边坡稳定及挡土墙.ppt

6、边坡稳定及挡土墙,6.1 土压力类型6.2 静止土压力的计算6.3 朗肯土压力理论6.4 库仑土压力理论6.5 规范法计算土压力6.6 土压力计算举例6.7 特殊情况下的土压力计算方法6.8 挡土墙设计6.9 边坡稳定性分析,6.1 土压力类型,6.1.1 概述 挡土墙是一种保证天然或人工土坡稳定的构筑物，用以防止土体滑塌。按结构形式分：重力式、悬臂式、扶臂式、锚定板式和锚杆式挡土墙等。,1.重力式挡土墙,2.悬臂式挡土墙,3.扶壁式挡土墙,4.锚定板式和锚杆式挡土墙,重力式挡土墙,垮塌的重力式挡墙,悬臂式挡土墙,加筋式挡土墙,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。根据挡墙位移情况，与墙后土体的应力状态，土压力可分为静止土压力、主动土压力和被动土压力。,总结：1）挡土墙所受土压力类型取决于墙体是否发生位移以及位移的方向及位移量。2）挡土墙所受土压力大小并不是常量，随位移变化，墙所受土压力值也变化。3）土体达到主动平衡、产生主动土压力所需的墙体位移量较小，而墙体达到被动平衡，产生的被动土压力所需的墙体位移量很大。,E0,H,静止土压力的分布,6.2 静止土压力的计算,例6-1 已知某挡土墙高4.0m，墙背垂直光滑，墙后填土面水平，填土重力密度为=18.0kNm3，静止土压力系数Ko=0.65，试计算作用在墙背的静止土压力大小及其作用点，并绘出土压力沿墙高的分布图。解:按静止土压力计算公式，墙顶处静止土压力强度为：,墙底处静止土压力强度为：,土压力沿墙高分布图如图所示，土压力合力Eo的大小通过三角形面积求得：,静止土压力E0的作用点离墙底的距离为：,建筑物地下室的外墙、地下水池的侧壁、涵洞的侧壁以及不产生任何位移的挡土构筑物，其侧壁所受到的土压力可按静止土压力计算。,0,z,K0 z,弹性平衡状态时的莫尔圆,自重应力,竖直截面上的法向应力,6.3.1 基本原理,6.3 朗肯土压力理论,朗肯土压力理论的基本假设：1.挡土墙为刚体；2.墙背竖直、光滑；3.墙后填土面水平，其上无超载。,1.土体在水平方向伸展 单元体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却逐渐减小，直至满足极限平衡条件（称为主动朗肯状态）。,0,z,K0 z,a,主动朗肯状态时的莫尔圆,2.土体在水平方向压缩 单元体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却逐渐增大，直至满足极限平衡条件（称为被动朗肯状态）。,0,z,K0 z,p,被动朗肯状态时的莫尔圆,0,z,K0 z,a,p,三种状态时的莫尔圆,绿色圆代表静止土压力状态蓝色圆代表主动土压力状态红色圆代表被动土压力状态,2.无粘性土,一、土体的极限平衡状态,6.3.2 朗肯主动土压力计算,1.粘性土,Ea,H,粘性土的主动土压力强度分布图,a,d,e,b,c,临界深度,1.粘性土主动土压力,Ea,H,无粘性土的主动土压力强度分布图,2.无粘性土主动土压力,Ep,粘性土的被动土压力强度分布图,合力：,1.粘性土被动土压力,6.3.3 朗肯被动土压力计算,Ep,无粘性土的被动土压力强度分布图,H,合力：,2.无粘性土,例：有一挡土墙高5m，墙背垂直光滑，墙后填土面水平。填土的物理力学性能指标为：c=10.0kPa，=300，=18.0kNm3。试计算主动土压力大小及作用点位置，并绘出主动土压力强度沿墙高的分布图。解:因挡土墙墙背垂直光滑，墙后填土面水平，满足朗金土压力条件，故可按下式计算土压力：,其中主动土压力系数为,墙顶点l处的主动土压力强度为：,由于a1为拉应力，墙背与填土脱开，故应求临界深度zo：,墙底点2处主动土压力强度为,土压力分布图形如图所示，主动土压力的大小为,6.4 库仑土压力理论,6.4.1 库仑土压力基本假设,1.