土质土力学07土压力与土坡稳定.ppt

1、土压力在土建工程中，挡土结构是一种常用的结构物，如桥梁工程中衔接路堤的桥台、道路工程中穿越边坡而修筑的挡土墙、基坑工程中的支挡结构、隧道工程中的衬砌以及码头、水闸、地下室等工程中采用的各种形式的挡土结构等。挡土结构是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。由于土体自重、土上荷载或结构物的侧向挤压作用等，挡土结构物所承受的来自墙后的侧向压力称为土压力。形成挡土结构与土体界面上侧向压力的主要荷载包括：土体自重引起的侧向压力、水压力、影响区范围内的构筑物荷载、施工荷载及必要时应考虑的地震荷载等引起的侧向压力。,7 土压力与土坡稳定,7 土压力与土坡稳定,挡土结构物及其土压力,7 土压力与土坡稳定,挡土墙类型(按刚度及位移方式):刚性挡土墙 柔性挡土墙,7 土压力与土坡稳定,刚性挡土墙,在结构承受外荷载之前，预先对去在外荷载作用下的受拉区施加压应力，以改善结构使用的性能的结构型式称之为预应力结构。,7 土压力与土坡稳定,7 土压力与土坡稳定,7 土压力与土坡稳定,柔性支护结构,板桩变形,基坑支撑上的土压力,变形,土压力分布,2、土坡稳定,7 土压力与土坡稳定,1)土坡定义：具有倾斜面的土体,坡体,土坡的要素组成：,(1)天然土坡,江、河、湖、海岸坡,7 土压力与土坡稳定,贵州洪家渡,山、岭、丘、岗、天然坡,7 土压力与土坡稳定,(2)人工土坡,挖方：沟、渠、坑、池,露天矿,7 土压力与土坡稳定,填方：堤、坝、路基、堆料,小浪底土石坝,7 土压力与土坡稳定,天生桥一级面板堆石坝,7 土压力与土坡稳定,7 土压力与土坡稳定,2)土坡稳定性问题边坡在土体自重等作用下，可能发生边坡失稳破坏土坡稳定性问题。,7 土压力与土坡稳定,主要破坏性是是滑坡,紫坪铺水库2号泄洪洞出口滑坡,7 土压力与土坡稳定,云南徐村水电站溢洪道土坡滑坡,7 土压力与土坡稳定,江岸崩塌滑坡,7 土压力与土坡稳定,江岸崩塌滑坡,7 土压力与土坡稳定,江西省江新洲洲头北侧蹋岸,7 土压力与土坡稳定,三峡库区滑坡问题蓄水,2001年，重庆市云阳县就发生了两次大型滑坡，重庆市武隆边坡失稳造成79人死亡。国务院已经决定拨款40亿元，用于三峡，库区地质灾害治理。仅重庆就有150多个治理工程。,7 土压力与土坡稳定,1989年1月8日 坡高103m 地质：流纹岩中有强风化的密集节理，还包括一个小型不连续面。事故：电站厂房比计划推迟一年，修复时安装了大量预应力锚索。,漫湾滑坡,7 土压力与土坡稳定,沟后面板堆石坝,坝体内浸润线太高,7 土压力与土坡稳定,赴糯扎渡工地公路边滑坡,7 土压力与土坡稳定,时间：2000年4月9日规模：坡高3330 m,堆积体2500m、宽约2500m，总方量=280-300106 m3天然坝：坝高=290 m,库容=1534 106 m3地质：风化残积土。险情：湖水以每日0.5 m速度上升。,7 土压力与土坡稳定,西藏易贡巨型滑坡,滑坡后缘高程5520m,7 土压力与土坡稳定,易贡滑坡堰塞湖,滑 坡 堆 积 区,扎木弄沟,易贡巨型高速滑坡及堰塞湖平面示意图,5520m,2264m,2210m,2165m,2340m,易贡茶厂,7 土压力与土坡稳定,7 土压力与土坡稳定,滑坡堰塞湖易贡湖,7 土压力与土坡稳定,湖水每天上涨50cm！,7 土压力与土坡稳定,城市中的滑坡问题(香港，重庆),7 土压力与土坡稳定,香港1900年建市，1977年成立土力工程署港岛1972 Po Shan 滑坡(20,000 m3)(67 死、20 伤),Po Shan Road,Conduit Road,Notewell Road,7 土压力与土坡稳定,Early 1972 滑坡前,土坡滑动失去稳定的原因有以下两种：(1)外界力的作用破坏了土体内原来的应力平衡状态。