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1、第五节土压力 1.概述,挡土墙的用途：为防止土坡发生滑动和坍塌，需用各种类型的挡土结构物加以支挡。挡土墙是 最常见的支挡结构物。用于工民建、水利水电工程、铁路、公路、桥梁、港口、航道等。 挡土墙的类型： 按挡土墙结构类型分为：重力式、悬臂式、扶臂式、锚杆式、加筋土挡土墙； 按建筑材料分类：砖砌、块石、素混、钢混,2 挡土墙上的土压力,2.1 土压力试验 挡土墙的模型试验，可以量测挡土墙不同位移方向，产生3中不同的土压力。板侧安装压力盒，考察： 板静止不动；板向离开填土的临空方向移动或转动；把板向填土方向推，压力盒测得的土压力 2.2 土压力种类 a. 静止土压力E0 墙静止不动，土对墙的压力；
2、 b. 主动土压力Ea 挡土墙离开土体，土体主动推墙，至土体达到极限平衡状态时，作用在墙上的土压力； c. 被动土压力Ep 挡土墙向土体方向偏移至土体达到极限平衡状态时，作用在墙上的土压力；,挡土墙上的三种土压力,2.3 影响土压力的因素： 挡土墙上土压力的大小及其分布规律受到墙体可能移动的方向、填土的种类、填土的形式、墙的截面刚度和地基的变形等一系列因素的影响； 挡土墙的位移：其方向,大小是影响土压力大小的主要因素 挡土墙的形状：墙背情况，涉及采用的计算理论 填土的性质：填土的密实程度、填土表面形态 挡土墙的建筑材料：主要决定墙的表面是否光滑,2.4 静止土压力计算 计算公式： K0 (土侧
3、压力系数或静止土压力系数)取值: 半经验公式: 经验值K0 ：砂土0.34-0.45；粘性土0.5-0.7 静止土压力分布：呈三角形分布， 墙顶z=0，压力为0；墙底部z=H， 静止土压力合力： 合力作用点：静止土压力三角形分布图重心，即下H/3处,3.朗肯土压力理论 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，推倒出土压力计算公式，即朗肯土压力理论。 3.1土体主动和被动朗肯状态 半无限土体在自重作用下，离地表z处取一单位微体M，其应力状态： a，主动朗肯状态 土体水平向伸展， 逐渐减小至 ， 为大主应力，大主应力面为水平面，极限平衡时破坏面与大主应力
4、面夹角,b，被动朗肯状态 土体水平向压缩 逐渐增大至 ， 为大主应力，大主应力面为竖直平面。 将上述理论应用于挡土墙，首先使墙后土体应力状态符合半空间的应力状态，即假设墙后土体表面水平；墙背直立；墙背光滑。 3.2 主动土压力 极限平衡状态条件； 粘性土： 无粘性土：,利用 为大主应力 ， 为小主应力有： 粘性土： 无粘性土：Ka-主动土压力系数， 主动土压力分布、总土压力及其作用点： 无粘性土：三角形分布，作用点离墙底H/3处,粘性土主动土压力包括：土自重引起的土压力 ，和由粘聚力c引起的负侧压力 。实际粘聚力不会产生负侧压力 ，则主动土压力为： z0为主动土压力为零处距填土面的深度，常称为
5、受拉区高度： 代入上式有：,g,g,2,2,2,2,2,1,c,K,cH,K,H,E,a,a,a,-,=,+,3.3被动土压力 利用 为小主应力 大主应力 有： 粘性土：Kp-被动土压力系数， 无粘性土： 被动土压力分布、总土压力及其作用点： 无粘性土：三角形分布，作用点离墙底H/3处,粘性土被动土压力包括： 土自重引起的土压力 ，和由粘聚力c引起的侧压力 。 粘性土的被动土压力强度呈梯形分布，被动土压力通过梯形压力分布图的形心。,3.4 几种情况下的土压力计算 3.4.1 填土面有均布荷载 a）连续均布荷载q 方法：将均布荷载换算成当量的土重，当量的土层厚度（虚构） ; 由均布荷载q换算成虚
