第八章 土壓力和擋土墻.ppt

土力學(xué) 王曉鵬 土木學(xué)院 2010年 2011年第一學(xué)期 第八章土壓力和擋土墻 第八章土壓力和擋土墻 第一節(jié)擋土墻上的土壓力及工程應(yīng)用 擋土墻是防止土體 天然土坡或人工斜坡 坍塌的構(gòu)筑物 如 支撐建筑物周圍填土的擋土墻 地下室側(cè)墻 橋臺以及貯藏粒狀材料的擋墻等 土壓力 擋土墻后的填土因自重或外荷載作用對墻背產(chǎn)生的側(cè)向壓力 土壓力按擋土墻可能位移的方向及墻后填土所處應(yīng)力狀態(tài)又分為主動土壓力 被動土壓力和靜止土壓力 土壓力是進(jìn)行擋土墻斷面設(shè)計和穩(wěn)定驗算的重要荷載 第八章土壓力和擋土墻 一 土壓力的類型 第八章土壓力和擋土墻 土壓力的大小和分布規(guī)律不僅與擋土墻的高度 填土的性質(zhì)有關(guān) 還與擋土墻的剛度及其位移密切相關(guān) 1 靜止土壓力 當(dāng)擋土墻靜止不動 墻后土體處于彈性平衡狀態(tài) 此時墻后土體作用在墻背上的土壓力稱為靜止土壓力 第八章土壓力和擋土墻 2 主動土壓力 在土壓力作用下 擋土墻離開土體向前位移至一定數(shù)值 墻后土體達(dá)到主動極限平衡狀態(tài)時 作用在墻背的土壓力減至最小 稱為主動土壓力 3 被動土壓力 墻推土 在外力作用下 擋土墻推擠土體向后位移至一定數(shù)值 墻后土體達(dá)到被動極限平衡狀態(tài)時 作用在墻背的土壓力增至最大 稱為被動土壓力 4 三種土壓力之間的關(guān)系 對同一擋土墻 在填土的物理力學(xué)性質(zhì)相同的條件下有以下規(guī)律 1 Ea Eo Ep2 p a 第八章土壓力和擋土墻 二 影響土壓力的因素 1 擋土墻的位移 擋土墻的位移的方向和大小決定了土壓力的性質(zhì) 2 擋土墻形狀 擋土墻形狀 墻背為直立或傾斜 墻背為光滑或粗糙 將影響土壓力的大小 3 填土的性質(zhì) 4 擋土墻的材料 影響墻背的光滑程度 第八章土壓力和擋土墻 第二節(jié)靜止土壓力 靜止土壓力發(fā)生在擋土墻為剛性 墻體不發(fā)生任何位移的情況下 填土表面下任意深度處的靜止土壓力 靜止土壓力系數(shù) 砂土 0 25 0 42 粘性土 0 5 0 8 或 第八章土壓力和擋土墻 沿墻長度方向取1延米 作用在擋土墻上的總靜止土壓力 合力作用點位于靜止土壓力三角形分布圖的重心 即H 3處 方向水平 第八章土壓力和擋土墻 第三節(jié)朗肯土壓力理論 一 基本假定和基本原理 1 基本假設(shè) 1 假設(shè)土體是半無限空間體 2 墻背直立光滑 2 基本原理 朗肯土壓力理論是根據(jù)半空間的應(yīng)力狀態(tài)和土的極限平衡條件而得出的土壓力計算方法 第八章土壓力和擋土墻 半空間在距地表z處取一單位微體M 當(dāng)整個土體都處于靜止?fàn)顟B(tài)時 各點都處于彈性平衡狀態(tài) 豎向應(yīng)力 水平向應(yīng)力 由于土體內(nèi)每一豎直面都是對稱面 因此豎直截面和水平截面上的剪應(yīng)力都等于零 和都是主應(yīng)力 第八章土壓力和擋土墻 此時的應(yīng)力狀態(tài)用莫爾圓表示為如圖所示的圓I 由于該點處于彈性平衡狀態(tài) 故莫爾圓沒有和抗剪強(qiáng)度包線相切 設(shè)想由于某種原因?qū)⑹拐麄€土體在水平方向均勻地伸展或壓縮 