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文檔簡介

1擋土結構物(擋土墻)

用來支撐天然或人工斜坡不致坍塌以保持土體穩(wěn)定性,或使部分側向荷載傳遞分散到填土上的一種結構物。土壓力

通常是指擋土墻后的填土因自重或外荷載作用對墻背產(chǎn)生的側壓力。8.1概述1擋土結構物(擋土墻)

用來支撐天然或人工斜坡2重力式懸臂式扶壁式

錨拉式(錨碇式)錨桿板樁擋土墻類型2重力式懸臂式扶壁式錨拉式錨桿板樁擋土墻類型3(a)(b)支撐建筑物周圍填土的擋土墻;(c)地下室側墻;(d)橋臺;(e)料狀材料的擋墻;(f)碼頭擋土墻的用途3(a)(b)支撐建筑物周圍填土的擋土墻;擋土墻的用途4建成后的坡間擋土墻4建成后的坡間擋土墻5垮塌的重力式擋墻5垮塌的重力式擋墻6垮塌的護坡?lián)鯄?垮塌的護坡?lián)鯄?失穩(wěn)的立交橋加筋土擋土墻7失穩(wěn)的立交橋加筋土擋土墻8相關因素:與填料性質(zhì)、擋墻形狀、位移方向、地基土質(zhì)等因素有關。計算方法:目前大多采用古典的朗肯(1857)和庫侖(1773)土壓力理論;E填土面碼頭橋臺E8E填土面碼頭橋臺E9——擋土墻的位移方向和位移量是最主要的因素,根據(jù)擋土墻的位移情況和墻后土體所處的應力狀態(tài),可將土壓力分為以下三種。8.2擋土墻側的土壓力9——擋土墻的位移方向和位移量是最主要的因素,根據(jù)擋土墻的位10主動土壓力:當擋土墻向離開土體方向偏移到墻后土體達到極限平衡狀態(tài)時,作用在墻背上的土壓力,用Ea

表示。被動土壓力:當擋土墻向土體方向偏移到墻后土體達到極限平衡狀態(tài)時,作用在墻背上的土壓力,用Ep

表示。靜止土壓力:擋土墻靜止不動,墻后土體處于彈性平衡狀態(tài)時,作用在墻背上的土壓力,用E0

表示。10主動土壓力:當擋土墻向離開土體方向偏移到墻后土體達到極限11擋墻位移與土壓力關系(1)土壓力狀態(tài):

①墻的變位為零時,作用在墻背上為靜止土壓力E0

②墻向前移動至土的極限平衡狀態(tài)時,作用在墻背上為主動土壓力Ea

③墻向后移動至土的極限平衡狀態(tài)時,作用在墻背上為被動土壓力Ep

(2)擋墻位移關系:△a<<△p(3)

土壓力關系:Ea<E0<<Ep

11擋墻位移與土壓力關系(1)土壓力狀態(tài):(2)擋墻位移12

產(chǎn)生主動和被動土壓力所需墻的位移量土類應力狀態(tài)墻運動形式可能需要的位移量砂土主動平移0.0001H繞墻趾轉動0.001H繞墻頂轉動0.02H被動平移0.05H繞墻趾轉動>0.1H繞墻頂轉動0.05H粘土主動平移0.004H繞墻趾轉動0.004H12產(chǎn)生主動和被動土壓力所需墻的位移量土類應力狀態(tài)墻運動形13填土表面下任意深度Z處的靜止土壓力強度:

式中

k0—土的側壓力系數(shù)或靜止土壓力系數(shù)。

靜止土壓力k0與土的性質(zhì)、密實程度等因素有關,一般砂土可取0.34~0.45;粘性土為0.50~0.70。也可按填土的有效內(nèi)摩擦角,利用半經(jīng)驗公式計算:13填土表面下任意深度Z處的靜止土壓力靜止土壓力k0與土的性14由于墻背和填土間不存在剪應力,合力與墻背垂直

靜止土壓力沿墻高呈三角形分布,其合力即為三角形的面積,即:

合力作用在三角形的重心上,即距擋土墻底面的距離為H/3。HzE014由于墻背和填土間不存在剪應力,合力與墻背垂直靜止土壓158.3朗肯土壓力理論1857年英國學者朗金(Rankine)從彈性半空間體內(nèi)的應力狀態(tài)和土的極限平衡條件,得出計算土壓力的方法,又稱極限應力法。一、基本原理朗金土壓力理論的假設:

