注巖土力學(xué)講義土壓力及邊坡穩(wěn)定

第六節(jié)土壓力一、土壓力計(jì)算算算設(shè)計(jì)擋土墻，首首首先應(yīng)根根據(jù)擋擋土墻場(chǎng)場(chǎng)地的的工程地地質(zhì)及及水文地地質(zhì)條條件選擇擇擋土土墻的材材料、結(jié)結(jié)構(gòu)形式式及填填土材料料，然然后再確確定作作用在擋擋土墻墻墻背土土壓力力的性質(zhì)質(zhì)、大大小、方方向和和分布。土土壓壓力的確確定涉涉及填料料、擋擋土墻以以及地地基三者者之間間的相互互作用用。目前前計(jì)算算土壓力力大多多仍沿用用朗金金理論（也也稱稱極限應(yīng)應(yīng)力法法）和庫庫倉(cāng)理理論（又又稱滑滑動(dòng)楔體體法）。依據(jù)擋土墻的位位位移情況況和墻墻后土體體所處處的應(yīng)力力狀態(tài)態(tài)，可將將土壓壓力分為為靜止止土壓力力、主主動(dòng)土壓壓力和和被動(dòng)土土壓力力，如圖18-330所示。靜止土壓力的計(jì)計(jì)計(jì)算：若若工作作條件使使擋土土墻不產(chǎn)產(chǎn)生變變動(dòng)，填填土對(duì)對(duì)墻背的的側(cè)向向壓力即即為靜靜止土壓壓力E0，如圖18-331所示。均質(zhì)土層中計(jì)算算算點(diǎn)與填填土面面距離為z處的靜止止土土壓力為(18-60)))式中，K0為靜靜靜止土壓壓力系系數(shù)，與與土的的性質(zhì)有有關(guān)。一一般黏性性土可可取0.50～0.700,砂土可取取0.35～0...50。K0也可用近近似似式計(jì)算算(18---61))這ψ′為土的有有效內(nèi)內(nèi)摩擦角角。靜止止土壓壓力沿墻墻高呈呈三角形形分布布，合力力作用用在距墻墻底1/3高度處。二、朗金土壓力力力理論朗金土壓理論的的的基本假假定是是已知地地面水水平的半半無限限土體中中，任任意的豎豎直面面和水平平面均均是主應(yīng)應(yīng)力面面，假定定該墻墻背豎直直、光光滑，填填土面面水平土土體為為均勻各各向同同性體。（一）主動(dòng)土壓壓壓力擋土墻在土壓力力力作用下下背離離墻背方方向移移動(dòng)或轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)時(shí)，墻后后土壓壓力逐漸漸減小小，當(dāng)達(dá)達(dá)到某某一位移移量時(shí)時(shí)，作用用在擋擋土墻上上的土土壓力達(dá)達(dá)最小小值，此此時(shí)作作用在墻墻背的的土壓力力稱為為主動(dòng)土土壓力力。為求求土壓壓力，必必先求求得強(qiáng)度度分布布圖，此此圖之之面積即即為合合力值，其其形形心位置置即為為合力作作用點(diǎn)點(diǎn)，見圖18-332。墻背上任意深度度度z處的土壓壓力力強(qiáng)度值值為無黏性土(18---62))黏性土(18-63)))式中；c--填填填土的黏黏聚力力；Ka--主主主動(dòng)土壓壓力系系數(shù)，它它與填填土的內(nèi)內(nèi)摩擦擦角的關(guān)系系為為(18-64)))朗金主動(dòng)土壓力力力沿墻高高呈線線性分布布，因因而對(duì)無無黏性性土作用用在高高度為H的墻背上上的的主動(dòng)土土壓力(合力)EEa作用在離墻墻底底H/3處，其值值為為(18---65))黏性土的土壓力力力強(qiáng)度為為土體體自重引引起的的強(qiáng)度扣除除黏黏聚力效效應(yīng)。