如路堑或基坑的开挖，是由于土自身的重力发生变化，从而改变了土体原来的应力平衡状态；路堤的填筑土或土坡面上作用外荷时，以及土体内部水的渗透力、地震力的作用，都会破坏土体原有的应力平衡状态，促使土坡失去稳定而破坏。(2)土的抗剪强度由于受到外界各种因素的影响而降低，促使土坡失稳破坏。如由于外界气候等自然条件的变化，使土时干时湿、收缩膨胀、冻结、融化等，从而使土变松强度降低；土坡内因雨水的浸入使土湿化，强度降低；土坡附近因施工引起的震动，如打桩、爆破等，以及地震力的作用，引起土的液化或缓变，使土的强度降低。,7 土压力与土坡稳定,在工程实践中，分析土坡稳定的目的是检验所设计的土坡断面是否安全与合理，边坡过陡可能发生坍塌，过缓则使土方量增加。土坡的稳定安全度是用稳定安全系数K表示的，它是指土的抗剪强度(抗滑阻力或力矩)与土坡中可能滑动面上产生的剪应力(下滑力或力矩)间的比值，即K=f/。土坡稳定分析是一个比较复杂的问题，因为还有一些不确定因素有待研究。如滑动面形式的确定、按实际情况合理地取用土的抗剪强度参数、土的非均匀性及土坡内有水渗流时的影响等。,7 土压力与土坡稳定,7 土压力与土坡稳定,7.1 概述7.2 土压力的种类及影响因素 7.3 朗肯土压力7.4 库仑土压力7.5 关于土压力的讨论 7.6 土坡稳定分析,1土压力的种类通常根据挡土结构物侧向位移的方向和大小可将土压力分为三种类型：静止土压力P0主动土压力Pa被动土压力Pp实际上，土压力是挡土结构与土体相互作用的结果，大部分情况下的土压力均介于上述三种极限状态土压力之间。,7 土压力与土坡稳定,(1)静止土压力P0挡土墙在压力作用下不发生任何变形和位移(=0)，墙后填土处于弹性平衡状态时，作用在挡土墙背的土压力。,7 土压力与土坡稳定,Po,(2)主动土压力Pa挡土墙在墙后土体的作用下，背离着土的方向移动，墙后土体也随之移动，这时作用在墙上的土压力将由静止土压力逐渐减小，当墙后土体达到极限平衡并出现连续滑动面使土体下滑，这时土压力减至最小值，称为主动土压力。,7 土压力与土坡稳定,Pa,(3)被动土压力Pp若挡土墙在外力作用下，向填土方向移动，这时作用在挡土墙上的土压力将由静止土压力逐渐增大，一直到土体达到极限平衡，并出现连续滑动面，墙后土体向上挤出隆起，这时土压力增大至最大值，称为被动土压力。,7 土压力与土坡稳定,Pp,三种土压力之间的关系,7 土压力与土坡稳定,-,+,对同一挡土墙，在填土的物理力学性质相同的条件下有以下规律：,1.Pa Po Pp2.p a,2影响土压力的因素试验研究表明，影响土压力大小的因素可归纳为下列几方面：(1)挡土墙的位移挡土墙的位移或转动方向及位移量的大小，是影响土压力大小的主要因素。挡土墙移动方向不同，土压力大小不同。前述的三种土压力之中，被动土压力最大，而主动土压力最小。在其它条件完全相同的情况下，挡土墙位移方向相反，土压力数值相差可达20倍左右。因此，在设计挡土结构物时，首先应考虑挡土结构物可能产生的位移的方向和位移量的大小。一般情况下，挡土结构物的土压力尽量为主动土压力。,7 土压力与土坡稳定,(2)挡土墙的形状挡土墙的剖面形状，包括墙背的坡度(竖直或倾斜)、墙背的光滑程度(光滑或粗糙)，都关系到采用何种土压力计算理论公式及计算结果。(3)填土的性质挡土墙后的填土的性质包括：填土的松密程度(影响重度的大小)、干湿程度(以含水量表示)、强度指标(c、)的大小以及填土表面的形状(水平或倾斜)等，也都影响土压力的大小。(4)挡土墙的建筑材料如挡土墙的材料采用素混凝土和钢筋混凝土，可认为墙的表面是光滑的，不计墙土间的摩擦力；若为砌石挡土墙，就必须计算摩擦力，因而土压力的大小和方向都不同。,7 土压力与土坡稳定,3静止土压力计算,7 土压力与土坡稳定,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,K0H,z,K0z,H/3,静止土压力系数,静止土压力强度,静止土压力系数测定方法：,1)通过侧限条件下的试验测定 2)采用经验公式K0=1-sin 计算，土的有效内摩擦角3)经验值：砂土取；粉质粘土取；粘土取,静止土压力分布,土压力作用点,三角形分布,作用点距墙底H/3,静止土压力是在以下几点假设条件下得出的：(1)挡土墙绝对无位移和挠曲(弯曲)；(2)挡土墙与墙后填土之间摩擦力为0，即挡土墙是光滑的；(3)挡土墙后的填土的表面是水平的。