土压力、地基承讲解.ppt

土压力、地基承载力和土坡稳定,主讲人：陈林靖福州大学土木工程学院岩土工程研究所,6.1 概述,挡土结构是一种常见的岩土工程建筑物，它是为了防止边坡的坍塌失稳，保护边坡的稳定，人工完成的构筑物。,6.1 概述,6.1 概述,刚性挡土墙,柔性挡土墙,临时支撑,挡土墙,刚度和位移方式,重力式挡土墙,重力式挡土墙,加筋网式挡土墙,6.1 概述,挡土墙的土压力通常是指挡土墙后的填土因自重或外荷载作用对墙背产生的侧向压力。土压力与填料的性质、挡土墙的形状和位移方向以及地基土质等因素有关。地基承载力是指地基单位面积上承受荷载的能力。为保证地基在荷载作用下，不出现整体剪切破坏而散失其稳定性，在地基计算中必须验算地基的承载力。,6.2 作用在挡土墙上的土压力,根据挡土墙的位移情况和墙后土体所处的应力状态，将土压力分为以下3种：,6.2 作用在挡土墙上的土压力,静止土压力,当d=D/H=0 时（如地下室）E=E0,6.2 作用在挡土墙上的土压力,滑裂面,Ea,主动土压力,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),6.2 作用在挡土墙上的土压力,Ep,外力,被动土压力,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),6.2 作用在挡土墙上的土压力,三种土压力的关系,-,+,土压力的大小和分布规律不仅与挡土墙的高度、填土的性质有关还与挡土墙的刚度及其位移关系密切,被动,6.2 作用在挡土墙上的土压力,三种土压力大小比较(1)在相同条件下，Ea Eo Ep(2)产生被动土压力所需位移量大大超过产生土的压 力所需的位移量（p a）。,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。,6.2 作用在挡土墙上的土压力,静止土压力计算,K0h,z,K0z,h/3,作用在挡土结构背面的静止土压力可视为天然土层自重应力的水平分量。,静止土压力系数采用经验公式K0=1-sin 计算,6.2 作用在挡土墙上的土压力,若墙后填土中有地下水，则计算静止土压力时，水中土的重度应取浮重度,6.3 朗金土压力理论,基本原理 朗金土压力理论是根据半空间的应力状态和土的极限平衡条件而得出的土压力计算方法。,弹性平衡状态,6.3 朗金土压力理论,当整个土体都处于静止状态时,各点都处于弹性平衡状态,设土的重度为，应力状态如图所示,此时应力状态用莫尔圆表示为所示圆,该点处于弹性平衡状态,故莫尔圆没有与抗剪强度包线相切。,6.3 朗金土压力理论,塑性平衡状态：,如果土体在水平方向伸展（见上图），则M单元在水平截面上的法向应力 Z 不变，而竖直截面上的法向应力X却逐渐减少,直至满足极限平衡条件为止(称为主动朗金状态),此时X达到最低限值A，应力状态用莫尔圆表示，圆与抗剪强度包线相切，见上图中圆所示。,6.3 朗金土压力理论,如果土体在水平方向压缩(见上图)则X不断增加，而 Z却仍然保持不变，直至满足极限平衡条件(称为被动朗金状态)时X达到最大限值P，此时应力状态用莫尔圆表示与抗剪强度包线相切，见图中圆所示。,pa,pp,土体处于弹性平衡状态,主动极限平衡状态,被动极限平衡状态,主动朗金状态,被动朗金状态,处于主动朗金状态，1方向竖直，剪切破坏面与大主应力作用面夹角为45o+/2。处于被动朗金状态，3方向竖直，剪切破坏面与大主应力作用面夹角为45-/2。,6.3 朗金土压力理论,朗金土压力基本假定,为了与莫尔-库仑理论的条件相符合，故假设：1.