由由于填土土不可能產(chǎn)生對(duì)墻墻墻背面的的拉力力，因此此應(yīng)略略去臨界界深度度z0范圍內(nèi)的的土土拉力。確確定定z0的條件是是此此處，即主動(dòng)土壓力Eaaa應(yīng)為(18-66)))且作用在離墻底底底(H-z0)/3處。（二）被動(dòng)土壓壓壓力擋土墻在外力作作作用下向向墻背背方向移移動(dòng)或或轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)時(shí)，墻墻擠壓土土體，墻墻后土壓壓力逐逐漸增大大，當(dāng)當(dāng)達(dá)到某某一位位移量時(shí)時(shí)，墻墻后土體體開始始上隆，作作用用在墻上上的土土壓力達(dá)達(dá)到最最大值，此此時(shí)時(shí)作用在在墻背背上的土土壓力力稱為被被動(dòng)土土壓力。被被動(dòng)動(dòng)土壓力力計(jì)算算圖式見見圖18-333，其強(qiáng)度度計(jì)計(jì)算公式式如下下：無黏性土(18---67))黏性土(18-6668)被動(dòng)土壓力Eppp為無黏性土(1118-669))黏性土(1888-700)式中：KP————被動(dòng)土壓壓力力系數(shù)。(18---71))合力作用于三角角角形（無無黏性性土）或或梯形形（黏性性土）的的形心處處。（三）關(guān)于土壓壓壓力計(jì)算算的幾幾點(diǎn)說明明以上計(jì)算及時(shí)是是是按朗金金土壓壓力理論論進(jìn)行行的，假假定墻墻背豎直直、光光滑及填填土面面水平。實(shí)實(shí)際際情況往往往較較此條件件復(fù)雜雜。對(duì)于墻后填土上上上有超載載的情情況，一一般可可換算成成墻后后填土面面上的的等效土土層。對(duì)對(duì)于墻后后填土土面非平平面，墻墻背形狀狀復(fù)雜雜等情況況，一一般可用用廣義義的庫侖侖土壓壓力理論論計(jì)算算，即按按墻后后滑楔平平衡理理論計(jì)算算?！兜氐鼗?guī)范范》考考慮到所所設(shè)計(jì)計(jì)的擋土土墻都都具有一一定的的安全度度，變變位較小小，黏黏性填土土地表表裂縫尚尚未形形成，即即不考考慮地表表裂縫縫出現(xiàn)，給給出出計(jì)算公公式和和四類填填土的的主動(dòng)土土壓力力系數(shù)曲曲線，可可參考。此外，有關(guān)墻后后后為分層層填土土，墻后后填土土中有地地下水水等復(fù)雜雜情況況，詳見見由華華南理工工大學(xué)學(xué)、東南南大學(xué)學(xué)、浙江江大學(xué)學(xué)、湖南南大學(xué)學(xué)合編的的《地地基及基基礎(chǔ)》(中國(guó)建筑筑工工業(yè)出版版社，19944)及其他相相關(guān)關(guān)教材。當(dāng)擋土墻后有較較較陡的穩(wěn)穩(wěn)定巖巖石坡面面時(shí)，應(yīng)應(yīng)按有限限范圍圍填土計(jì)計(jì)算土土壓力，即即取取穩(wěn)定巖巖石坡坡面為破破裂面面，并考考慮穩(wěn)穩(wěn)定坡面面與填填土間的的摩擦擦系數(shù)由由滑動(dòng)動(dòng)楔體平平衡條條件計(jì)算算主動(dòng)動(dòng)土壓力力。三、庫侖土壓力力力理論庫侖土壓力理論論論是根據(jù)據(jù)墻后后土體處處于極極限平衡衡狀態(tài)態(tài)并形成成一滑滑動(dòng)楔體體時(shí)，由由楔體的的靜力力平衡條條件得得出的土土壓力力計(jì)算理理論。