在上述假设条件下，墙后填土内的应力状态为半无限弹性体的应力状态。,7 土压力与土坡稳定,几种不同情况下的静止土压力计算：对于成层土和有表面有荷载的情况，静止土压力强度可按下式计算：其中，i、hi计算点以上第i层土的重度和厚度；q填土表面上的均布荷载。对于墙后填土有地下水的情况，计算静止土压力时，地下水位以下对于透水性好的土，应首先采用有效重度计算，同时考虑作用在挡土墙上的静水压力。对于墙背倾斜的情况，作用在单位长度上的静止土压力P0(垂直与墙面)为墙背直立时的静止土压力P0和墙面上方土楔体自重W0的合力。由于挡土墙通常长度较大，在计算土压力(包括后面所讲的各种土压力)时，一般取一米长度(称为1延米)进行计算。,7 土压力与土坡稳定,静止土压力的应用通常地下室外墙由于有内隔墙的支挡而不能位移和转动，作用在其上的土压力可按静止土压力计算；修建于岩石地基上的挡土墙由于与地基连接牢固而不能移动和转动，可按静止土压力计算；拱座不允许产生位移，也按静止土压力计算。,7 土压力与土坡稳定,P0,P0,7 土压力与土坡稳定,7.1 概述7.2 土压力的种类及影响因素 7.3 朗肯土压力7.4 库仑土压力7.5 关于土压力的讨论 7.6 土坡稳定分析,Rankine于1857年研究了半无限土体在自重作用下，处于极限平衡状态的应力条件，推导出了土压力计算公式，称为Rankine土压力理论。1、Rankine土压力基本理论几点假设：(1)挡土墙背面直立；(2)挡土墙背面光滑，墙与墙后填土之间没有摩擦力，墙背面为主应力面；(3)墙后填土表面水平。,7 土压力与土坡稳定,Rankine设想：挡土墙与填土接触面上的剪应力为0(没有摩擦力)，由于边界变形条件的改变而产生主动和被动Rankine状态，但应力状态不变。,7 土压力与土坡稳定,Rankine状态的产生及其特点见下表及图：,z=z,xK0z,paKaz,ppKpz,7 土压力与土坡稳定,7 土压力与土坡稳定,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,主动朗肯状态,被动朗肯状态,处于主动朗肯状态，1方向竖直，剪切破坏面与竖直面夹角为45o-/2,处于被动朗肯状态，3方向竖直，剪切破坏面与竖直面夹角为45o/2,摩尔圆内移,摩尔圆外移,2、主动土压力,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，墙后土体处于朗肯主动状态时，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,z(1),pa(3),极限平衡条件,朗肯主动土压力系数Ka,朗肯主动土压力强度,7 土压力与土坡稳定,墙后破裂面,讨论：,当c=0,无粘性土,朗肯主动土压力强度,(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,7 土压力与土坡稳定,当c0,粘性土,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zKa(2)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,负侧压力深度为临界深度z0,(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,7 土压力与土坡稳定,3、被动土压力,极限平衡条件,朗肯被动土压力系数Kp,朗肯被动土压力强度,z(3),pp(1),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,7 