墙后的填土是理想的散粒体（粘聚力c=0）；2.当墙体产生一定位移时，墙后土体将形成破裂体，并沿着墙背和破裂面滑动。3.滑动破坏面为通过墙踵的平面。4.当开始发生滑动时，土体处于极限平衡状态，破裂体在自重、墙背反力和破裂面反力作用下维持平衡。5.挡土墙及破裂体均视为刚体。,按库伦理论求主动土压力,W,R,E,W,R,E,A,C,B,6.3.2 库仑土压力计算,作用于土楔上的力：1.土楔体的自重；2.破坏面上的反力R；3.墙背对土楔体的反力E；由土楔体的静力平衡条件得：,作用在墙背上的土压力,库伦主动土压力的一般表达式：,或简写为：,Emax所对应的挡土墙后填土的破坏角 cr，即为真正滑动面的倾角。,库伦主动土压力强度沿墙高呈三角形分布，主动土压力的作用点在距墙底H/3处。当墙背垂直、光滑，填土面水平时，库伦主动土压力的一般表达式与朗肯公式相同。,二、被动土压力,按库伦理论求被动土压力,W,R,E,W,R,E,A,C,B,或简写为：,库伦被动土压力强度沿墙高呈三角形分布，被动土压力的作用点在距墙底H/3处。当墙背垂直、光滑，填土面水平时，库伦被动土压力的一般表达式与朗肯公式相同。,6.5 规范法计算土压力,对于墙后为粘性土的土压力计算可选用建筑地基基础设计规范（GB500072002）所推荐的公式。,主动力土压力系数，土坡高度小于5m时宜取1.0；高度为5-8时宜取1.1；高度大于8m时宜取1.2；,Ka主动土压力系数,Ka:对于高度小于或等于5m的挡土墙,可将土分四类,查6.3（P128）,例5-7某挡土墙高度5m，墙背倾斜，墙后填土为粉质粘土，挡土墙的排水措施齐全。按规范方法计算作用在该挡土墙上的主动土压力。,解：由，土的重度,Ka可查图5-20（d），,作用方向与墙背法线成15角，其作用点距墙基,处,Ka=0.52，,、填土面作用均布荷载 当挡土墙后填土面有连续均布荷载作用时，土压力的计算方法是将均布荷载换算成当量的土重。,6.7 特殊情况下的土压力计算方法,Ea,将垂直压力项z换以z+q计算即可。,1、填土面作用均布荷载,无粘性土,粘性土,例题：已知某挡土墙高6.00m，墙背竖直、光滑、墙后填土面水平。填土为粗砂，重度=19.0kN/m3，内摩擦角，在填土表面作用均布荷载q=18.0kPa。计算作用在挡土墙上的主动土压力。,解（1）计算主动土压力系数（2）计算主动土压力,合力作用方向水平，作用点距墙基为z，则,6.7.2 成层填土,分层计算:若计算第i层土对挡土墙产生的土压力，其上覆土层的自重应力可视为均布荷载作用在第i层土上。以粘性土为例，其计算公式为：若为无粘性土，上式中的第二项为零。,例题：挡土墙高5m，墙背直立，光滑，墙后填土水平，共分两层，各土层的物理力学指标如图所示，试求主动土压力并绘出土压力分布图。,底面,底面,顶面,解：（1）计算主动土压力系数,（2）计算第一层的土压力,顶面,（3）计算第二层的土压力,例题5-5 挡土墙高5m，墙背直立，光滑，墙后填土水平，共分两层，各土层的物理力学指标如图5-12所示，试求主动土压力并绘出土压力分布图。解：（1）计算主动土压力系数,（4）计算主动土压力,Ea的作用方向水平，作用点距墙基为z，则,填土中有地下水,当墙后土体中有地下水存在时，墙体除受到土压力的作用外，还将受到水压力的作用。计算土压力时，可将地下潜水面看作是土层的分界面，按分层土计算。潜水面以下的土层因受到地下水的影响，可分别采用“水土分算”或“水土合算”的方法计算。,（1）水土分算法 这种方法比较适合渗透性大的砂土层。计算作用在挡土墙上的土压力时，采用有效重度；计算水压力时按静水压力计算。然后两者叠加为总的侧压力。,（2）水土合算法 这种方法比较适合渗透性小的粘性土层。计算作用在挡土墙上的土压力时，采用饱和重度，水压力不再单独计算叠加。