挡土墙背垂直、光滑 2.填土表面水平 3.墙体为刚性体,6.3 朗金土压力理论,主动土压力,z(1),pa(3),挡土墙在土压力作用下，产生离开土体的位移，竖向应力保持不变，水平应力逐渐减小，位移增大到a，墙后土体处于朗金主动状态时，墙后土体出现一组滑裂面，它与大主应力面夹角45o/2，水平应力降低到最低极限值。,6.3 朗金土压力理论,极限平衡条件朗金主动土压力强度,朗金主动土压力系数,6.3 朗金土压力理论,讨论：,无粘性土，C=0,无粘性土朗金主动土压力分布,6.3 朗金土压力理论,无粘性土朗金主动土压力分布：1.无粘性土主动土压力强度与z成正比，沿墙高呈三角形分布2.合力大小为分布图形的面积，即三角形面积3.合力作用点在三角形形心，即作用在离墙底h/3处,6.3 朗金土压力理论,粘性土，C0,粘性土主动土压力强度包括两部分:1.土的自重引起的土压力zKa2.粘聚力c引起的负侧压力2cKa说明：负侧压力是一种拉力，由于土与结构之间抗拉强度很低，受拉极易开裂，在计算中不考虑。,6.3 朗金土压力理论,负侧压力深度为临界深度z0,6.3 朗金土压力理论,粘性土朗金主动土压力分布:1.粘性土主动土压力强度存在负侧压力区（计算中不考虑）2.合力大小为分布图形的面积（不计负侧压力部分）3.合力作用点在三角形形心，即作用在离墙底(h-z0)/3处,6.3 朗金土压力理论,被动土压力,z(3),挡土墙在外力作用下，挤压墙背后土体，产生位移，竖向应力保持不变，水平应力逐渐增大，位移增大到p，墙后土体处于朗肯被动状态时，墙后土体出现一组滑裂面，它与小主应力面夹角45o/2，水平应力增大到最大极限值。,6.3 朗金土压力理论,极限平衡条件：,朗金被动土压力系数,朗金被动土压力强度,6.3 朗金土压力理论,讨论：,朗金被动土压力强度,当c=0,无粘性土,6.3 朗金土压力理论,无粘性土朗金被动土压力分布：1.无粘性土被动土压力强度与z成正比，沿墙高呈三角形分布2.合力大小为分布图形的面积，即三角形面积3.合力作用点在三角形形心，即作用在离墙底h/3处,6.3 朗金土压力理论,当c0,粘性土,粘性土被动土压力强度包括两部分：1.土的自重引起的土压力zKp2.粘聚力c引起的侧压力说明：侧压力是一种正压力，在计算中应考虑,6.3 朗金土压力理论,粘性土朗金被动土压力分析图,6.3 朗金土压力理论,粘性土朗金被动土压力分布:1.粘性土被动土压力强度不存在负侧压力区2.合力大小为分布图形的面积，即梯形分布图形面积3.合力作用点在梯形形心,6.3 朗金土压力理论,【例】有一挡土墙，高6米，墙背直立、光滑，墙后填土面水平。填土为粘性土，其重度、内摩擦角、粘聚力如下图所示，求主动土压力及其作用点，并绘出主动土压力分布图,【解答】,主动土压力系数,墙底处土压力强度,临界深度,主动土压力,主动土压力作用点距墙底的距离,6.3 朗金土压力理论,几种常见情况下土压力计算1.填土表面有均布荷载（以无粘性土为例）,zq,6.3 朗金土压力理论,1、填土表面深度z处竖向应力为(q+z)相应主动土压力强度,A点土压力强度,B点土压力强度,6.3 朗金土压力理论,若填土为粘性土，c0临界深度z0,1、z0 0说明存在负侧压力区，计算中应不考虑负压力区土压力2、z0 0说明不存在负侧压力区，按三角形或梯形分布计算,6.3 朗金土压力理论,2.成层填土情况（以无粘性土为例）,1，1,2，2,3，3,aA,aB上,aB下,aC下,aC上,aD,挡土墙后有几层不同类的土层，先求竖向自重应力，然后乘以该土层的主动土压力系数，得到相应的主动土压力强度。