土压力与土坡稳定,墙后破裂面,讨论：,当c=0,无粘性土,朗肯被动土压力强度,(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,7 土压力与土坡稳定,当c0,粘性土,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zKp(2)粘聚力c引起的侧压力2cKp,说明：侧压力是一种正压力，在计算中应考虑,(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,土压力合力,7 土压力与土坡稳定,图解法确定合力作用点：,7 土压力与土坡稳定,ABCD为梯形E为AB的中点F为EF的中点O为梯形ABCD的形心,4、例题分析,【例】有一挡土墙，高6m，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。,7 土压力与土坡稳定,【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,7 土压力与土坡稳定,5、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,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,若填土为粘性土，c0,临界深度z0,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,z0 0说明不存在负侧压力区，按三角形或梯形分布计算,7 土压力与土坡稳定,2)成层填土情况(以无粘性土为例),1，1,2，2,3，3,paA,paB上,paB下,paC下,paC上,paD,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,A点,B点上界面,B点下界面,C点上界面,C点下界面,D点,说明：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,7 土压力与土坡稳定,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,A点,B点,C点,土压力强度,水压力强度,B点,C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,7 土压力与土坡稳定,6、例题分析,【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,Ka20.568,7 土压力与土坡稳定,【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,7 土压力与土坡稳定,7 土压力与土坡稳定,7.1 概述7.2 土压力的种类及影响因素 7.3 朗肯土压力7.4 库仑土压力7.5 关于土压力的讨论 7.6 土坡稳定分析,7 土压力与土坡稳定,1776年，库仑研究了挡土墙后滑动楔体达到极限平衡状态时，用静力平衡方程解出了作用于墙背的土压力，提出了库仑土压力理论。挡土墙背俯斜，倾角为；墙背粗糙，墙与土之间的摩擦角为；填土表面倾斜，坡角为。墙后填土为理想的散粒土，粘聚力c=0；挡土墙向前或向后移动，墙后填土沿墙背和土中通过墙踵的某一平面同时下滑或上滑，形成滑动楔形体，该滑动土楔为一刚塑性体，不考虑其变形。滑动土楔处于极限平衡状态时，作用于墙背的推力即为土压力。,1、库仑土压力假设,墙向前移动时，墙后土体沿某一破坏面BC破坏，土楔ABC处于主动极限平衡状态,土楔受力分析：,(3)墙背对土楔的反力P,大小未知，方向与墙背法线夹角为,(1)土楔自重W=ABC,方向竖直向下,(2)破坏面为BC上的反力R,大小未知，方向与破坏面法线夹角为,7 土压力与土坡稳定,2、库仑主动土压力,土楔ABC在三力P、W、R作用下，静力平衡,滑裂面是任意给定的，不同滑裂面得到一系列土压力P，P是的函数，P的最大值Pmax，即为墙背的主动土压力Pa，所对应的滑动面即是最危险滑动面。