1.擋土墻為剛體

2.墻背垂直、光滑

3.墻后填土面水平158.3朗肯土壓力理論1857年英國學者朗金(Rank16圖8-5半空間體的應力狀態(tài)(a)單元體的初始應力狀態(tài);(b)達到朗肯狀態(tài)的應力路徑;(c)主動朗肯狀態(tài)的剪切破壞面;(d)被動朗肯狀態(tài)的剪切破壞面16圖8-5半空間體的應力狀態(tài)17

在半空間土體中取一豎直切面AB,在AB面上深度為Z處取一土單元體,在靜止土壓力狀態(tài)下,作用在單元體上的大主應力為豎向應力γz,小主應力為水平向應力K0γz

,單元體處于彈性平衡狀態(tài);用1,3作摩爾應力圓,如圖中應力圓O1所示。該應力圓O1位于強度包線下方。17在半空間土體中取一豎直切面AB,在AB面上深度為18

用直立的擋土墻來代替上述豎直面AB左邊的土體,使擋土墻向左方移動,則右半部分土體有伸張的趨勢,此時豎向應力z不變,墻面的法向應力x減小。當擋土墻的位移使得x減小到土體達到極限平衡狀態(tài)時,即主動朗肯狀態(tài)。z、x仍為大小主應力,此小主應力即為朗肯主動土壓力a。此時,剪切破壞面與水平面成450+/2,應力圓如圖O2所示。二、主動土壓力的計算18用直立的擋土墻來代替上述豎直面AB左邊的土體,使19無粘性土19無粘性土20粘性土HEa-z020粘性土HEa-z021三、被動土壓力的計算

當使擋土墻向左方移動,則右半部分土體有壓縮的趨勢,此時豎向應力z不變,墻面的法向應力x增大。當擋土墻的位移使得x增大到超過z并使土體達到極限平衡狀態(tài)時,即被動朗肯狀態(tài)。x

變?yōu)榇笾鲬?、z

為小主應力,此大主應力即為朗肯被動土壓力p。

此時,剪切破壞面與水平面成450-/2,應力圓如圖O3所示21三、被動土壓力的計算當使擋土墻向左方移動,則右半部22無粘性土22無粘性土23粘性土EpH23粘性土EpH24四、幾種常見情況的土壓力

填土表面有勻布荷載成層填土墻后填土有地下水24四、幾種常見情況的土壓力填土表面有勻布荷載25

填土表面有勻布荷載把均布荷載q換算成當量土重,當量土層厚度為:A點土壓力強度:B點土壓力強度:總土壓力:合力作用點過梯形重心25填土表面有勻布荷載把均布荷載q換算成當量土重,當量土26若填土表面和墻背都有傾角時虛構的當量土層厚度為:假想的墻高為h1+H由△BB1A1幾何關系得:26若填土表面和墻背都有傾角時27計算方法:墻后填土為成層土時,第一層土壓力計算方法不變;計算第二層土的土壓力時,將第一層土按重度換算為與第二層土相同重度的當量土層。注意

成層填土由于土的性質(zhì)不同,各層土的主動土壓力系數(shù)不同,土壓力分布在兩層土交界面處將不連續(xù),會有二個數(shù)值。27計算方法:墻后填土為成層土時,第一層土壓力計算方法不變;28f2

<

f1f2

>

f1c1=c2=0時g2

f2

H1H2g1

f1

f1

=

f2

時g2

>

g1g2

<

g1g1

=

g2

時28f2<f1f2>f1c1=c2=0時g229c1、

c2不為0時g2

f2

H1H2g1

f1

g1

=

g2

f2

=

f1

時c1

=

0c2>0c1

>

0c2=029c1、c2不為0時g2f2H1H2g130計算方法:砂土——“水土分算”地下水位以上——土壓力計算同前;地下水位以下——取浮重度,并疊加靜水壓力。粘性土——“水土合算”滲透性較小——地下水位以下的土體重度取為飽和重度。注:aced為土壓力力分布;cfe為靜水壓力分分布。

墻后填土有地下水30計算方法:注:墻后填土有地下水31【例題】某混凝土擋土墻墻高6m,墻背垂直,墻后填土分為兩層,各層土的物理指標為如圖所示。試計算主動土壓力,并繪出土壓力分布圖。3m3m31【例題】某混凝土擋土墻墻高6m,墻背垂直,墻后填土分為32解:由題意可知已知條件符合朗肯理論3m3m32解:由題意可知已知條件符合朗肯理論3m3m33計算第二層土的土壓力強度,把第一層土化成的當量土層厚度為:3m3m33計算第二層土的土壓力強度,把第一層土化成的當量土層厚度為343m3m1.4m343m3m1.4m35[例]求圖示擋土墻主動土壓力,并繪出土壓力的分布圖[解](1)第一層土體的土壓力強度層頂面層底面