使土體由彈性平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)為極限平衡狀態(tài) 第八章土壓力和擋土墻 如果土體在水平方向伸展 則M單元在水平截面上的法向應(yīng)力不變而豎直截面上的法向應(yīng)力卻逐漸減少 直至滿足極限平衡條件為止 稱為主動朗肯狀態(tài) 此時達(dá)最低限值 因此 是小主應(yīng)力 而是大主應(yīng)力 并且莫爾圓與抗剪強(qiáng)度包線相切 如圖4 5 b 圓 所示 朗肯設(shè)想用墻背直立光滑的擋土墻代替半空間左邊的土 如果墻背與土的接觸面上滿足剪應(yīng)力為零的邊界應(yīng)力條件以及產(chǎn)生主動或被動朗肯狀態(tài)的邊界變形條件 則墻后土體的應(yīng)力狀態(tài)不變 由此可以推導(dǎo)出主動和被動土壓力計算公式 如果土體在水平方向壓縮 不斷增加而卻仍保持不變 直到滿足極限平衡條件 稱為被動朗肯狀態(tài) 時達(dá)最大限值 這時是大主應(yīng)力而是小主應(yīng)力 莫爾圓為圖4 5 b 中的圓 第八章土壓力和擋土墻 二 主動土壓力 主動土壓力強(qiáng)度 或 無粘性土 粘性土 或 無粘性土的主動土壓力強(qiáng)度與z成正比 沿墻高的壓力分布為三角形 如圖所示 如取單位墻長計算 則主動土壓力為 主動土壓力系數(shù) 第八章土壓力和擋土墻 通過三角形的形心 即作用在離墻底H 3處 第八章土壓力和擋土墻 粘性土的主動土壓力強(qiáng)度包括兩部分 一部分是由土自重引起的土壓力 另一部分是由粘聚力c 引起的負(fù)側(cè)壓力 這兩部分土壓力疊加的結(jié)果如圖所示 其中ade部分是負(fù)側(cè)壓力 對墻背是拉力 但實際上墻與土在很小的拉力作用下就會分離 故在計算土壓力時 這部分應(yīng)略去不計 因此粘性土的土壓力分布僅是abc部分 a點離填土面的深度常稱為臨界深度 在填土面無荷載的條件下 可令公式為零求得值 即 得 如取單位墻長計算 則主動土壓力為 粘性土的主動土壓力通過在三角形壓力分布圖abc的形心 即作用在離墻底處 三 被動土壓力 被動土壓力強(qiáng)度 無粘性土 或 第八章土壓力和擋土墻 粘性土 或 被動土壓力系數(shù) 無粘性土的被動土壓力強(qiáng)度呈三角形分布 粘性土的被動土壓力強(qiáng)度則呈梯形分布 如取單位墻長計算 則被動土壓力可由下式計算 無粘性土 粘性土 被動土壓力 通過三角形或梯形壓力分布圖的形心 五 常見情況的土壓力計算 1 填土表面作用均布荷載 是將均布荷載換算成當(dāng)量的土重 即用假想的土重代替均布荷載 當(dāng)填土面水平時 當(dāng)量的土層厚度為 以無粘性土為例 則填土面A點的主動土壓力強(qiáng)度 第八章土壓力和擋土墻 第八章土壓力和擋土墻 墻底B點的土壓力強(qiáng)度 2 墻后填土中有地下水 當(dāng)墻后填土有地下水時 作用在墻背上的側(cè)壓力有土壓力和水壓力兩部分 計算土壓力時假設(shè)地下水位上下土的內(nèi)摩擦角和墻與土之間的摩擦角相同 第八章土壓力和擋土墻 以無粘性土為例 水壓力 3 成層填土情況 圖示擋土墻 墻后有幾層不同種類的水平土層 在計算土壓力時 第一層的土壓力按均質(zhì)土計算 計算第二層土壓力時 將第一層土按重度換算成與第二層土相同的當(dāng)量土層 即其當(dāng)量土層厚度為 然后以為墻高 第八章土壓力和擋土墻 按均質(zhì)土計算土壓力 但只在第二層土層厚度范圍內(nèi)有效 由于各土層的性質(zhì)不同 