其其基本假假設(shè)是是：①墻后的填填土土是理想想的散散粒體（黏黏聚聚力c=0）；②滑動(dòng)破壞壞面面為一平平面。（一）主動(dòng)土壓壓壓力一般擋土墻的設(shè)設(shè)設(shè)計(jì)均屬屬于平平面問題題，故故在下述述討論論中均沿沿墻的的長(zhǎng)度方方向取取1m進(jìn)行分析析，如圖18-344所所示。當(dāng)墻墻墻向前移移動(dòng)或或轉(zhuǎn)動(dòng)而而使墻墻后土體體沿某某一破壞壞面BC破壞時(shí)，土土土楔ABC向下滑動(dòng)而處于主主主動(dòng)極限限平衡衡狀態(tài)。此此時(shí)時(shí)，作用用于土土楔ABC上的力有有：：(1)土楔體的的的自重W，其方向向向向下；(2)破壞面BBBC上的反力R其大小是是未未知的，但但其其方向則則是已已知的；；(3)墻背對(duì)土土土楔體的的反力力E，與它大大小小相等、方方向向相反的的作用用力就是是墻背背上的土土壓力力。土楔體在以上三三三力作用用下處處于靜力力平衡衡狀態(tài)，因因此此必構(gòu)成成一閉閉合的力力矢三三角形：：根據(jù)據(jù)其相互互關(guān)系系，可推推導(dǎo)出出庫侖主主動(dòng)土土壓力大大小計(jì)計(jì)算公式(18-772)。庫侖土土壓壓力系數(shù)數(shù)可查查相應(yīng)表表格。庫侖主動(dòng)土壓力力力的一般般表達(dá)達(dá)式(18-7772)主動(dòng)土壓力強(qiáng)度度度沿墻高高的分分布為三三角形形，合力力作用用點(diǎn)在距距離墻墻底H/3處?！纠?8-177】如如果其他他條件保保持不不變，墻墻后填填土的下下列哪哪些指標(biāo)標(biāo)的變變化，會(huì)會(huì)引起起擋土墻墻的主主動(dòng)土壓壓力增增大？A.填土的內(nèi)摩摩擦擦角9減小B．填土的的重重度y減小C．填土的壓縮縮縮模量E增大D．填土的的黏黏聚力c增大解:主動(dòng)土壓力力強(qiáng)強(qiáng)度，其中中，可知，填填填土內(nèi)摩摩擦角角減小，重重度度y增大，黏黏聚聚力c減小，都都會(huì)會(huì)引起擋擋土墻墻的主動(dòng)動(dòng)土壓壓力增大大；壓壓縮模量量對(duì)其其沒有影影響。答案：A（二）被動(dòng)土壓壓壓力按照主動(dòng)土壓力力力公式的的推導(dǎo)導(dǎo)方法，當(dāng)當(dāng)墻墻背可求求得被被動(dòng)土壓壓力的的計(jì)算公公式。在在上述條條件下下，庫侖侖的被被動(dòng)土壓壓力公公式也與與朗金金公式相相同。第七節(jié)邊坡坡坡穩(wěn)定土坡穩(wěn)定分析是是是一個(gè)比比較復(fù)復(fù)雜的問問題，目目前理論論分析析只限于于較簡(jiǎn)簡(jiǎn)單的情情況。采采用理論論分析與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)相相相結(jié)合的的方法法比較切切實(shí)可可行又比比較可可靠。本本節(jié)主主要介紹紹簡(jiǎn)單單土坡的的穩(wěn)定定分析。所謂簡(jiǎn)單土坡是是是指土坡坡的頂頂面和底底面都都是水平平面，并并伸至無無窮遠(yuǎn)遠(yuǎn)，土坡坡由均均質(zhì)土組組成。