6、构填土高h,产生的土压力按墙高为h+H计算。 b）填土面和墙背倾斜 当量土层的厚度仍为 ，由于填土面和墙背倾斜，假想的墙高应为h+H，其中 然后同样按假想的直立墙背无荷载情况计算 c）均布荷载从墙背后某一距离开始 自均布荷载起点作两条辅助线，与水平夹角,3.4.2 填土成层 计算土压力时，第一层按均质土计算，第二层时，第一层土按重度换算成与第二层土相同的当量土层，厚度为 ,以 为墙高，按第二层的参数进行均质土计算，算至第二层底面；第三层，则需要再按 第二层土重度换算成与第三层相同的当量土层，厚度为 墙高按 3.4.3 墙后填土有地下水 墙后填土通常会位于地下水位以下，水能降低土的抗剪强度，增大
7、土压力，因此挡土结构应有良好排水措施。 一般有水土分算；水土合算两种思路。,分算：总的侧压力为：土压力和水压力之和。 土压力：计算时水下按浮容重； 水压力： 合算： 使用条件：有地区工程实践经验的粘性土 地下水下取饱和容重，固结不排水抗剪强度指标计算。,4. 库仑土压力理论 库伦土压力理论是根据墙后土体处于极限平衡状态并形成一滑动楔体时，从楔体的静力平衡条件得出的土压力计算理论。 其基本假设是: 墙后的填土是理想的散粒体（c=0）；滑动破坏面为一平面。 4.1 主动土压力 一般挡土墙的计算均属于平面问题，故在下述讨论中均沿墙的长度方向取1m进行分析。当墙向前移动或转动而使墙后土体沿某一破坏面破
8、坏时，土楔ABC向下滑动而处于主动极限平衡状态。此时，作用于土楔ABC上的力有： 1)土楔体的自重W=ABC（为填土的容重），其方向向下； 2)破坏面上的反力R，反力R与破坏面的法线N1之间的夹角等于土的内摩擦角，并位于N1的下侧；,注意，在图中所示的土压力分布图只表示其大小，而不代表其作用方向。,3)墙背对土楔体的反力E，与它大小相等、方向相反的作用力就是墙背上的土压力。反力E的方向必与墙背的法线N2成角。当土楔下滑时，墙对土楔的阻力是向上，故反力E必在N2的下侧。 -墙后填土的内摩擦角（度）； -墙背的倾斜角（度），俯斜时取正号，仰斜为负号； -墙后填土面的倾角（度）； -土对挡土墙背的摩
9、擦角根据墙背填土的内摩擦角查表确定。,墙背俯斜,墙背仰斜,上式中 都是已知的（其中 ） ， 而滑动面与水平面的夹角是任意假定的。不同的滑动面可得出一系列的E（是的函数），Emax大小等于墙背上的主动土压力。 欲求主动土压力就是解极值，求得E为极大值时的cr，最终得到库仑主动土压力的一般表达式：,令Ka(库仑主动土压力系数)等于上式中的最后一项则有：,Ka取值按公式后查表得到。 土对挡土墙墙背的的摩擦角：见P144的表4-2。 当墙背垂直=0、光滑=0、填土水平=0时，库仑主动土压力的公式为： 可见，在上述条件下，库伦公式和朗肯公式相同 表： 对挡土墙墙背的摩擦角,4.2 被动土压力 墙受外力作
10、用推向填土，至土体沿某破裂面破坏时，楔形土体向上滑动，并处于极限平衡状态。楔体的受力情况，三个力：自重应力W；破坏面上的反力R；墙背对楔形土体的力E。与“主动”同样原理，得被动土压力的库仑公式： Kp被动土压力系数；其它符号同前。 当墙背垂直=0、光滑=0、填土水平=0时，库仑被动土压力的公式为： 与朗肯公式相同。,注意：在图中所示的土压力分布图只表示其大小，而不代表其作用方向。,4.3 粘性土的土压力 库仑土压力理论假设填土是理想的散体，即c=0，理论上库仑公式不适用于粘性土。 a）等值内摩擦角D法： 在应用库仑公式时，将内摩擦角增大，综合考虑内聚力对土压力的影响，但误差较大。 b）图解法： 土体的破坏面是：深度为Z0的垂直张拉裂缝和与水平面夹角为的BC平面。依据力系平衡，图解出土压力的大小。 c）建筑地基基础设计规范推荐公式 采用楔体法相似的平面滑裂面假定,4.4 朗肯理论与库仑理论的比较 两种土压力理论分别根据不同的假设，不同的分析方法计算土压力，只有在最简单的情况下（ 墙背垂直=0、光滑=0、填土水平= 0），这两种理论的 计算结果才相同，否则得出不同的结果 。,