35[例]求圖示擋土墻主動土壓力,并繪出土壓力的分布圖[解36(2)第二層土體的土壓力強度

層頂面層底面36(2)第二層土體的土壓力強度層頂面37(3)主動土壓力為37(3)主動土壓力為388.4庫侖土壓力理論

庫侖土壓力理論的假設:

1.墻后填土是理想的散粒體(c=0)2.滑動破壞面為通過墻踵的平面

3.滑動土楔為一剛塑性體庫侖(Coulomb,1776)假定墻后土體處于極限平衡狀態(tài)并形成一滑動楔體,從楔體的靜力平衡條件得出計算土壓力的方法。388.4庫侖土壓力理論庫侖土壓力理論的假設:庫侖39主動土壓力39主動土壓力40180°-(+θ-)40180°-(+θ-)41EEaEa特例:===0,即墻背垂直光滑,填土表面水平時,與朗肯理論等價

土壓力分布:三角形分布41EEaEa特例:===0,即墻背垂直光滑,填42ABCH被動土壓力WRE+=90+-

、EWER42ABCH被動土壓力WRE+=90+-43EEp43EEp4444458.5兩種土壓力理論的比較1分析方法朗肯理論庫侖理論土體內(nèi)各點均處于極限平衡狀態(tài):極限應力法剛性楔體,滑面上處于極限平衡狀態(tài):滑動楔體法先求土壓力強度σ先求總土壓力EE458.5兩種土壓力理論的比較1分析方法朗肯理論庫侖理論462應用條件E朗肯理論庫侖理論

墻背光滑豎直填土面水平

墻背、填土無限制粘性土一般用圖解法

坦墻

坦墻

墻背垂直,填土傾斜462應用條件E朗肯理論庫侖理論墻背光滑豎直473計算誤差——朗肯土壓力理論

WREa'Ea實際0WREpEp'

主動土壓力偏大

被動土壓力偏小473計算誤差——朗肯土壓力理論WREa'Ea實際0483計算誤差——庫侖土壓力理論

實際滑裂面不一定是平面,而是曲面

主動土壓力偏小

被動土壓力偏大滑動面滑動面主動土壓力搜索得到的不一定是最大值被動土壓力搜索得到的不一定是最小值483計算誤差——庫侖土壓力理論實際滑裂面不一定是平面,49計算誤差——與精確解的比較

主動土壓力系數(shù)Ka(==0)=0=/2=204020402040Sokolovsky(精確解)0.490.220.450.200.440.22Rankine0.490.2170.490.2170.490.217Conlomb0.490.220.450.200.430.2149計算誤差——與精確解的比較主動土壓力系數(shù)Ka(=50計算誤差——與精確解的比較

被動土壓力系數(shù)Kp(==0)=0=/2=204020402040Sokolovsky(精確)2.044.602.559.693.0418.2Rankine2.044.602.044.602.044.60Conlomb2.044.602.6311.83.5292.650計算誤差——與精確解的比較被動土壓力系數(shù)Kp(=51計算誤差——結論

如果=0,滑裂面是直線,三種理論計算Ka,Kp相同如果0Ka

朗肯偏大10%左右,工程偏安全 庫侖偏小一些(可忽略);

Kp

朗肯偏小可達幾倍; 庫侖偏大可達幾倍;在實際工程問題中,土壓力計算是比較復雜的。工程中使用被動土壓力較少。因為所需相對位移太大51計算誤差——結論如果=0,滑裂面是直線,三種理論計52擋土結構物(擋土墻)

用來支撐天然或人工斜坡不致坍塌以保持土體穩(wěn)定性,或使部分側向荷載傳遞分散到填土上的一種結構物。土壓力

通常是指擋土墻后的填土因自重或外荷載作用對墻背產(chǎn)生的側壓力。8.1概述1擋土結構物(擋土墻)

