土质学与土力学 土压力计算.ppt

第七章 土压力计算,1 概述2 静止土压力计算3朗肯(Rankine)土压力理论4 库仑(Coulomb)土压力理论5 几种常见的主动土压力计算,第七章 土压力计算,库仑C.A.Coulomb(1736-1806),1 概述,什么是挡土结构物（Retaining structure）什么是土压力(Earth pressure)影响土压力的因素挡土结构物类型对土压力分布的影响,1概述,挡土结构物及其土压力,1概述,一、挡土结构物（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。,1概述,挡土结构物上的土压力,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。,1概述,挡土墙类型（按刚度及位移方式）:刚性挡土墙 柔性挡土墙,1概述,刚性挡土墙,1概述,1概述,1概述,柔性支护结构,1 概述,板桩变形,基坑支撑上的土压力,变形,土压力分布,上海市外环过江隧道岸埋段基坑支撑,1概述,无法打锚杆，相邻建筑物的基础较深,地下管线,内支撑,1 概述,地下建筑物,发生在土体内部或者与土相邻的结构物上的压力竖向土压力,新填土,B,外土柱,内土柱,等沉面,沟埋式,上埋式,1概述,二 土压力的影响因素,土的性质挡土墙的移动方向挡土墙和土的相对位移量土体与墙之间的摩擦挡土墙类型,1概述,本章要讨论的中心问题,刚性挡土墙上的土压力计算，包括土压力的大小、方向、分布及合力作用点。,1概述,在影响土压力的诸多因素中,墙体位移条件是最主要的因素。墙体位移的方向和相对位移量决定着所产生的土压力的性质和土压力的大小。,三 土压力类型,1概述,3.被动土压力（Passive earth pressure),墙体位移和土压力分类,1 概述,1.静止土压力（Earth pressure at rest),2.主动土压力（Active earth pressure),墙体位移对土压力的影响,挡土墙所受土压力的类型，首先取决于墙体是否发生位移以及位移的方向。其中有三种特定情况下的土压力，即静止土压力、主动土压力和被动土压力。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。,1概述,1,当d=D/H=0 时（如地下室）E=E0,1.静止土压力,1概述,2.主动土压力,1 概述,墙体外移，土压力逐渐减小，当土体破坏，达到极限平衡状态时所对应的土压力(最小),3.被动土压力,1 概述,墙体内移，土压力逐渐增大，当土体破坏，达到极限平衡状态时所对应的土压力(最大),可按土体处于侧限条件下的弹性平衡状态进行计算。,静止土压力计算,2静止土压力计算,静止土压力系数K0,对于侧限应力状态：p0=sh=K0sv=/(1-)sv=/(1-)gz(7-1)K0=/(1-)由于土的 很难确定，K0常用经验公式计算:对于砂土、正常固结粘土：K0=1-sinf粘性土：K0=0.95-sinf 超固结土：K0=OCR0.5（1-sinf）公路桥涵地基与基础设计规范（JTJ024-85）给出参考值：表7-1,2静止土压力计算,静止土压力系数K0参考值 表7-1,2静止土压力计算,由7-1知，静止土压力强度沿深度呈直线分布，所以有；,2静止土压力计算,静止土压力公式应用 1填土面上有连续均布荷载作用 2墙后填土中有地下水,1填土面上有连续均布荷载作用,将上式代入式（7-1）得：,先求出深度z处的竖向应力：,绘出沿H的分布图，求其面积，就是作用在每延米挡墙上的静止土压力，其值为：,2墙后填土中有地下水,（1）水位以下的土一般采用浮容重，求出各层面的土压力强度。,（2）画出其土压力分布图形求出面积，注意计算静水压力Ew。即为土压力值。,（3）求出分布图形形心位置，即为土（水）压力作用点位置，方向水平。,例题8-1 求嵌固于岩基上的重力式挡墙所承受的土压力。,解:1.求各特征点的竖向应力：,2求各特征点的土压力强度:,查表7-1：,c点静水压强：,3求E0及Ew:,4求和的作用点位置:,小结,挡土结构物（挡土墙）土压力土压力的影响因素静止土压力计算 如何计算主动和被动土压力？,2静止土压力计算,一.半无限土体中的极限平衡应力状态和朗肯土压力：,3 朗肯(Rankine)土压力理论,1.