(duì)擋土墻的墻背要產(chǎn)生一個(gè)約束反力：,土壓力,二、擋土結(jié)構(gòu)物上的土壓力,墻體位移對(duì)土壓力的影響,1墻體位移的方向和相對(duì)位移量決定著所產(chǎn)生的土壓力的性質(zhì)和土壓力的大小。 2.擋土墻所受土壓力的大小并不是一個(gè)常數(shù)，而是隨位移量的變化而變化。 3.三種特定情況下的土壓力，即靜止土壓力、主動(dòng)土壓力和被動(dòng)土壓力。,三種土壓力,土壓力類(lèi)型,1.靜止土壓力,擋土墻在壓力作用下不發(fā)生任何變形和位移，墻后填土處于彈性平衡狀態(tài)時(shí)，作用在擋土墻背的土壓力,Eo,2.主動(dòng)土壓力,在土壓力作用下，擋土墻離開(kāi)土體向前位移至一定數(shù)值，墻后土體達(dá)到主動(dòng)極限平衡狀態(tài)時(shí)，作用在墻背的土壓力,Ea,3.被動(dòng)土壓力,Ep,在外力作用下，擋土墻推擠土體向后位移至一定數(shù)值，墻后土體達(dá)到被動(dòng)極限平衡狀態(tài)時(shí)，作用在墻上的土壓力,被動(dòng)土壓力,靜止土壓力,主動(dòng)土壓力,巖石,拱橋橋臺(tái),墻體位移與土壓力類(lèi)型,P0,Pa,Pp,4.三種土壓力之間的關(guān)系,-,+,對(duì)同一擋土墻，在填土的物理力學(xué)性質(zhì)相同的條件下有以下規(guī)律：,1. Ea Eo Ep 2. p a,Pa P0 Pp,實(shí)驗(yàn)研究表明：,綜上，可將墻體位移對(duì)土壓力的影響概括為兩點(diǎn)：,第一，擋土墻所受的土壓力類(lèi)型，首先取決于墻體是否發(fā)生位移以及位移的方向； 第二，擋土墻所受土壓力大小并不是一個(gè)常數(shù)，隨著位移的變化，墻上所受土壓力值也變化。,三、影響土壓力的因素,擋土墻的位移方向和位移量 擋土墻的形狀、墻背的光滑程度和結(jié)構(gòu)形式 墻后土的性質(zhì),四、研究土壓力的目的,1、設(shè)計(jì)擋土結(jié)構(gòu) 2、基礎(chǔ)施工、地基處理 3、地基承載力計(jì)算,可按土體處于側(cè)限條件下的彈性平衡狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算。,7.2 靜止土壓力計(jì)算,Z,sv,sh,sh,z,sv,靜止土壓力,對(duì)于側(cè)限應(yīng)力狀態(tài)： p0=sh =K0sv =K0 g z K0=/(1-),由于土的泊松比n 很難確定，K0常用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算,對(duì)于砂土、正常固結(jié)粘土： K0 1-sinf,極限平衡狀態(tài)：,靜止土壓力計(jì)算,z,E0,總靜止土壓力,朗肯土壓力理論基本條件和假定,條件 墻背光滑 墻背垂直 填土表面水平 假設(shè) 墻后各點(diǎn)均處于極限平衡狀態(tài),7.3 朗肯土壓力理論,計(jì)算主動(dòng)、被動(dòng)土壓力均應(yīng)用極限平衡條件！,朗肯極限平衡應(yīng)力狀態(tài),自重應(yīng)力作用下，半無(wú)限土體內(nèi)各點(diǎn)的應(yīng)力從彈性平衡狀態(tài)發(fā)展為極限平衡狀態(tài)的情況。