根据极值原理可得到Pa的计算公式，即令dPa/d=0,库仑主动土压力系数Ka，查表确定,土对挡土墙背的摩擦角，根据墙背光滑，排水情况确定：墙背光滑、排水不良时取0-/3；墙背粗糙、排水良好时取/3-/2；墙背很粗糙、排水良好时取/2-2/3,7 土压力与土坡稳定,主动土压力与墙高的平方成正比,主动土压力强度,主动土压力强度沿墙高呈三角形分布，合力作用点在离墙底H/3处，方向与墙背法线成，与水平面成(),说明：土压力强度分布图只代表强度大小，不代表作用方向,主动土压力,7 土压力与土坡稳定,如果挡土墙竖直，墙背光滑，墙后填土表面水平，则,7 土压力与土坡稳定,朗肯主动土压力公式,三角恒等式,墙在外力作用下向后移动推向填土时，墙后土体沿某一破坏面BC破坏，土楔ABC处于被动极限平衡状态,土楔受力分析：,(3)墙背对土楔的反力P,大小未知，方向与墙背法线夹角为,(1)土楔自重W=ABC,方向竖直向下,(2)破坏面为BC上的反力R,大小未知，方向与破坏面法线夹角为,7 土压力与土坡稳定,3、库仑被动土压力,土楔ABC在三力P、W、R作用下，静力平衡时,滑裂面是任意给定的，不同滑裂面得到一系列土压力P，P是的函数，P的最下值Pmin，即为墙背的被动土压力Pp，所对应的滑动面即是最危险滑动面。根据极值原理可得到Pp的计算公式，即令dPp/d=0,库仑主动土压力系数Ka，查表确定,土对挡土墙背的摩擦角，根据墙背光滑，排水情况确定：墙背光滑、排水不良时取0-/3；墙背粗糙、排水良好时取/3-/2；墙背很粗糙、排水良好时取/2-2/3,7 土压力与土坡稳定,同样，如果挡土墙竖直，墙背光滑，墙后填土表面水平，则,7 土压力与土坡稳定,朗肯被动土压力公式,库仑土压力理论的被动土压力系数在工程中应用不多，较少使用图表，可按公式进行计算。,库仑土压力强度也呈三角形分布。,4、例题分析,【例1】挡土墙高6.0m，墙背俯斜，填土为砂土，=18.5kN/m3，=30o，填土坡角、填土与墙背摩擦角等指标如图所示，试按库仑理论求主动土压力Pa及作用点,【解答】,由=10o，=15o，=30o，=20o查表得到,土压力作用点在距墙底H/3=2.0m处,7 土压力与土坡稳定,【例2】上例中，若填土表面水平，墙背竖直，其余条件不变，试按库仑理论求主动土压力Pa及作用点,【解答】,由=0o，=0o，=30o，=20o查表得到,土压力作用点在距墙底H/3=2.0m处,7 土压力与土坡稳定,由例可见，在挡土墙高、摩擦角及填土重度、内摩擦角相同的条件下，墙背倾斜度增大10度、填土表面倾角增加15度时，主动土压力增大了61.6%。,5、几种特殊情况下的库仑土压力计算1)粘性土库仑土压力计算(1)根据抗剪强度相等的原理计算由粘性土的抗剪强度指标c和计算等值抗剪强度指标等值内摩擦角D，即将c也折算在等值内摩擦角中。再代入上述公式计算主动或被动土压力。等值内摩擦角D的计算：粘性土的抗剪强度 f=tan+c等值抗剪强度 f=tanD上两式相等 tan+c=tanD 故 D=tan-1(tan+c/),7 土压力与土坡稳定,(2)根据土压力相等的原理计算：为了简化计算，不论墙形和填土情况，均按=0，=0，=0的情况的土压力公式来折算等值内摩擦角。按填土为粘性土计算的土压力：按等值内摩擦角计算的土压力：两式相等，则,7 土压力与土坡稳定,2)填土表面存在均布荷载时的库仑土压力计算(1)墙背竖直，填土表面水平时，将荷载视为虚构的填土h的自重产生的。作用于墙上的总土压力为土压力强度分布呈梯形，总土压力作用点位于梯形重心。,7 土压力与土坡稳定,(2)墙背倾斜，填土表面倾斜时，将荷载视为虚构的填土h的自重产生的，按墙高h+H计算土压力。h按下式计算：总土压力计算公式同前。土压力分布为梯形，作用点在梯形重心。