注巖土力學(xué)講義土壓力及邊坡穩(wěn)定[詳細]

1、 第六節(jié) 土 壓 力一、土壓力計算設(shè)計擋土墻,首先應(yīng)根據(jù)擋土墻場地的 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件選擇擋土墻的 材料、結(jié)構(gòu)形式及填土材料,然后再確定作用在擋土墻墻背土壓力的 性質(zhì)、大小 、方向和分布.土壓力的 確定涉及填料、擋土墻以及地基三者之間的 相互作用.目前計算土壓力大多仍沿用朗金理論(也稱極限應(yīng)力法)和庫倉理論(又稱滑動楔體法).依據(jù)擋土墻的 位移情況和墻后土體所處的 應(yīng)力狀態(tài),可將土壓力分為靜止土壓力、主動土壓力和被動土壓力,如圖18-30所示.靜止土壓力的 計算:若工作條件使擋土墻不產(chǎn)生變動,填土對墻背的 側(cè)向壓力即為靜止土壓力E0,如圖18-31所示.均質(zhì)土層中計算點與填土面距離為z處

2、的 靜止土壓力為(18-60)式中,K0為靜止土壓力系數(shù),與土的 性質(zhì)有關(guān).一般黏性土可取0.500.70,砂土可取0.350.50.K0也可用近似式計算 (18-61)這為土的 有效內(nèi)摩擦角.靜止土壓力沿墻高呈三角形分布,合力作用在距墻底1/3高度處.二、朗金土壓力理論朗金土壓理論的 基本假定是已知地面水平的 半無限土體中,任意的 豎直面和水平面均是主應(yīng)力面,假定該墻背豎直、光滑,填土面水平土體為均勻各向同性體.(一)主動土壓力擋土墻在土壓力作用下背離墻背方向移動或轉(zhuǎn)動時,墻后土壓力逐漸減小 ,當(dāng)達到某一位移量時,作用在擋土墻上的 土壓力達最小 值,此時作用在墻背的 土壓力稱為主動土壓力.為

3、求土壓力,必先求得強度分布圖,此圖之面積即為合力值,其形心位置即為合力作用點,見圖18-32.墻背上任意深度z處的 土壓力強度值為無黏性土 (18-62)黏性土(18-63)式中;c-填土的 黏聚力; Ka-主動土壓力系數(shù),它與填土的 內(nèi)摩擦角的 關(guān)系為(18-64)朗金主動土壓力沿墻高呈線性分布,因而對無黏性土作用在高度為H的 墻背上的 主動土壓力(合力)Ea作用在離墻底H/3處,其值為 (18-65)黏性土的 土壓力強度為土體自重引起的 強度扣除黏聚力效應(yīng).由于填土不可能產(chǎn)生對墻背面的 拉力,因此應(yīng)略去臨界深度z0范圍內(nèi)的 土拉力.確定z0的 條件是此處,即主動土壓力Ea應(yīng)為(18-66)

4、且作用在離墻底(H-z0)/3處.(二)被動土壓力擋土墻在外力作用下向墻背方向移動或轉(zhuǎn)動時,墻擠壓土體,墻后土壓力逐漸增大,當(dāng)達到某一位移量時,墻后土體開始上隆,作用在墻上的 土壓力達到最大值,此時作用在墻背上的 土壓力稱為被動土壓力.被動土壓力計算圖式見圖18-33,其強度計算公式如下:無黏性土 (18-67)黏性土 (18-68)被動土壓力Ep為無黏性土 (18-69) 黏性土 (18-70)式中:KP被動土壓力系數(shù). (18-71)合力作用于三角形(無黏性土)或梯形(黏性土)的 形心處.(三)關(guān)于土壓力計算的 幾點說明以上計算及時是按朗金土壓力理論進行的 ,假定墻背豎直、光滑及填土面水平

5、.實際情況往往較此條件復(fù)雜.對于墻后填土上有超載的 情況,一般可換算成墻后填土面上的 等效土層.對于墻后填土面非平面,墻背形狀復(fù)雜等情況,一般可用廣義的 庫侖土壓力理論計算,即按墻后滑楔平衡理論計算.地基規(guī)范考慮到所設(shè)計的 擋土墻都具有一定的 安全度,變位較小 ,黏性填土地表裂縫尚未形成,即不考慮地表裂縫出現(xiàn),給出計算公式和四類填土的 主動土壓力系數(shù)曲線,可參考.此外,有關(guān)墻后為分層填土,墻后填土中有地下水等復(fù)雜情況,詳見由華南理工大學(xué)、東南大學(xué)、浙江大學(xué)、湖南大學(xué)合編的 地基及基礎(chǔ)(中國建筑工業(yè)出版社,1994)及其他相關(guān)教材.當(dāng)擋土墻后有較陡的 穩(wěn)定巖石坡面時,應(yīng)按有限范圍填土計算土壓力,