,6.3 朗金土压力理论,A点：,B点上界面,B点下界面,C点上界面,C点下界面,点,合力大小为分布图形的面积，作用点位于分布图形的形心处,6.3 朗金土压力理论,3.墙后填土存在地下水（以无粘性土为例）,挡土墙后有地下水时，作用在墙背上的土侧压力有土压力和水压力两部分，可分作两层计算，一般假设地下水位上下土层的抗剪强度指标相同，地下水位以下土层用浮重度计算。,6.3 朗金土压力理论,土压力强度,水压力强度,点,点,点,点,点,作用在墙背的总压力为土压力和水压力之和，作用点在合力分布图形的形心处。,【例】挡土墙高5m，墙背直立、光滑，墙后填土面水平，共分两层。各层的物理力学性质指标如图所示，试求主动土压力Ea，并绘出土压力分布图。,Ka10.307,Ka20.568,【解答】,A点,B点上界面,B点下界面,C点,主动土压力合力,10.4kPa,4.2kPa,36.6kPa,6.4 挡土墙设计,一、挡土墙类型1、重力式挡土墙 块石或素混凝土砌筑而成，靠自身重力维持稳定，墙体抗拉、抗剪强度都较低。墙身截面尺寸大，一般用于低挡土墙。,墙踵,6.4 挡土墙设计,2、悬臂式挡土墙 钢筋混凝土建造，立臂、墙趾悬臂和墙踵悬臂三块悬臂板组成，靠墙踵悬臂上的土重维持稳定，墙体内拉应力由钢筋承担，墙身截面尺寸小，充分利用材料特性，市政工程中常用。,墙趾,6.4 挡土墙设计,3、扶壁式挡土墙 针对悬臂式挡土墙立臂受力后弯矩和挠度过大缺点，增设扶壁，扶壁间距（0.30.6）h，墙体稳定靠扶壁间填土重维持。,6.4 挡土墙设计,4、锚杆式挡土墙 预制钢筋混凝土面板、立柱、钢拉杆和埋在土中锚定板组成，稳定由拉杆和锚定板来维持。,6.4 挡土墙设计,5、锚定板挡土结构 预制钢筋混凝土面板、立柱、钢拉杆和埋在土中锚定板组成，稳定由拉杆和锚定板来维持。,6.4 挡土墙设计,6、加筋土挡土结构 预制钢筋混凝土面板、土工合成材料制成拉筋承受土体中拉力。,6.4 挡土墙设计,7、桩撑挡土结构 采用桩基础，打入地基一定深度，形成板桩墙，用做挡土结构，基坑工程中应用较广。,6.4 挡土墙设计,二、挡土墙的构造根据墙背倾角不同分为3种：,三种不同倾斜形式挡土墙土压力之间关系,E1E2E3,6.4 挡土墙设计,挡土墙截面尺寸 砌石挡土墙顶宽不小于0.5m，混凝土墙可缩小为0.20m0.40m，重力式挡土墙基础底宽约为墙高的1/21/3。,6.4 挡土墙设计,为了增加挡土墙的抗滑稳定性，将基底做成逆坡。当墙高较大，基底压力超过地基承载力时，可加设墙趾台阶。,6.4 挡土墙设计,墙后排水措施 挡土墙后填土由于雨水入渗，抗剪强度降低，土压力增大，同时产生水压力，对挡土墙稳定不利，因此挡土墙应设置很好的排水措施，增加其稳定性。,6.4 挡土墙设计,填土质量要求 墙后填土宜选择透水性较强的填料，例如砂土、砾石、碎石等，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。,6.4 挡土墙设计,三、挡土墙计算挡土墙计算内容1、稳定性验算：抗倾覆稳定和抗滑稳定2、地基承载力验算3、墙身强度验算,6.4 挡土墙设计,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,d,抗倾覆稳定条件,6.4 挡土墙设计,验算不能满足要求时：1、将墙趾做成台阶型，增大xf和x02、加大墙体宽度，增加墙体自重G及xf和x03、选择仰斜式挡土墙，以减少主动土压力E04、提高墙后填土质量，减小E05、做好排水措施。