主动极限平衡应力状态,朗肯土压力理论基本条件和假定,条件墙背光滑墙背垂直填土表面水平假设墙后各点均处于极限平衡状态,3 朗肯土压力理论,二.墙背光滑垂直、墙土表面水平的土压力计算,3 朗肯土压力理论,(一).填土为砂土由于墙背光滑垂直（没有剪应力），墙背相当于一个半无限土体中的对称线，墙后为半无限土体的一半。,(一)填土为砂土,3 朗肯土压力理论,1.主动土压力,主动土压力分布 墙后破裂面形状,45/2,3朗肯土压力理论,1.主动土压力,pa=sh=tg2(45-f/2)gzKa=tg2(45-f/2)直线分布合力 Ea=1/2 Ka gH2作用点：底部以上1/3H处滑裂面方向：与水平夹角45+f/2,(一)填土为砂土,3 朗肯土压力理论,2.被动土压力,(一)填土为砂土,被动土压力分布 墙后破裂面形状,3 朗肯土压力理论,2.被动土压力,pp=sh=tg2(45+f/2)gzKp=tg2(45+f/2)直线分布合力 Ep=1/2 Kp gH2作用点：底部以上1/3H处滑裂面方向：与水平夹角45-f/2,(一)填土为砂土,3 朗肯土压力理论,1.主动土压力,(二)填土为粘性土,3 朗肯土压力理论,1.主动土压力,(一)填土为粘性土,主动土压力分布,3 朗肯土压力理论,1.主动土压力,zz0 拉应力，开裂,zz0,(一)填土为粘性土,总主动土压力,3 朗肯土压力理论,2.被动土压力,(一)填土为粘性土,1填土面上有连续均布荷载作用 2墙后填土为多层土 3墙后填土中有地下水,三.朗金土压力公式应用,1填土面上有连续均布荷载作用,将上式代入式（8-5）得：,先求出深度z处的竖向应力：,2墙后填土为多层土,（1）分层。求出各层面的土压力强度。（注意中间层面需分别求出层面上下值）,（2）画出其土压力分布图形求出面积，即为土压力值。,（3）求出分布图形形心位置，即为土压力作用点位置，方向水平。,h1,h2,3墙后填土中有地下水,h1,h2,Ew,Ea,（1）将地下水位处看作一个土层分界面，求出各层面的土压力强度。（水位以下的土一般采用浮容重）,（2）画出其土压力分布图形求出面积，即为土压力值。注意计算静水压力Ew。,（3）求出分布图形形心位置，即为土（水）压力作用点位置，方向水平。,补充题1 求作用在挡墙上的主动土压力。,解：1.先求各层面的竖向应力,由查表8-2得：,3求Ea值及其作用点,Ea作用方向水平指向挡墙，作用点距挡墙底的高度为：,36,48,Ea,0,1,2,静水压力,40,Ew,总压力为276+80=356kN/m,2.求各层面的土压力强度,参考资料 1 李广信.基坑支护结构上水土压力的分算与合算.岩土工程学报，2000，22（3）2 顾宝和.基坑工程的土水压力计算.岩土工程技术，1997，（4）3 杨晓军，龚晓南编著.基坑开挖中考虑水压力的土压力计算.土木工程学报，1997，30（4）4 陈愈炯，温彦锋.基坑支护结构上的水土压力.岩土工程学报，1999，21（2）,目前岩土工程界一般认为，对地下水的考虑应分成两种情况，对于砂性土采用“水土分算法”，而对粘性土采用“水土合算法”。,补充题2 求作用在挡墙上的主动土压力。（浙大1998硕士生入学考试试题）,解：1.先求各层面的竖向应力,3求Ea值及其作用点,Ea作用方向水平指向挡墙，作用点距挡墙底的高度为：,3.3,15.3,11.8,45.4,Ea,Zc,0,1,2,2.求各层面的土压力强度,一、土压力分类：静止土压力、主动土压力、被动土压力,二、静止土压力强度计算公式,三、朗金土压力计算,1.朗金适用条件：墙背竖直、墙背光滑、墙后填土表面水平且与墙顶齐平,2.求各层面的土压力强度计算公式,3 朗肯土压力理论,小结,如果墙背不垂直，光滑墙后填土任意如何计算挡土墙后的土压力？,4 库仑土压力理论,库仑土压力理论示意图,一、主动土压力,4 库仑土压力理论,变化,取若干滑裂面,使 E 最大 dQ/d=0,求得，得到：,式中：,一、主动土压力,4 库仑土压力理论,当b=d=a=0时，即：墙背光滑；垂直；填土表面水平；与朗肯土压力理论一致,二、被动土压力,4 库仑土压力理论,求解方法类似主动土压力变化,取若干滑裂面,使E最小dE/d=0,求得，得到：,4 库仑土压力理论,土压力分布,二、被动土压力,三、朗肯和库仑土压力理论的比较,（一）分析方法,区别 朗肯 库仑,极限平衡状态,土体内各点均处于极限平衡状态,刚性楔体,滑面上处于极限平衡状态,极限应力法 滑动楔体法,4 库仑土压力理论,（二）应用条件,4 库仑土压力理论,（三）计算误差-朗肯土压力理论,4 库仑土压力理论,墙背垂直实际 d 0,郎肯主动土压力偏大郎肯被动土压力偏小,（三）计算误差-库伦土压力理论,4 库仑土压力理论,由于实际滑裂面不一定是平面,主动土压力偏小,被动土压力偏大,5 几种工程中常见的主动土压力计算,一.