,例题：用水土分算法计算下图所示的挡土墙上的主动土压力、水压力及其合力。,解（1）计算主动土压力系数,（2）计算地下水位以上的主动土压力顶面,（3）计算地下水位以下土层的主动土压力及水压力因水下土为砂土，采用水土分算法主动土压力：顶面,底面,水压力：顶面,底面,底面,（4）计算总主动土压力和总水压力,Ea作用方向水平，作用点距墙基为z，则,水压力,Pw作用方向水平，作用点距墙基4/3=1.33m。（5）挡土墙上主动土压力及水压力如图所示。,6.8 挡土墙设计,6.8.1 挡土墙类型 1、重力式挡土墙 一般有块石或混凝土材料砌筑，墙身截面较大，墙高一般小于8米，当H为8-12米时，宜采用衡重式。依靠墙身自重抵抗力引起的倾覆弯矩。结构简单，施工方便，能就地取材，在建筑工程中应用最广。,重力式挡土墙,2.悬臂式挡土墙 一般由钢筋混凝土材料制成，主要依靠墙踵悬臂以上土重维持墙的稳定性。拉应力由墙内的钢筋承受，故墙身截面小，能充分利用钢筋混凝土的受力特点，多用于市政工程及厂矿储料仓库。,悬臂式挡土墙,3.扶壁式挡土墙,当墙后填土较高，挡土墙力臂挠度较大时，为了增强立壁的抗弯性能，常沿墙的纵向每隔一定距离设置一道扶壁，称为扶壁式挡土墙，扶壁间填土可增强抗滑和抗倾覆能力，一般用于大型土建工程。,4.锚定板式和锚杆式挡土墙,锚定板挡土墙由预制的钢筋混凝土立柱、墙面、钢拉杆和埋置在填土中的锚定板在现场拼装而成，依靠填土与结构的相互作用力维持其自身稳定。与重力式挡土墙相比，其结构轻，预想性大，工程量少，造价低、施工方便，特别适用于地基承载力不大的地区。,6.8.2 重力式挡土墙设计,1、埋置深度 埋置深度应根据持力层土的承载力、冻结深度、岩石风化程度、流水冲刷等因素确定，一般不应小于0.5米。2、截面形式的选择 四种形式，主动土压力最小的是仰斜式，最大的俯斜式。3、截面尺寸的选择 一般规定块石挡土墙顶宽不宜小于400mm，混凝土挡土墙顶宽不宜小于200mm，底宽为（1/2-1/3）H。,4、构造要求,1）重力式挡土墙适用于高度小于6m,底层稳定、开挖土石方时不会危及相邻建筑物安全的地段。2）重力式挡土墙可在基底设置逆坡。对于土质地基，基底逆坡坡度不宜大于1:10；对于岩质地基，基底逆坡不宜大于1:5。3）块石挡土墙顶宽不宜小于400mm，混凝土挡土墙顶宽不宜小于200mm。4）埋置深度应根据持力层土的承载力、冻结深度、岩石风化程度、流水冲刷等因素确定。土质地基中，一般不应小于0.5米；软质岩地基中，一般不宜小于0.3米。5）重力式挡土墙应每隔10-20米设置一道伸缩缝。当地基有变化时，应加设沉降缝。在挡土结构拐角处，应采取加强构造措施。,5、挡土墙稳定性验算 1）抗滑移稳定性验算,抗滑安全系数,2）抗倾覆稳定性验算,抗倾覆安全系数,坡底,坡脚,坡面,坡肩,坡顶,坡高,坡角,滑坡的位置,6.9 边坡稳定性分析,1、土坡失稳（滑坡）的定义 土坡失稳（滑坡）是指土坡在一定范围内整体地沿着某一浮动面向内或向外滑动而丧失其稳定性的现象。2、影响土坡的失稳的主要因素有：1）土坡作用力发生变化;2）土体的抗剪强度低；3）静水力的作用。,6.9.1 影响土坡稳定的因素,滑坡的位置,1.无粘性土坡稳定性分析,6.6.2 简单土坡的稳定性分析,无粘性土的简单土坡,抗滑力为,抗滑力与滑动力之比称为稳定安全系数K,滑动力为,一般要求K。,2.粘性土的土坡稳定分析条分法,滑动土体分为若干垂直土条,一般要求K=1.201.30,影响因素和设计原则,一、土坡稳定的影响因素（1）外界荷载作用或土坡环境变化等使土体内部剪应力增大；（2）外界各种因素影响导致土体抗剪强度降低，促使土坡失稳破坏。二、土坡稳定的设计原则（1）对土坡工程的设计处理，必须进行详细的工程地质勘察，对边坡的稳定性作出准确的评价，对周围环境的危害性作出预测；（2）建筑物的布局应依山就势，防止大挖大填；（3）土坡设计应注意边坡环境的保护与整治，边坡水系应因势利导，保护排水畅通。