,7 土压力与土坡稳定,3)墙后为分层填土时的库仑土压力计算如图有两层填土，可分别计算：第一层土按墙高h1计算土压力；第二层土的土压力计算时，将第一层土的重度和厚度折算成与第二层土的重度相对应的当量高度h计算，h=1h1/2，墙高h+h2计算土压力，取第二层范围内的土压力即为所求。,7 土压力与土坡稳定,4)墙后为分层填土时的库仑土压力计算如图有两层填土，可分别计算：第一层土按墙高h1计算土压力；第二层土的土压力计算时，将第一层土的重度和厚度折算成与第二层土的重度相对应的当量高度h计算，h=1h1/2，墙高h+h2计算土压力，取第二层范围内的土压力即为所求。,7 土压力与土坡稳定,4)填土中有地下水时的库仑土压力计算水压力和土压力分开计算。土压力计算时，地下水位面以下以浮重度计算。,7 土压力与土坡稳定,7 土压力与土坡稳定,7.1 概述7.2 土压力的种类及影响因素 7.3 朗肯土压力7.4 库仑土压力7.5 关于土压力的讨论 7.6 土坡稳定分析,前面介绍的土压力计算，是经典土力学的内容，其实质是土的抗剪强度理论的应用。实际上，土压力的大小及分布是很复杂的。土压力是土体与挡土结构物相互作用的结果，其大小与分布受土体性质、挡土结构物的类型及其位移等因素的影响。因此，有必要对土压力的计算问题进行进一步的讨论。1Rankine与Coulomb土压力理论的比较 假设条件不同，分析方法不同，结论也不同。只有在最简单条件下结论相同：(1)Rankine土压力理论应用半空间中的应力状态和极限平衡理论得概念比较明确，公式简单，对于粘性土和非粘性土都有可利用的公式计算，所以在工程中应用较广。但其必须假设墙背直立、光滑、墙后填土水平，使其应用范围受到一定的限制。计算的土压力，由于没有考虑墙土之间的摩擦力，使计算的主动土压力偏大，而被动土压力偏小。,7 土压力与土坡稳定,(2)Coulomb土压力理论根据墙后滑动土楔的静力平衡条件推导出土压力计算公式，考虑了墙土之间的摩擦力，并应用于墙背倾斜、填土表面倾斜的情况，但由于该理论假设填土是无粘性土，因此，不能用库仑理论的原公式直接计算粘性土的土压力。库仑理论假设墙后填土破坏时，破裂面是一个平面，而实际上却是曲线，实验表明，在计算主动土压力时，只有当墙背的斜度不大，墙背与填土间的摩擦角较小时，破裂面才接近于一个平面。因此，计算结果与按曲线滑动面计算有出入。在通常情况下，这种偏差在计算主动土压力时约为2-10%，可以认为可满足实际工程所要求的精度；但在计算被动土压力时，由于破裂面接近于对数螺旋线，因此计算结果误差较大，有时可达2-3倍甚至更大。,7 土压力与土坡稳定,2挡土结构物位移与土压力的关系 挡土结构物位移与土压力关系密切。从挡土结构物的位移对土压力大小的影响看，以刚性墙为例，静止土压力减小到主动土压力或增大到被动土压力，需要刚性墙做水平移动或转动。Brinchhansen认为，这种位移的数量级为：对于主动土压力a=0.001H；对于被动土压力p=0.01H。(其中H墙高)。对于一般挡土结构，产生主动土压力所需的墙体位移比较容易出现，而产生被动土压力所需位移数值较大，往往为设计所不允许。因此在选择计算方法以前，必须考虑变形方面的要求。3地下水渗流对土压力的影响 当墙后地下水向墙外发生渗流时，应考虑地下水位以下作用在墙上的不平衡水压力。有渗流时，水压力按三角形分布来考虑，而无渗流时按梯形分布考虑。,7 土压力与土坡稳定,4土体蠕变和松弛与土压力的关系 土压力的大小，受到土的蠕变与松弛的影响，对软粘土而言，这种影响是非常明显的。(1)蠕变对土压力的影响 土体在应力不变的情况发生持续的变形的现象称为蠕变。当挡土结构背后的填土所受到的剪应力大于或等于土本身的屈服强度时，则填土就开始蠕变，这时，如果挡土结构以同样的变形速率向外移动，则挡土结构上的主动土压力为最小，因为这相当于土的强度充分得到发挥。同样，如果挡土结构以同样的速率向内移动，则挡土结构上的被动土压力为最小。,7 土压力与土坡稳定,(2)松弛对土压力的影响 土体在变形不变的情况下应力不断变化的现象称为松弛。