用來支撐天然或人工斜坡53重力式懸臂式扶壁式

錨拉式(錨碇式)錨桿板樁擋土墻類型2重力式懸臂式扶壁式錨拉式錨桿板樁擋土墻類型54(a)(b)支撐建筑物周圍填土的擋土墻;(c)地下室側墻;(d)橋臺;(e)料狀材料的擋墻;(f)碼頭擋土墻的用途3(a)(b)支撐建筑物周圍填土的擋土墻;擋土墻的用途55建成后的坡間擋土墻4建成后的坡間擋土墻56垮塌的重力式擋墻5垮塌的重力式擋墻57垮塌的護坡?lián)鯄?垮塌的護坡?lián)鯄?8失穩(wěn)的立交橋加筋土擋土墻7失穩(wěn)的立交橋加筋土擋土墻59相關因素:與填料性質(zhì)、擋墻形狀、位移方向、地基土質(zhì)等因素有關。計算方法:目前大多采用古典的朗肯(1857)和庫侖(1773)土壓力理論;E填土面碼頭橋臺E8E填土面碼頭橋臺E60——擋土墻的位移方向和位移量是最主要的因素,根據(jù)擋土墻的位移情況和墻后土體所處的應力狀態(tài),可將土壓力分為以下三種。8.2擋土墻側的土壓力9——擋土墻的位移方向和位移量是最主要的因素,根據(jù)擋土墻的位61主動土壓力:當擋土墻向離開土體方向偏移到墻后土體達到極限平衡狀態(tài)時,作用在墻背上的土壓力,用Ea

表示。被動土壓力:當擋土墻向土體方向偏移到墻后土體達到極限平衡狀態(tài)時,作用在墻背上的土壓力,用Ep

表示。靜止土壓力:擋土墻靜止不動,墻后土體處于彈性平衡狀態(tài)時,作用在墻背上的土壓力,用E0

表示。10主動土壓力:當擋土墻向離開土體方向偏移到墻后土體達到極限62擋墻位移與土壓力關系(1)土壓力狀態(tài):

①墻的變位為零時,作用在墻背上為靜止土壓力E0

②墻向前移動至土的極限平衡狀態(tài)時,作用在墻背上為主動土壓力Ea

③墻向后移動至土的極限平衡狀態(tài)時,作用在墻背上為被動土壓力Ep

(2)擋墻位移關系:△a<<△p(3)

土壓力關系:Ea<E0<<Ep

11擋墻位移與土壓力關系(1)土壓力狀態(tài):(2)擋墻位移63

產(chǎn)生主動和被動土壓力所需墻的位移量土類應力狀態(tài)墻運動形式可能需要的位移量砂土主動平移0.0001H繞墻趾轉動0.001H繞墻頂轉動0.02H被動平移0.05H繞墻趾轉動>0.1H繞墻頂轉動0.05H粘土主動平移0.004H繞墻趾轉動0.004H12產(chǎn)生主動和被動土壓力所需墻的位移量土類應力狀態(tài)墻運動形64填土表面下任意深度Z處的靜止土壓力強度:

式中

k0—土的側壓力系數(shù)或靜止土壓力系數(shù)。

靜止土壓力k0與土的性質(zhì)、密實程度等因素有關,一般砂土可取0.34~0.45;粘性土為0.50~0.70。也可按填土的有效內(nèi)摩擦角,利用半經(jīng)驗公式計算:13填土表面下任意深度Z處的靜止土壓力靜止土壓力k0與土的性65由于墻背和填土間不存在剪應力,合力與墻背垂直

靜止土壓力沿墻高呈三角形分布,其合力即為三角形的面積,即:

合力作用在三角形的重心上,即距擋土墻底面的距離為H/3。HzE014由于墻背和填土間不存在剪應力,合力與墻背垂直靜止土壓668.3朗肯土壓力理論1857年英國學者朗金(Rankine)從彈性半空間體內(nèi)的應力狀態(tài)和土的極限平衡條件,得出計算土壓力的方法,又稱極限應力法。一、基本原理朗金土壓力理論的假設:

1.擋土墻為剛體

2.墻背垂直、光滑

3.墻后填土面水平158.3朗肯土壓力理論1857年英國學者朗金(Rank67圖8-5半空間體的應力狀態(tài)(a)單元體的初始應力狀態(tài);(b)達到朗肯狀態(tài)的應力路徑;(c)主動朗肯狀態(tài)的剪切破壞面;(d)被動朗肯狀態(tài)的剪切破壞面16圖8-5半空間體的應力狀態(tài)68

在半空間土體中取一豎直切面AB,在AB面上深度為Z處取一土單元體,在靜止土壓力狀態(tài)下,作用在單元體上的大主應力為豎向應力γz,小主應力為水平向應力K0γz

,單元體處于彈性平衡狀態(tài);用1,3作摩爾應力圓,如圖中應力圓O1所示。該應力圓O1位于強度包線下方。17在半空間土體中取一豎直切面AB,在AB面上深度為69

用直立的擋土墻來代替上述豎直面AB左邊的土體,使擋土墻向左方移動,則右半部分土體有伸張的趨勢,此時豎向應力z不變,墻面的法向應力x減小。當擋土墻的位移使得x減小到土體達到極限平衡狀態(tài)時,即主動朗肯狀態(tài)。z、x仍為大小主應力,此小主應力即為朗肯主動土壓力a。此時,剪切破壞面與水平面成450+/2,應力圓如圖O2所示。二、主動土壓力的計算18用直立的擋土墻來代替上述豎直面AB左邊的土體,使70無粘性土19無粘性土71粘性土HEa-z020粘性土HEa-z072三、被動土壓力的計算