填土上有荷载二.成层填土情况三.填土中有水四.坦墙五.墙背形状有变化六.墙后填土受限制,5 几种工程中常见的主动土压力计算,一.填土上有荷载,1 朗肯土压力理论 1=gz+qpa=3=qKa+gzKa,H,Z,1,3,qKa,HKa,zKa,5 几种工程中常见的主动土压力计算,2.库仑土压力理论,一.填土上有荷载,三角形相似,5 几种工程中常见的主动土压力计算,3.局部荷载-朗肯土压力理论,一.填土上有荷载,5 几种工程中常见的主动土压力计算,二.成层填土,朗肯理论,5 几种工程中常见的主动土压力计算,（一）讨论,1.pa在B点的连续性,(1)g1=g2 1=2 c1 c2(2)g1=g2 1 2 c1=c2=0(3)g1 g2 1=2 c1=c2,不连续不连续连续,5 几种工程中常见的主动土压力计算,（一）讨论,2.d pa/d z(即pa斜率)的连续性,(1)g1 g2；1=2 转折:g 大 d pa/d z 大(2)f1 f2；g1=g2 转折:g 大 d pa/d z 小,5 几种工程中常见的主动土压力计算,（二）几种情况下土压力讨论,f1=f2 c1=c2=0,g2 g2 g2 g1,5 几种工程中常见的主动土压力计算,（二）几种情况下土压力讨论,过顶点虚拟q=gH1,g1=g2 c1=c2=0,f2 f1 f2 f1,5几种工程中常见的主动土压力计算,（二）几种情况下土压力讨论,c1 0 c2=0,c1=0 c20,g1=g2 f2=f1,5 几种工程中常见的主动土压力计算,1.构造要求：一般用砂性土，墙设排水孔以及反滤层，填土表面设沟、堤等截流2.水下部分 土压力 Pa=Kasz 水压力 pu=u(静水压力、渗流压力、超静孔压),三.填土中有水,5 几种工程中常见的主动土压力计算,三.填土中有水,墙基不透水,朗肯理论,5 几种工程中常见的主动土压力计算,三.填土中有水,库仑理论,墙基不透水,5 几种工程中常见的主动土压力计算,三.填土中有水,填土渗透系数比地基土小得多,透水地基,5 几种工程中常见的主动土压力计算,三.填土中有水,填土渗透系数比地基土小得多,需要绘制流网或计算确定孔压,5 几种工程中常见的主动土压力计算,四.坦墙,a acr=45o-/2,填土表面水平,(1)假设垂直墙面CD上主动土压力 Ea=1/2Ka H2(2)作用在真实墙面AC上的土压力,朗肯理论,5 几种工程中常见的主动土压力计算,四.坦墙,填土表面倾斜,(1)求解假设墙面CB上主动土压力 Ea(2)作用在真实墙面AC上的土压力,库仑理论,5 几种工程中常见的主动土压力计算,五.墙背形状有变化,5 几种工程中常见的主动土压力计算,五.墙背形状有变化,带卸荷台的挡土墙土压力,5 几种工程中常见的主动土压力计算,六.墙后填土受限制,滑裂面BC可能的位置(1)BC在填土中(2)BC在老土中(3)BC在界面上,5几种工程中常见的主动土压力计算,七.加筋挡土墙的土压力,5 几种工程中常见的主动土压力计算,七.加筋挡土墙的土压力,5 几种工程中常见的主动土压力计算,七.加筋挡土墙的土压力,D s3=2 Dc tg(45o-f/2),1 土工合成材料 土工布 土工带 土工格栅2 原理：筋材在拉应变方向，提供拉力，对土体产生压力，从而提高土的抗剪强度,5 几种工程中常见的主动土压力计算,七.地震情况下的动土压力,(1)加速度：向上av、向外ah最不利水平地震系数 K h=ah/g 水平惯性力W K h 垂直地震系数 K v=av/g 垂直惯性力W K v,拟静力法（物部-冈部公式）,(2)虚拟自重WW=W(1-Kv)Secq=g A其中 g=g(1-Kv)Secqtgq=K h/(1-Kv),5 几种工程中常见的主动土压力计算,七.地震情况下的动土压力,(3)整体绕点B逆时针旋转q 则b=b+qa=a+qH=Hcos(a+q)/cos a(4)用库仑理论（图）数解得到地震下动土压力 Eae=(1-Kv)/2*H2Kae式中：Kae=f(q,a,b,f,d),本章总结,挡土结构物土压力 土压力性质朗肯土压力理论库伦土压力理论几种主动土压力计算,