当挡土结构背后填土后，如果结构物的位移保持不变，则土的蠕变变形受到限制，其强度不能得到发挥。土体内的应力产生松弛，这时作用在挡土结构上的主动土压力随时间而增大，逐渐达到静止土压力为主。在挡土结构位移停止时，土的蠕变变形速率越小，则土的松弛作用越小；反之，土的蠕变变形速率越大，则土的应力松弛作用也越大。土的应力松弛程度与土的性质有关。硬粘土的应力松弛，一般要小于软粘土的应力松弛。戈尔什杰恩的试验表明，硬粘土在3d内应力松弛约为起始值的55%；软粘土在3d内则应力松弛到零。,7 土压力与土坡稳定,7 土压力与土坡稳定,7.1 概述7.2 土压力的种类及影响因素 7.3 朗肯土压力7.4 库仑土压力7.5 关于土压力的讨论 7.6 土坡稳定分析,1、影响土坡稳定的因素(1)土坡坡度 土坡坡度的表示：一是用高度与水平尺度之比表示，如1:2表示高度1m，水平长度为2m；二是用坡角表示。坡角越小，土坡越稳定，但不经济。(2)土坡高度 土坡高度是坡脚到坡顶的铅直距离。在其他条件相同时，坡高越大，土坡越不稳定。(3)土的性质 土的性质越好，即c、越大，土坡越稳定。(4)气象条件 天气晴朗，土坡干燥，土的强度高，土坡稳定性就好。(5)地下水 降低土的强度，渗透产生渗透力，对土坡稳定不利。(6)地震、爆破等震动 产生振动荷载，使孔隙水压力升高，降低土坡稳定性。,7 土压力与土坡稳定,2、土坡稳定性分析的圆弧法1)基本原理 根据土坡极限平衡稳定进行计算。自然界均质土坡失去稳定时，滑动面常接近圆弧面，可按圆弧面计算，称为圆弧法。最初由瑞典科学家提出。,7 土压力与土坡稳定,假设：,取土坡长度1延米进行分析：(1)滑动力矩MT：由滑动体的自重在滑动方向上的分力产生。(2)抗滑力矩MR：由滑动面上的摩擦力和粘聚力产生。(3)土坡稳定系数K,7 土压力与土坡稳定,W,稳定系数的临界值(又称安全系数)一般取，根据工程安全等级和计算方法确定。,(4)试算法确定Kmin：计算时，滑动面一般是任意选定的，不一定是最危险的真正滑动面。通过试算法，找出稳定系数最小的滑动面，才是真正的滑动面。为此，取一系列的圆心和相应的半径，可计算出各自的稳定系数，取其中最小值Kmin对应的圆弧进行设计。,2）计算步骤 圆弧法分整体圆弧法和条分法等，常用条分法。这里以条分法为例说明其计算过程。(1)按适当的比例尺绘制土坡剖面图，并注明土的指标、c的数值。,7 土压力与土坡稳定,(2)选一个可能的滑动面，确定圆心O和半径R。半径取整数值，便于计算。,(3)将滑动土体竖向分条与编号。分条时，各土条的宽度b相等，编号以圆心O的铅垂线左右各宽0.5b为0条，向上顺序编1、2、3、条；向下顺序编-1、-2、-3、条。,(4)计算每一土条的自重QiQi=bhi其中，hi第i土条的高度。(5)将土条的自重分解为作用于滑动面上的两个分力(忽略条块间的作用力)法向分力 Ni=Qicosi切向分力 Ti=Qisini其中，i法向分力Ni与铅垂线之间的夹角,7 土压力与土坡稳定,(6)计算滑动力矩MT,(7)计算抗滑力矩MR其中，li第i土条的滑弧长度；L滑动圆弧总长度,7 土压力与土坡稳定,(8)计算土坡稳定系数K,(9)求最小稳定系数Kmin重复(1)-(8)步骤，选择不同的圆弧，得到相应的稳定系数，取其中最小值，即为所求的Kmin。,3）简单土坡最危险滑动面的确定 简单土坡是指土坡坡面单一、土质均匀的土坡。其滑动面可采用下述方法确定：(1)根据土坡坡度或坡角，由下表查出相应的a、b角度值。,7 土压力与土坡稳定,(2)根据a角由坡脚A点作AE线，使EAB=a；由坡肩B点作BE线，使EBA=b。(3)AE与BE交点E为=0时土坡最危险滑动面的圆心。(4)由坡脚A点竖直向下取H值，然后向坡内水平线取4.5H处为D点。作DE直线向外延长线附近为，为0时土坡最危险滑动面的圆心位置。(5)在DE延长线上选3-5个点作圆心，计算各自的土坡稳定性系数Ki。