6、即取穩(wěn)定巖石坡面為破裂面,并考慮穩(wěn)定坡面與填土間的 摩擦系數(shù)由滑動楔體平衡條件計算主動土壓力.三、庫侖土壓力理論庫侖土壓力理論是根據(jù)墻后土體處于極限平衡狀態(tài)并形成一滑動楔體時,由楔體的 靜力平衡條件得出的 土壓力計算理論.其基本假設(shè)是:墻后的 填土是理想的 散粒體(黏聚力c=0);滑動破壞面為一平面.(一)主動土壓力一般擋土墻的 設(shè)計均屬于平面問題,故在下述討論中均沿墻的 長度方向取1米進行分析,如圖18-34所示.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)土楔體的 自重W,其方向向下;(2)破壞面B

7、C上的 反力R其大小 是未知的 ,但其方向則是已知的 ;(3)墻背對土楔體的 反力E,與它大小 相等、方向相反的 作用力就是墻背上的 土壓力.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:根據(jù)其相互關(guān)系,可推導(dǎo)出庫侖主動土壓力大小 計算公式(18-72).庫侖土壓力系數(shù)可查相應(yīng)表格.庫侖主動土壓力的 一般表達式 (18-72)主動土壓力強度沿墻高的 分布為三角形,合力作用點在距離墻底H/3處.【例18-17】如果其他條件保持不變,墻后填土的 下列哪些指標(biāo)的 變化,會引起擋土墻的 主動土壓力增大？A.填土的 內(nèi)摩擦角9減小 B填土的 重度y減小 C填土的 壓縮模量E增大

8、D填土的 黏聚力c增大解:主動土壓力強度,其中,可知,填土內(nèi)摩擦角減小 ,重度y增大,黏聚力c減小 ,都會引起擋土墻的 主動土壓力增大;壓縮模量對其沒有影響.答案:A(二)被動土壓力按照主動土壓力公式的 推導(dǎo)方法,當(dāng)墻背可求得被動土壓力的 計算公式.在上述條件下,庫侖的 被動土壓力公式也與朗金公式相同.第七節(jié) 邊坡穩(wěn)定土坡穩(wěn)定分析是一個比較復(fù)雜的 問題,目前理論分析只限于較簡單的 情況.采用理論分析與現(xiàn)場觀測相結(jié)合的 方法比較切實可行又比較可靠.本節(jié)主要介紹簡單土坡的 穩(wěn)定分析.所謂簡單土坡是指土坡的 頂面和底面都是水平面,并伸至無窮遠,土坡由均質(zhì)土組成.一、土坡失穩(wěn)的 主要原因(1)土坡作用

9、力發(fā)生變化,如人工開挖坡腳、坡頂增加荷載.或由于打樁、車輛行駛、爆破、地震等引起的 振動改變了 原來的 平衡狀態(tài).(2)土的 抗剪強度降低,如土體中含水率或超靜水壓力的 增加.(3)靜水力的 作用,如土體中由剪切或張拉產(chǎn)生垂直的 裂隙,雨水或地面水流入縫隙,土坡產(chǎn)生側(cè)向推力而促使土坡的 滑動.(4)地下水的 滲流作用,當(dāng)土坡中有地下水滲流且動水壓力與滑動方向相同時,也會促使土坡滑動.二、無黏性土土坡穩(wěn)定分析設(shè)一坡角為盧的 無粘膜性土土坡,土坡及地基為均質(zhì)的 同一種土,且不考慮滲流的 影響.純凈的 干砂類土坡,其穩(wěn)定性條件可由如圖18-35所示的 力系來說明.斜坡上的 土顆粒米,其自重為W,砂土