主動土壓力系數(shù)也不同 A點 B點上界面 B點下界面 C點上界面 C點下界面 D點 第八章土壓力和擋土墻 某點的主動土壓力強(qiáng)度等于該點的豎向應(yīng)力 相應(yīng)土層的主動土壓力系數(shù) 若為粘性土減去 有均布荷載下的臨界深度 第八章土壓力和擋土墻 第四節(jié)庫侖土壓力理論 庫倫土壓力理論是根據(jù)墻后土體處于極限平衡狀態(tài)并形成一滑動楔體時 從楔體的靜力平衡條件得出的土壓力計算理論 一 基本假定 1 墻后的填土是理想的散粒體 無粘聚力 2 滑動破壞面為通過墻踵的平面 二 主動土壓力 第八章土壓力和擋土墻 當(dāng)墻向前移動或轉(zhuǎn)動而使墻后土體沿某一破壞面BC破壞時 土楔ABC向下滑動而處于主動極限平衡狀態(tài) 此時 作用于土楔ABC上的力有 1 重力W由土楔體ABC引起 根據(jù)幾何關(guān)系可得 利用正弦定理 第八章土壓力和擋土墻 2 反力為破裂面BC上土楔體重力的法向分力與該面土體間的摩擦力的合力 其作用于BC面上 與BC面法線的夾角等于土的內(nèi)摩擦角 當(dāng)楔體下滑時 位于法線的下側(cè) 3 墻背反力其與墻背AB法線的夾角為 土楔體在以上三力作用下處于靜力平衡狀態(tài) 因此必構(gòu)成一閉合的力矢三角形 按正弦定律可得 第八章土壓力和擋土墻 其中 是的函數(shù) 最大值即為墻背上的主動土壓力 庫倫主動土壓力的一般表達(dá)式 庫倫主動土壓力系數(shù) 式8 5 5 當(dāng)墻背直立 光滑 填土面水平 時 可見 朗肯理論是庫侖理論的特殊情況 第八章土壓力和擋土墻 沿墻高的土壓力分布強(qiáng)度 可通過對求導(dǎo) 可見 主動土壓力分布強(qiáng)度沿墻高成三角形分布 土壓力合力的作用點離墻底h 3 方向與墻面的法線成角 三 被動土壓力 當(dāng)墻受外力作用推向填土 直至土體沿某一破裂面BC破壞時 土楔ABC向上滑動 并處于被動極限平衡狀態(tài) 此時土楔ABC在其自重W和反力R和E的作用下平衡 R和E的方向都分別在BC和AB面法線的上方 按上述求主動土壓力同樣的原理可求得被動土壓力的庫倫公式為 第八章土壓力和擋土墻 庫倫被動土壓力系數(shù) 式8 5 7 當(dāng)墻背直立 光滑 填土面水 可見 朗肯理論是庫侖理論的特殊情況 沿墻高的土壓力分布強(qiáng)度 可通過對求導(dǎo) 第八章土壓力和擋土墻 可見 被動土壓力分布強(qiáng)度沿墻高成三角形分布 土壓力合力的作用點離墻底h 3 方向與墻面的法線成角 四 粘性土的庫侖土壓力理論 庫侖土壓力理論只適用于無粘性填土 近年來許多學(xué)者在庫侖理論的基礎(chǔ)上 計入了墻后填土面超載 填土粘聚力 填土與墻背間的粘結(jié)力以及填土表面附近的裂縫深度等因素的影響 提出了所謂 廣義庫侖理論 主動土壓力系數(shù) 第八章土壓力和擋土墻 五 地基規(guī)范 推薦公式 規(guī)范推薦采用 廣義庫侖理論 解答 但不計表面裂縫深度及填土與墻背間的粘結(jié)力 主動土壓力系數(shù) 例題 第八章土壓力和擋土墻 第五節(jié)擋土墻設(shè)計 一 擋土墻的類型 常用的擋土墻型式有重力式 懸臂式 扶壁式 錨桿及錨定板式和加筋土擋墻等 1 重力式擋土墻 由塊石砌筑或素混凝土澆筑而成 靠自身重力維持穩(wěn)定 墻體抗拉 抗剪強(qiáng)度都較低 墻身截面尺寸大 一般用于小型擋土墻 第八章土壓力和擋土墻 2 懸臂式擋土墻 采用鋼筋混凝土 由立臂 