按一定的比例尺将K的数值画在圆心与DE正交的线上，并连成曲线，取曲线下凹处的最低点O，过该点作DE的正交直线OF。,7 土压力与土坡稳定,(6)在OF上选3-5个点作圆心，计算各自的土坡稳定性系数Ki。按相同比例尺将K的数值画在圆心与OF正交的线上，并连成曲线，取曲线下凹处的最低点对应的点，即为所求最危险滑动面的圆心位置。,4）例题分析,【例】某土坡如图所示。已知土坡高度H=6m，坡角=55，土的重度=18.6kN/m3，内摩擦角=12，粘聚力c=16.7kPa。试用条分法验算土坡的稳定安全系数,7 土压力与土坡稳定,分析:,按比例绘出土坡，选择圆心，作出相应的滑动圆弧将滑动土体分成若干土条，对土条编号 量出各土条中心高度hi、宽度b i，列表计算sin i、cos i以及土条重W i，计算该圆心和半径下的安全系数 对圆心O选不同半径，得到O对应的最小安全系数；在可能滑动范围内，选取其它圆心O1，O2，O3，重复上述计算，求出最小安全系数，即为该土坡的稳定安全系数,7 土压力与土坡稳定,计算,按比例绘出土坡，选择圆心，作出相应的滑动圆弧,取圆心O，取半径R=8.35m,将滑动土体分成若干土条，对土条编号,列表计算该圆心和半径下的安全系数,7 土压力与土坡稳定,5）计算技巧,(1)对于均质粘性土土坡，其最危险滑动面一般通过坡脚；(2)分条宽度一般取b=R/10；(3)土坡土层分层时，计算圆弧面抗滑阻力时，只按圆弧面所处的土层的c、值计算。,7 土压力与土坡稳定,6）适用条件,适用于各种复杂的条件，包括坡度有多种变化、变坡处中间有道路等各种不规则边坡；土坡土质非均匀的多层土，土层斜向分布；坡顶有荷载；土坡内部存在渗透力等。,、无粘性土坡稳定性计算,对于无粘性土坡，主要坡面不发生滑动，土坡就保持稳定。在坡面上取一微小单元体进行分析：土体自重铅直向下，其沿坡面和垂直坡面的分力为法向分力 N=cos切向分力 T=sin土坡坡角稳定系数K 由公式可知，当时(K=1)，土坡处于极限平衡状态，此时的坡角称为土的天然休止角或安息角。K只与有关，与土的重度、坡高等无关，但密实碎石土坡设计时，应考虑坡高H、结构力c等的影响，建筑地基基础设计规范规定，密实碎石土坡的允许坡度：坡高5以内为1:0.35-1:0.50；坡高5-10为1:0.50-1:0.75。同一种土，坡高越大，坡度允许值越小，即坡度平缓。K的临界值，对于基坑开挖边坡一般取。,7 土压力与土坡稳定,1)挖方边坡与天然边坡,天然地层的土质与构造比较复杂，这些土坡与人工填筑土坡相比，性质上所不同。对于正常固结及超固结粘土土坡，按上述的稳定分析方法，得到安全系数，比较符合实测结果。但对于超固结裂隙粘土土坡，采用与上述相同的分析方法，会得出不正确的结果。,2)关于圆弧滑动条分法,计算中引入的计算假定：滑动面为圆弧 不考虑条间力作用 安全系数用滑裂面上全部抗滑力矩与滑动力矩之比来定义。此外，滑动面上缘往往开裂，应从滑面长度中扣除其长度。,4、土坡稳定分析中有关问题,7 土压力与土坡稳定,使用时，直接删除本页！,精品课件，你值得拥有！,精品课件，你值得拥有！,使用时，直接删除本页！,精品课件，你值得拥有！,精品课件，你值得拥有！,3)土的抗剪强度指标值的选用,土的抗剪强度指标值选用应合理：指标值过高，有发生滑坡的可能；指标值过低，没有充分发挥土的强度，就工程而言，不经济 实际工程中，应结合边坡的实际加荷情况，填料的性质和排水条件等，合理的选用土的抗剪强度指标。如果能准确知道土中孔隙水压力分布，采用有效应力法比较合理。重要的工程应采用有效强度指标进行核算。对于控制土坡稳定的各个时期，应分别采用不同试验方法的强度指标。,4)安全系数的选用,影响安全系数的因素很多，如抗剪强度指标的选用，计算方法和计算条件的选择等。工程等级愈高，所需要的安全系数愈大。目前，对于土坡稳定的安全系数，各个部门有不同的规定。同一边坡稳定分析，选用不同的试验方法、不同的稳定分析方法，会得到不同的安全系数。根据结果综合分析安全系数，得到比较可靠的结论。,7 土压力与土坡稳定,