10、的 內(nèi)摩擦角為.W垂直于坡面和平行于坡面的 分力分別為N和T,則(18-78)(18-79)分力T將使土顆粒米向下滑動,為滑動力.阻止米下滑的 抗滑力則是由垂直于坡面上的 分力N引起的 最大靜摩擦力T (18-80)圖18-35 無黏性土坡穩(wěn)定分析抗滑力與滑動力的 比值稱為穩(wěn)定安全系數(shù),為(18-81)由上式可知,無黏性土土坡穩(wěn)定的 極限坡角盧等于其內(nèi)摩擦角,即:當(dāng) (K =1)時,土坡處于極限平衡狀態(tài).由上述的 平衡關(guān)系還可看出:無黏性土坡的 穩(wěn)定性與坡高無關(guān),僅取決于坡角,只要,土坡就是穩(wěn)定的 .為了 保證土坡有足夠的 安全儲備,可取K=l.ll.5.三、黏性土土坡穩(wěn)定分析黏性土土坡的 滑

11、動情況如圖18-36所示.土坡失穩(wěn)前一般在坡頂產(chǎn)生張拉裂縫.繼而沿著某一曲面產(chǎn)生整體滑動,同時伴隨著變形.在垂直于紙面方向,滑坡將延伸至一定范圍,也是曲面.為了 簡化,在穩(wěn)定分析中通常作為平面問題處理,而圖18-36黏性土坡的 滑動面以下介紹黏性土土坡穩(wěn)定分析的 條分法和穩(wěn)定數(shù)法.條分法首先為瑞典工程師W費蘭紐斯( Fellenious,1922)所提出,這個方法具有較普遍的 意義,它不僅可以分析簡單土坡,還可以用來分析非簡單土坡,例如土質(zhì)不均勻的 、坡上或坡頂作用有荷載的 土坡.條分法的 基本原理是,滑動土體重連同頂面上的 荷載W在滑動面上的 分力為滑動力,而沿滑動面上由土的 抗剪強度產(chǎn)生的

12、 力為抗滑力.滑動力與抗滑力對圓心取矩.若總抗滑力矩大于滑動力矩,則土坡穩(wěn)定.因滑動面為曲面,為簡化計算,分析時將滑動土體沿橫向分成若干小 土條,每條的 滑動面近似取為平面.逐條計算滑動力矩和抗滑力矩,最后疊加,即得總的 抗滑力矩和滑動力矩,兩者之比稱為安全系數(shù)K.根據(jù)建筑等級、土的 性質(zhì)及地區(qū)經(jīng)驗等因素綜合考慮,K取1. 11,5.注意選擇滑弧應(yīng)在危險滑動面的 區(qū)域內(nèi)以減少工作量.按經(jīng)驗危險滑弧面的 兩端點距坡頂和坡角點各0. InH(n為坡度、H為坡高),其滑弧中心在此兩點連線的 垂直平分線上,故可在此線上取若干點作為滑弧圓心,按上述方法分別計算相應(yīng)的 穩(wěn)定安全系數(shù),就可求得最小 的 安全

13、系數(shù)了 .工程中要求最小 安全系數(shù)千米in1. 11.5,視工程重要性而定.圖18-37泰勒穩(wěn)定數(shù)圖表(二)穩(wěn)定數(shù)法黏性土土坡的 穩(wěn)定坡角與土坡坡高h和土的 c、有關(guān).泰勒(Taylor,1937)根據(jù)大量計算結(jié)果,繪制成如圖18-37所示的 圖,應(yīng)用此圖可以很簡便地分析簡單土坡的 穩(wěn)定.圖中的 縱坐標(biāo)NS,稱為穩(wěn)定數(shù)式中:-土的 重度(kN/ITl3); c-土的 黏聚力(kPa);NS-由圖18-37查得的 土坡處于極限狀態(tài)時的 穩(wěn)定數(shù);NS-由實際土坡計算的 穩(wěn)定數(shù); h-土坡處于極限狀態(tài)時的 臨界高度;h-土坡實際坡高.當(dāng)Kl,即NNS時,表明土坡穩(wěn)定.對于飽和軟黏土土坡,快剪條件下cp=O,當(dāng)坡角p53.時,同樣可從圖18-37查得穩(wěn)定數(shù)N,進行穩(wěn)定分析.當(dāng)=0,53O時,土坡的 破壞形式不僅取決于坡角,還取決于坡下堅硬土層面離土坡坡頂?shù)?距離hd,與土坡高度h的 比值nd(稱為深度系數(shù)),其滑動面類型有三種:(1)滑動面通過坡腳,稱為坡腳圓;(2)滑動面通過坡面并切于堅硬