,3f,v=z,K0v,主動(dòng)極限平衡應(yīng)力狀態(tài),45+f/2,1f,v=z,K0v,被動(dòng)極限平衡應(yīng)力狀態(tài),s1,s3,s3,s1,45-f/2,朗肯土壓力計(jì)算,假定： 墻背垂直光滑，填土表面水平,于是： sv、 sh為主應(yīng)力，且sv=z,朗肯主動(dòng)土壓力計(jì)算填土為無(wú)粘性土（砂土）,s1,45+f/2,豎向應(yīng)力為大主應(yīng)力,水平向應(yīng)力為小主應(yīng)力,無(wú)粘性土的極限平衡條件,于是：主動(dòng)土壓力強(qiáng)度,pa=s3,朗肯主動(dòng)土壓力計(jì)算填土為無(wú)粘性土（砂土）,主動(dòng)土壓力強(qiáng)度,朗肯主動(dòng)土壓力系數(shù),總主動(dòng)土壓力,朗肯主動(dòng)土壓力計(jì)算填土為粘性土,豎向應(yīng)力為大主應(yīng)力,水平向應(yīng)力為小主應(yīng)力,粘性土的極限平衡條件,于是：主動(dòng)土壓力強(qiáng)度,朗肯主動(dòng)土壓力計(jì)算填土為粘性土,主動(dòng)土壓力強(qiáng)度,朗肯主動(dòng)土壓力系數(shù),負(fù)號(hào),zz0,zz0,朗肯主動(dòng)土壓力計(jì)算填土為粘性土,Ea,總主動(dòng)土壓力,朗肯被動(dòng)土壓力計(jì)算填土為無(wú)粘性土（砂土）,豎向應(yīng)力為小主應(yīng)力,水平向應(yīng)力為大主應(yīng)力,無(wú)粘性土的極限平衡條件,于是：被動(dòng)土壓力強(qiáng)度,pp=s1,s3,朗肯被動(dòng)土壓力計(jì)算填土為無(wú)粘性土（砂土）,被動(dòng)土壓力強(qiáng)度,朗肯被動(dòng)土壓力系數(shù),總被動(dòng)土壓力,朗肯被動(dòng)土壓力計(jì)算填土為粘性土,豎向應(yīng)力為小主應(yīng)力,水平向應(yīng)力為大主應(yīng)力,粘性土的極限平衡條件,于是：被動(dòng)土壓力強(qiáng)度,朗肯被動(dòng)土壓力計(jì)算填土為粘性土,被動(dòng)土壓力強(qiáng)度,朗肯被動(dòng)土壓力系數(shù),正號(hào),Ep,總被動(dòng)土壓力,7.3 朗肯土壓力理論,小結(jié)：朗肯土壓力理論,墻背垂直光滑 主動(dòng)和被動(dòng) 極限平衡條件 砂土和粘性土,1f,v=z,K0v,s1,s3,45-f/2,45+f/2,3f,s1,s3,粘性土的主動(dòng)土壓力,Ea,不支護(hù)直立開(kāi)挖的最大深度,主動(dòng)土壓力系數(shù),被動(dòng)土壓力系數(shù),靜止土壓力系數(shù),例：已知一擋土墻H=5米，墻背垂直、光滑，填土面水平，填土的物理性質(zhì)指標(biāo)為： ，試求主動(dòng)土壓力的分布、合力及其作用點(diǎn)位置。,H=5m,墻底處主動(dòng)土壓力：,令,解：先寫(xiě)出計(jì)算公式：,主動(dòng)土壓力合力：,主動(dòng)土壓力作用在距離墻底的距離：,7.4 庫(kù)侖土壓力理論,墻背傾斜、粗糙、填土傾斜時(shí)？,庫(kù)侖土壓力理論,庫(kù)侖 C. A. Coulomb (1736-1806),墻背傾斜，具有傾角 墻背粗糙，與填土摩擦角為 填土表面有傾角,出發(fā)點(diǎn)：,平面滑裂面假設(shè)：滑裂面為平面,假設(shè)條件：,剛體滑動(dòng)假設(shè)：破壞土楔為剛體， 滑動(dòng)楔體整體處于極限平衡狀態(tài),7.4 庫(kù)侖土壓力理論,無(wú)粘性土的主動(dòng)土壓力,W,E,R,W,R,E,- ,=90-, 、E,7.4 庫(kù)侖土壓力理論,E,Ea,庫(kù)侖主動(dòng)土壓力系數(shù),Ea,特例：=0，即墻背垂直光滑，填土表面水平時(shí)， 與朗肯理論等價(jià),土壓力分布：三角形分布,7.4 庫(kù)侖土壓力理論,無(wú)粘性土的被動(dòng)土壓力,W,R,E, + ,=90+-, 、E,7.4 庫(kù)侖土壓力理論,Ep,庫(kù)侖被動(dòng)土壓力系數(shù),土壓力分布：三角形分布,7.4 庫(kù)侖土壓力理論,三、庫(kù)侖理論應(yīng)用中的幾個(gè)問(wèn)題,1. 關(guān)于的取值,值與墻后填土的性質(zhì)、填土含水量及墻背的粗糙程度變化于0 之間，實(shí)用中，常取=2/31/3，,2. 