當使擋土墻向左方移動,則右半部分土體有壓縮的趨勢,此時豎向應力z不變,墻面的法向應力x增大。當擋土墻的位移使得x增大到超過z并使土體達到極限平衡狀態(tài)時,即被動朗肯狀態(tài)。x

變?yōu)榇笾鲬?、z

為小主應力,此大主應力即為朗肯被動土壓力p。

此時,剪切破壞面與水平面成450-/2,應力圓如圖O3所示21三、被動土壓力的計算當使擋土墻向左方移動,則右半部73無粘性土22無粘性土74粘性土EpH23粘性土EpH75四、幾種常見情況的土壓力

填土表面有勻布荷載成層填土墻后填土有地下水24四、幾種常見情況的土壓力填土表面有勻布荷載76

填土表面有勻布荷載把均布荷載q換算成當量土重,當量土層厚度為:A點土壓力強度:B點土壓力強度:總土壓力:合力作用點過梯形重心25填土表面有勻布荷載把均布荷載q換算成當量土重,當量土77若填土表面和墻背都有傾角時虛構的當量土層厚度為:假想的墻高為h1+H由△BB1A1幾何關系得:26若填土表面和墻背都有傾角時78計算方法:墻后填土為成層土時,第一層土壓力計算方法不變;計算第二層土的土壓力時,將第一層土按重度換算為與第二層土相同重度的當量土層。注意

成層填土由于土的性質(zhì)不同,各層土的主動土壓力系數(shù)不同,土壓力分布在兩層土交界面處將不連續(xù),會有二個數(shù)值。27計算方法:墻后填土為成層土時,第一層土壓力計算方法不變;79f2

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0c2=029c1、c2不為0時g2f2H1H2g181計算方法:砂土——“水土分算”地下水位以上——土壓力計算同前;地下水位以下——取浮重度,并疊加靜水壓力。粘性土——“水土合算”滲透性較小——地下水位以下的土體重度取為飽和重度。注:aced為土壓力力分布;cfe為靜水壓力分分布。

墻后填土有地下水30計算方法:注:墻后填土有地下水82【例題】某混凝土擋土墻墻高6m,墻背垂直,墻后填土分為兩層,各層土的物理指標為如圖所示。試計算主動土壓力,并繪出土壓力分布圖。3m3m31【例題】某混凝土擋土墻墻高6m,墻背垂直,墻后填土分為83解:由題意可知已知條件符合朗肯理論3m3m32解:由題意可知已知條件符合朗肯理論3m3m84計算第二層土的土壓力強度,把第一層土化成的當量土層厚度為:3m3m33計算第二層土的土壓力強度,把第一層土化成的當量土層厚度為853m3m1.4m343m3m1.4m86[例]求圖示擋土墻主動土壓力,并繪出土壓力的分布圖[解](1)第一層土體的土壓力強度層頂面層底面

35[例]求圖示擋土墻主動土壓力,并繪出土壓力的分布圖[解87(2)第二層土體的土壓力強度

層頂面層底面36(2)第二層土體的土壓力強度層頂面88(3)主動土壓力為37(3)主動土壓力為898.4庫侖土壓力理論

庫侖土壓力理論的假設:

1.墻后填土是理想的散粒體(c=0)2.滑動破壞面為通過墻踵的平面

3.滑動土楔為一剛塑性體庫侖(Coulomb,1776)假定墻后土體處于極限平衡狀態(tài)并形成一滑動楔體,從楔體的靜力平衡條件得出計算土壓力的方法。388.4庫侖土壓力理論庫侖土壓力理論的假設:庫侖90主動土壓力39主動土壓力91180°-(+θ-)40180°-(+θ-)92EEaEa特例:===0,即墻背垂直光滑,填土表面水平時,與朗肯理論等價

土壓力分布:三角形分布41EEaEa特例:===0,即墻背垂直光滑,填93ABCH被動土壓力WRE+=90+-

、EWER42ABCH被動土壓力WRE+=90+-94EEp43EEp9544968.5兩種土壓力理論的比較1分析方法朗肯理論庫侖理論土體內(nèi)各點均處于極限平衡狀態(tài):極限應力法剛性楔體,滑面上處于極限平衡狀態(tài):滑動楔體法先求土壓力強度σ先求總土壓力EE458.5兩種土壓力理論的比較1

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