,5.3.2 无粘性土土坡稳定分析,粘性土坡的稳定,条分法的基本概念,瑞典条分法,5.3.4 土质边坡常见的工程处理措施,（1）边坡的坡度允许值，应根据当地的经验，参照同类土层的稳定坡度确定；（2）土质边坡开挖时，必须加强排水措施，边坡的顶部必须设置排水沟；（3）边坡开挖时，只能由上往下开挖，依次进行。弃土应分散处理。不允许将弃土堆置在破顶及坡面上；（4）边坡开挖后，应立即对边坡进行防护处理。,5.4 基坑工程简介,5.4.1 概述一、维护结构的重要性和主要功能 维护结构应满足以下三个方面的要求：（1）保证基坑周边为开挖土体的稳定；（2）保证临近基坑的相邻建筑物、构筑物和地下管线在地下结构施工期间不受损害，即要求维护结构能有效的控制坑周和坑底土体变形；（3）要求维护结构起截水作用，并结合降水、排水等措施，保证施工作业面在地下水位以上。二、维护结构的设计等级与适用条件 根据的规定，维护结构应根据其破坏后果的严重性区分等级，并在设计时取相应的重要性系数。,.基坑维护结构的常见形式,常见的基坑维护结构形式有：（）放坡开挖及简易维护；（）悬臂式维护结构；（）重力式维护结构；（）内撑式维护结构；（）锚拉式维护结构；（）土钉墙维护结构；（）其它形式维护结构。,5.4 地基破坏型式和地基承载力,整体剪切破坏局部剪切破坏冲剪破坏,5.4.1 地基破坏型式,1.整体剪切破坏,整体剪切破坏型式的压力沉降关系曲线,p,s,0,线性变形阶段,弹塑性变形阶段,塑性破坏阶段,整体剪切破坏,o,P,S,Pcr,pu,a,b,临塑荷载,极限荷载,整体剪切破坏,出现了连续滑动面,地表面出现了明显的隆起,上部结构荷载,2.局部剪切破坏,s,p,局部剪切破坏型式的压力沉降关系曲线,0,压力和沉降关系曲线从一开始就呈现非线性关系,局部剪切破坏,上部结构荷载,未出现连续滑动面,地表隆起不明显,3.冲剪破坏,p,s,冲剪破坏型式的压力沉降关系曲线,0,无明显的转折现象,冲剪破坏,地基承载力临塑荷载pcr地基极限承载力pu,5.4.2 地基承载力,地基承载力：是指地基承受荷载的能力临塑荷载：指地基土中将要而尚未出现塑性变形区时的基地压力。地基极限承载力：地基承受基础荷载的极限压力注解：地基承载力的大小一般介于临塑荷载和极限承载力之间，认为是地基中出现一定的塑性区之后所对相应的状态。而地基承载力设计值是对极限承载力的一种折减。,引出的概念：地基承载力的安全度，地基承载力通过将极限承载力除以一个安全系数K得到，K一般取值23，其物理意义：一种安全储备。,确定地基承载力的方法,静荷试验或其他原位试验规范查表方法理论公式方法三类方法确定地基承载力不可能完全相同，尚需结合区域地质条件参照经验综合确定,课本72页,建筑地基基础设计规范（GB 50007-2002）中取消了地基承载力特征值表之后，各地有必要建立地方性的地基承载力表。,按塑性开展深度确定地基承载力,解题思路：依据弹性理论求出地基任意点自重应力和附加应力的表达式，再应用极限平衡条件推求塑性区边界方程，从而通过限定塑性开展区的最大深度获得地基承载力公式。,按塑性开展深度确定地基承载力,参见课本59页，公式3.37,按塑性开展深度确定地基承载力,按塑性开展深度确定地基承载力,将大小主应力代入上式,按塑性开展深度确定地基承载力,不必描绘整个塑性区得边界，只需知道塑性展开区相对该基底压力P的最大深度。利用导数求解,推出如下关系式,按塑性开展深度确定地基承载力,代入右式,按塑性开展深度确定地基承载力,上式由三项组成，每一项的常量部分可以看作是本项的系数,按塑性开展深度确定地基承载力,按塑性开展深度确定地基承载力,按塑性开展深度确定地基承载力,写成统一的形式，有：,参加课本144页，公式6.47，即为太沙基公式,