,6.4 挡土墙设计,抗滑稳定验算,挡土墙在土压力作用下可能沿基础底面发生滑动,抗滑稳定条件,6.4 挡土墙设计,提高挡土墙抗滑移稳定性的主要措施：1、将基底做成逆坡，以减小滑移力2、加大墙体宽度，以增加墙体自重3、采取能减小主动土压力的措施。,6.5 土坡和地基的稳定分析,土坡滑动是指土坡在一定范围内沿某一滑动面向下和向外滑动而丧失其稳定性。,滑坡面的形状,6.5 土坡和地基的稳定分析,影响土坡稳定的几个因素:1）土坡作用力发生变化2）土体抗剪强度降低3）水压力作用4）边坡岩石的性质及地质构造、边坡的形式和坡 度，地下水渗流引起的渗流力。,6.5 土坡和地基的稳定分析,一、砂性土土坡稳定分析的方法 均质砂性土或成层的非均质砂性土构成的土坡，滑坡时其滑裂面常接近于平面，在横断面上则为一条直线。采用直线滑面法进行砂性土土坡的稳定分析。,6.5 土坡和地基的稳定分析,下图所示是直线滑裂面的示意图，设G为土体ABC的重量，L为滑坡AB的长度，为滑面的倾角，为土的内摩擦角，为坡角,砂土土坡稳定分析,6.5 土坡和地基的稳定分析,下滑力：,阻滑力：,抗滑稳定安全系数：,6.5 土坡和地基的稳定分析,由上式可见：1）当=，K=1，即土坡处于极限平衡状态之中。2）当1土坡就稳定，而且与坡高无关。一般取K的值为1.11.5。,6.5 土坡和地基的稳定分析,二、土坡圆弧滑动体的整体分析法 均质粘性土土坡失稳时，其滑裂面是一个曲面，通常近似地假定为圆弧滑动面。具体分析方法分成为土坡圆弧滑动体的整体分析法和土坡圆弧滑面的条分法分析。,6.5 土坡和地基的稳定分析,滑动力矩Ms和稳定力矩Mr为：土体的稳定安全系数为：,6.5 土坡和地基的稳定分析,三、圆弧滑面的条分法分析基本原理 假定土坡沿圆弧面滑动(下图所示)。将圆弧滑动体分成若干竖直的土条，计算各土条对圆弧圆心O的抗滑力矩与滑动力矩，由抗滑力矩与滑动力矩之比(稳定安全系数)来判别土坡的稳定性。需要选择多个滑动圆心，分别计算相应的安全系数，其中最小的安全系数对应的滑动面为最危险的滑动圆。,6.5 土坡和地基的稳定分析,具体分析步骤1）按比例绘出土坡截面2）取点O作为圆心，以O点至坡脚A作为半径r，作滑弧面AC；将滑动面以上土体竖直分成几个等宽土条，土条宽为0.1r；,6.5 土坡和地基的稳定分析,4.按图示比例计算各土条的重力Gi(图5-7-7),滑动面ab近似取直线，ab直线与水平面夹角为i；分别计算Gi在ab面上法向分力和切向分力:,土条两侧面上的法向力、切向力相互 平衡抵消(由此引起的误差一般在10%15%)，可以不计；,6.5 土坡和地基的稳定分析,5.计算各土条底面切力对圆心的滑动力矩:6.计算各土条底面的抗剪强度所产生的抗滑力矩：,6.5 土坡和地基的稳定分析,7.稳定安全系数为：,6.5 土坡和地基的稳定分析,8.假定几个可能的滑动面，分别计算相应的安全系数K，其中Kmin所对应的滑动面为最危险的滑动面。最小安全系数的范围值应为Kmin=1.11.5,重要工程的Kmin应取高值。,6.5 土坡和地基的稳定分析,根据坡角，由上表查出坡底角和坡顶角。(b)在坡底和坡顶分别画出坡底角和坡顶角，两线的交点O，即最危险滑动圆弧的滑动圆心。(c)由A点垂直向下量一高度，该高度等于边坡的高度H，得C 点，由C点水平向右量一距离，使其等于4.5倍H而得D点，连接DO；(d)在DO延长线上找若干点，作为滑动圆心，画出坡脚圆，试 算K值，找出K值较小的E点；(e)于E点画DO延长线的垂线，再于此垂线上找若干点作为滑 动圆心，试算K值，直至找出K值最小的O点，则O点 即最危险滑动圆弧的滑动圆心。用上述方法计算，需要经过多次试算才能达到目的。,