一、土坡失穩(wěn)的的的主要原原因(1)土坡作用用用力發(fā)生生變化化，如人人工開開挖坡腳腳、坡坡頂增加加荷載載。或由由于打打樁、車車輛行行駛、爆爆破、地震等引起的振振振動(dòng)改變變了原原來的平平衡狀狀態(tài)。(2)土的抗剪剪剪強(qiáng)度降降低，如如土體中中含水水率或超超靜水水壓力的的增加加。(3)靜水力的的的作用，如如土土體中由由剪切切或張拉拉產(chǎn)生生垂直的的裂隙隙，雨水水或地地面水流流入縫縫隙，土土坡產(chǎn)生側(cè)向推力而而而促使土土坡的的滑動(dòng)。(4)地下水的的的滲流作作用，當(dāng)當(dāng)土坡中中有地地下水滲滲流且且動(dòng)水壓壓力與與滑動(dòng)方方向相相同時(shí)，也也會(huì)會(huì)促使土坡滑動(dòng)。二、無黏性土土土土坡穩(wěn)定定分析析設(shè)一坡角為盧的的的無粘膜膜性土土土坡，土土坡坡及地基基為均均質(zhì)的同同一種種土，且且不考考慮滲流流的影影響。純凈的干砂類土土土坡，其其穩(wěn)定定性條件件可由由如圖18-335所示的力力系系來說明明。斜坡上的土顆粒粒粒M，其自重重為W，砂土的的內(nèi)內(nèi)摩擦角角為ψ。W垂直于坡坡面面和平行行于坡坡面的分分力分分別為N和T，則(18-78)))(18-79)))分力T將使土顆顆粒MM向下滑動(dòng)動(dòng)，為為滑動(dòng)力力。阻阻止M下滑的抗抗滑滑力則是是由垂垂直于坡坡面上上的分力N引起的最最大大靜摩擦擦力T'(18-8000)圖18-35無黏性土土坡坡穩(wěn)定分分析抗滑力與滑動(dòng)力力力的比值值稱為為穩(wěn)定安安全系系數(shù)，為為(18-81)))由上式可知，無無無黏性土土土坡坡穩(wěn)定的的極限限坡角盧盧等于于其內(nèi)摩摩擦角角，即：：當(dāng)(K=11)時(shí)，土坡坡處處于極限限平衡衡狀態(tài)。由由上上述的平平衡關(guān)關(guān)系還可可看出出：無黏黏性土土坡的穩(wěn)穩(wěn)定性性與坡高高無關(guān)關(guān)，僅取取決于于坡角β，只要，土土坡坡就是穩(wěn)穩(wěn)定的的。為了了保證證土坡有有足夠夠的安全全儲(chǔ)備備，可取K=l.l～l.5。三、黏性土土坡坡坡穩(wěn)定分分析黏性土土坡的滑滑滑動(dòng)情況況如圖圖18-336所示。土土坡坡失穩(wěn)前前一般般在坡頂頂產(chǎn)生生張拉裂裂縫。繼繼而沿著著某一一曲面產(chǎn)產(chǎn)生整整體滑動(dòng)動(dòng)，同同時(shí)伴隨隨著變變形。在在垂直直于紙面面方向向，滑坡坡將延延伸至一一定范范圍，也也是曲曲面。為為了簡(jiǎn)簡(jiǎn)化，在在穩(wěn)定定分析中中通常常作為平平面問問題處理理，而而圖18-36黏黏黏性土坡的的滑滑動(dòng)面以下介紹黏性土土土土坡穩(wěn)穩(wěn)定分分析的條條分法法和穩(wěn)定定數(shù)法法。條分法首先為瑞瑞瑞典工程程師W．費(fèi)蘭紐紐斯(Felllennioous，19222)所提出，這這這個(gè)方法法具有有較普遍遍的意意義，它它不僅僅可以分分析簡(jiǎn)簡(jiǎn)單土坡坡，還還可以用用來分分析非簡(jiǎn)簡(jiǎn)單土土坡，例例如土土質(zhì)不均均勻的的、坡上上或坡坡頂作用用有荷荷載的土土坡。條分法的基本原原原理是，滑滑動(dòng)動(dòng)土體重重連同同頂面上上的荷荷載W在滑動(dòng)面面上上的分力力為滑滑動(dòng)力，而而沿滑動(dòng)面上由土土土的抗剪剪強(qiáng)度度產(chǎn)生的的力為為抗滑力力?