當(dāng)墻后填土為粘性土?xí)r,為了得到確切的解析解，庫(kù)侖理論假設(shè)墻后填土為無(wú)粘性土，當(dāng)用粘性土回填時(shí)，在BC面上各力合成時(shí)，將出現(xiàn)粘聚力之和 C = c.BC弧長(zhǎng),由于BC弧長(zhǎng)度是變量,故無(wú)法得其確切解析解；,C,G,C參與合成后，C、N和F三者之和設(shè)為RD，,三、庫(kù)侖理論應(yīng)用中的幾個(gè)問(wèn)題,由圖知：RD 一定位于R的下方，即RD與N之間的夾角D一定大于R與N之間的夾角 ，,鑒于此，實(shí)用中，可考慮將粘性土的值適當(dāng)增大，用增大后的來(lái)近似考慮c值對(duì)土壓力的影響。,3. 庫(kù)侖理論和朗肯理論間的差異,庫(kù)侖理論是利用土楔體在極限狀態(tài)的靜力平衡條件求解，朗肯理論應(yīng)用的是半空間應(yīng)力狀態(tài)下的極限平衡關(guān)系式。,即朗肯理論可以看成是庫(kù)侖理論當(dāng)=0、=0、 =0時(shí)的特例,兩者的出發(fā)點(diǎn)不同；在庫(kù)侖公式中，若=0（墻背光滑）、=0（墻背垂直、 =0（填土面水平），則庫(kù)侖理論的Ka=tan2（45o- /2），,即=0，即墻背垂直光滑，填土面水平，與朗肯理論等價(jià),三、庫(kù)侖理論應(yīng)用中的幾個(gè)問(wèn)題,4. 關(guān)于滑動(dòng)面的形狀,理論推導(dǎo)時(shí)，假設(shè)滑動(dòng)面BC是平面，而實(shí)際上是一曲面；主動(dòng)狀態(tài)墻向前移，真正的滑動(dòng)面接近于圓?。ㄍ玻┟妫?dāng)半徑較大時(shí)，基本上可以看成是平面，因而，按平面計(jì)算，其誤差相對(duì)較小，約為210，尚可以滿(mǎn)足工程要求；故工程上，主動(dòng)土壓力一般可以按庫(kù)侖土理論計(jì)算；而在被動(dòng)狀態(tài)，墻擠向土體，土中滑動(dòng)面接近于對(duì)數(shù)螺線(xiàn)面，根本就不是平面，此時(shí)，再按平面計(jì)算，無(wú)疑會(huì)產(chǎn)生很大的誤差；其誤差隨著值的增大而增大，甚至達(dá)到23倍，以致工程上無(wú)法直接應(yīng)用。,兩種土壓力理論的比較,1 分析方法,極限平衡狀態(tài),2 應(yīng)用條件,3 計(jì)算誤差,朗肯土壓力理論,實(shí)際0,主動(dòng)土壓力 偏大,被動(dòng)土壓力 偏小,3 計(jì)算誤差,庫(kù)侖土壓力理論,實(shí)際滑裂面不一定是平面,主動(dòng)土壓力 偏小,被動(dòng)土壓力 偏大,滑動(dòng)面,滑動(dòng)面,主動(dòng)土壓力搜索得到的不一定是最大值,被動(dòng)土壓力搜索得到的不一定是最小值,計(jì)算誤差,與精確解的比較,計(jì)算誤差,與精確解的比較,計(jì)算誤差,結(jié)論,如果 =0，滑裂面是直線(xiàn)，三種理論計(jì)算Ka, Kp相同 如果 0 Ka 朗肯偏大10%左右，工程偏安全 庫(kù)侖偏小一些（可忽略)； Kp 朗肯偏小可達(dá)幾倍； 庫(kù)侖偏大可達(dá)幾倍; 在實(shí)際工程問(wèn)題中，土壓力計(jì)算是比較復(fù)雜的。,工程中使用被動(dòng)土壓力較少。因?yàn)樗柘鄬?duì)位移太大,7.5 幾種常見(jiàn)的主動(dòng)土壓力計(jì)算,填土上有荷載 2. 成層填土情況 3. 填土中有水,1 填土上有荷載,s1,45+f/2,pa=3f,v=z+q,K0v,z,pa=s3,q,朗肯土壓力理論,1 填土上有荷載,庫(kù)侖土壓力理論,局部荷載,朗肯理論,局部荷載,庫(kù)侖理論,W,E,R,q,W,R,Ea,Ea,Q,2 成層填土情況,g1 f1 c1,g2 f2 c2,H1,H2,f2 f1,f