墻趾懸臂和墻踵懸臂三塊懸臂板組成 靠墻踵懸臂上的土重維持穩(wěn)定 墻體內(nèi)拉應(yīng)力由鋼筋承擔(dān) 墻身截面尺寸小 充分利用材料特性 多用于市政工程及儲料倉庫 3 扶壁式擋土墻 當(dāng)墻高大于10m時 擋土墻立壁撓度較大 為了增強(qiáng)立壁的抗彎性能 常沿墻的縱向每隔一定距離 0 3 0 6 h 設(shè)置一道扶壁 墻體穩(wěn)定靠扶壁間填土重維持 一般用于重要的大型工程 4 錨定板式與錨桿式擋土墻 由預(yù)制鋼筋混凝土面板 立柱 鋼拉桿和埋在土中錨定板組成 依靠填土與結(jié)構(gòu)的相互作用力維持自身穩(wěn)定 為了維持錨定板擋土結(jié)構(gòu)的內(nèi)力平衡 必須保證錨定板擋土結(jié)構(gòu)周邊的整體穩(wěn)定和土的摩擦阻力大于由土自重和超載引起的土壓力 錨桿式擋土墻是利用嵌入堅實巖層的灌漿錨桿作為拉桿的一種擋土結(jié)構(gòu) 5 其他型式的擋土結(jié)構(gòu) 混合式擋土墻 構(gòu)架式擋土墻 板樁墻 加筋土擋土墻 土工合成材料擋土墻 第八章土壓力和擋土墻 二 擋土墻的計算 擋土墻計算內(nèi)容 1 穩(wěn)定性驗算 包括抗傾覆和抗滑移穩(wěn)定驗算 2 地基的承載力驗算 3 墻身強(qiáng)度驗算 應(yīng)根據(jù)墻身材料分別按砌體結(jié)構(gòu) 混凝土結(jié)構(gòu)的有關(guān)計算方法進(jìn)行 1 抗傾覆穩(wěn)定性驗算 擋土墻在土壓力作用下可能繞墻趾O點向外傾覆 要求抗傾覆安全系數(shù)不小于1 6 第八章土壓力和擋土墻 其中 驗算結(jié)果不滿足公式要求 可按以下措施處理 o 1 增大擋土墻斷面尺寸 使自重G增大 以增大抗傾覆力矩 這一方法增加較多的工程量 不經(jīng)濟(jì) 2 伸長墻趾 如墻趾過長 需配置鋼筋 3 將墻背做成仰斜 可減小土壓力 但施工不方便 4 做卸荷臺 如圖所示 位于擋土墻豎向墻背上 形如牛腿 卸荷臺以上的土壓力 不能傳到卸荷臺以下 土壓力呈兩個小三角形 因而減小了總的土壓力 減小了傾覆力矩 第八章土壓力和擋土墻 2 抗滑穩(wěn)定性驗算 擋土墻在土壓力作用下可能沿基礎(chǔ)底面發(fā)生滑動 在滑動穩(wěn)定性驗算中 將G和都分解為垂直和平行于基底的分力 抗滑力與滑動力之比稱為抗滑安全系數(shù)應(yīng)符合下式要求 第八章土壓力和擋土墻 土對擋土墻基底的摩擦系數(shù) 按試驗確定 或表8 8 1 若驗算不滿足公式要求 則應(yīng)采取以下措施來解決 1 修改擋土墻斷面尺寸 增加墻自重G 以增大抗滑力 2 在擋土墻基底鋪砂 碎石墊層 提高 值 增大抗滑力 3 將擋土墻基底做成逆坡 利用滑動面上部分反力抗滑 4 在軟土地基上 抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)相差很小 采取其它方法無效或不經(jīng)濟(jì)時 可在擋土墻踵后面加鋼筋混泥土拖板 利用拖板上的填土重增大抗滑力 拖板和擋土墻之間用鋼筋連接 第八章土壓力和擋土墻 三 重力式擋土墻的構(gòu)造措施 1 墻背傾斜形式 重力式擋土墻按墻背傾斜方向分為仰斜 直立和俯斜三種形式 三種形式應(yīng)根據(jù)使用要求 地形和施工情況綜合確定 2 擋土墻截面尺寸 E1 E2 E3 第八章土壓力和擋土墻 砌石擋土墻頂寬不小于0 5m 混凝土墻可縮小為0 20m 0 40m 重力式擋土墻基礎(chǔ)底