；瑒?dòng)力與與抗滑滑力對(duì)圓圓心取取矩。若若總抗抗滑力矩矩大于滑動(dòng)力矩，則則土坡穩(wěn)定。因因滑動(dòng)面為曲曲面，為簡(jiǎn)化化計(jì)算，分析析時(shí)將滑動(dòng)土土體沿橫向分分成若干小土土條，每條的的滑動(dòng)面近似似取為平面。逐逐條計(jì)算滑動(dòng)動(dòng)力矩和抗滑滑力矩，最后后疊加，即得得總的抗滑力力矩和滑動(dòng)力力矩，兩者之之比稱為安全全系數(shù)K。根據(jù)建筑筑等級(jí)、土的的性質(zhì)及地區(qū)區(qū)經(jīng)驗(yàn)等因素素綜合考慮，K取1.1～1,5。注意選擇擇滑弧應(yīng)在危危險(xiǎn)滑動(dòng)面的的區(qū)域內(nèi)以減減少工作量。按按經(jīng)驗(yàn)危險(xiǎn)滑滑弧面的兩端端點(diǎn)距坡頂和和坡角點(diǎn)各0.InnH（n為坡度、H為坡高），其其滑弧中心在在此兩點(diǎn)連線線的垂直平分分線上，故可可在此線上取取若干點(diǎn)作為為滑弧圓心，按按上述方法分分別計(jì)算相應(yīng)應(yīng)的穩(wěn)定安全全系數(shù)，就可可求得最小的的安全系數(shù)了了?！こ讨幸笞钚⌒⌒“踩迪禂?shù)Kmin≥1.1～1.5，視工程程重重要性而而定。圖18-37泰泰泰勒穩(wěn)定數(shù)數(shù)圖圖表(二)穩(wěn)定數(shù)法法黏性土土坡的穩(wěn)穩(wěn)穩(wěn)定坡角β與土坡坡坡高h(yuǎn)和土的c、ψ、γ有關(guān)。泰泰勒(Tayllor，19377)根據(jù)大量量計(jì)計(jì)算結(jié)果果，繪繪制成如如圖18-337所示的圖圖，應(yīng)應(yīng)用此圖圖可以以很簡(jiǎn)便便地分分析簡(jiǎn)單單土坡坡的穩(wěn)定定。圖圖中的縱縱坐標(biāo)標(biāo)NS，稱為穩(wěn)穩(wěn)定定數(shù)式中：γ-土的的的重度(kN/IITl33)；c-土的的的黏聚力(kPaa)；NS’-由圖118-337查得的土土坡坡處于極極限狀狀態(tài)時(shí)的的穩(wěn)定定數(shù)；NS-由實(shí)際土土坡計(jì)計(jì)算的穩(wěn)穩(wěn)定數(shù)；；h'-土坡處處處于極限限狀態(tài)態(tài)時(shí)的臨臨界高高度；h-土坡實(shí)際坡坡高高。當(dāng)K>l，即NNN'>NSS時(shí)，表明明土土坡穩(wěn)定定。對(duì)于飽和軟黏土土土土坡，快快剪剪條件下cp=O，當(dāng)坡角p>53。時(shí)，同同樣樣可從圖18-337查得穩(wěn)定定數(shù)N'，進(jìn)行穩(wěn)穩(wěn)定定分析。當(dāng)ψ=0，β<<53O時(shí)，土坡坡的的破壞形形式不不僅取決決于坡坡角β，還取決決于于坡下堅(jiān)堅(jiān)硬土土層面離離土坡坡坡頂?shù)牡木嚯x離hd，與土坡坡高高度h的比值nd（稱為深深度度系數(shù)），其其滑動(dòng)面類型型有三種：(1)滑動(dòng)面通通通過坡腳腳，稱稱為坡腳腳圓；；(2)滑動(dòng)面通通通過坡面面并切切于堅(jiān)硬硬土層層，稱為為坡面面圓；(3)滑動(dòng)面通通通過坡腳腳以外外