第6章-土压力计算.pptx
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1、土土 压压 力力 计计 算算第六章第六章l学习目标学习目标掌握土压力的基本概念与常用计算方法,初步具备将土掌握土压力的基本概念与常用计算方法,初步具备将土压力理论应用于一般工程问题的能力。压力理论应用于一般工程问题的能力。l学习要求学习要求 1.掌握静止土压力、主动土压力、被动土压力的形成条件;掌握静止土压力、主动土压力、被动土压力的形成条件;2.掌握朗肯土压力理论;掌握朗肯土压力理论;3.掌握库仑土压力理论;掌握库仑土压力理论;4.掌握有地表荷载、成层土、有地下水情况的土压力计算;掌握有地表荷载、成层土、有地下水情况的土压力计算;5.了解土压力计算在实际工程中存在的问题。了解土压力计算在实际
2、工程中存在的问题。1 1 土压力概述土压力概述2 2 静止土压力计算静止土压力计算本章主要内容本章主要内容库仑库仑C.A.Coulomb(1736-1806)WilliamJohnMaquornRankine(1820-1872)3 3 朗肯朗肯(Rankine)Rankine)土压力理论土压力理论4 4 库仑库仑(Coulomb)Coulomb)土压力理论土压力理论6.1 6.1 概述概述什么是挡土结构物什么是挡土结构物什么是土压力什么是土压力土压力的类型土压力的类型挡土结构物(挡土墙)用来支撑天然或人工斜坡不致坍塌以保持土体稳定性,或使部分侧向荷载传递分散到填土上的一种结构物。挡土结构物上
3、的土压力 由于土体自重、土上荷载或结构物的侧向挤压作用,挡土结构物所承受的来自墙后填土的侧向压力。一、挡土结构物(挡土墙)一、挡土结构物(挡土墙)挡土墙的几种类型E地下室地下室侧墙E填土重力式挡土墙E桥面拱桥桥台刚性挡土墙本身变形极小,只能发生整体位移 重力式悬臂式扶壁式 锚拉式(锚碇式)简图简图1简图简图2简图简图3简图简图4简图简图5二、挡土结构物上的土压力二、挡土结构物上的土压力由于土体自重、土上荷载由于土体自重、土上荷载或结构物的侧向挤压作用,挡或结构物的侧向挤压作用,挡土结构物所承受的来自墙后填土结构物所承受的来自墙后填土的侧向压力土的侧向压力,简称为土压力简称为土压力。墙体位移条件
4、墙体位移条件是影响土压力的最主是影响土压力的最主要的因素。要的因素。墙体位移的方向和相对位移量决定墙体位移的方向和相对位移量决定所产生的土压力的性质和土压力的大小所产生的土压力的性质和土压力的大小。三、三、土压力类型土压力类型3.3.被动土压力被动土压力(Passiveearthpressure)三类土压力:三类土压力:1.静止土压力静止土压力(Earthpressureatrest)2.2.主动土压力主动土压力(Activeearthpressure)墙体位移对土压力的影响墙体位移对土压力的影响土压力的类型取决于:土压力的类型取决于:(1 1)墙体是否发生位移以及位移的方向;)墙体是否发生位
5、移以及位移的方向;(2 2)墙后土体所处的应力状态。)墙后土体所处的应力状态。挡土墙所受土压力的大小并不是一个挡土墙所受土压力的大小并不是一个常数,而是随位移量的变化而变化。常数,而是随位移量的变化而变化。静静静静止止止止土土土土压压压压力力力力:当当当当挡挡挡挡土土土土墙墙墙墙静静静静止止止止不不不不动动动动,土土土土体体体体处处处处于于于于弹弹弹弹性性性性平平平平衡衡衡衡状状状状态态态态时时时时,土土土土对墙的压力称为静止土压力,一般用对墙的压力称为静止土压力,一般用对墙的压力称为静止土压力,一般用对墙的压力称为静止土压力,一般用E E0 0表示表示表示表示 。主主主主动动动动土土土土压压
6、压压力力力力:当当当当挡挡挡挡土土土土墙墙墙墙向向向向离离离离开开开开土土土土体体体体方方方方向向向向偏偏偏偏移移移移至至至至土土土土体体体体达达达达到到到到极极极极限限限限平平平平衡衡衡衡状态状态状态状态时,作用在墙上的土压力称为主动土压力,一般用时,作用在墙上的土压力称为主动土压力,一般用时,作用在墙上的土压力称为主动土压力,一般用时,作用在墙上的土压力称为主动土压力,一般用E Ea a表示。表示。表示。表示。被被被被动动动动土土土土压压压压力力力力:当当当当挡挡挡挡土土土土墙墙墙墙向向向向土土土土体体体体方方方方向向向向偏偏偏偏移移移移至至至至土土土土体体体体达达达达到到到到极极极极限限
7、限限平平平平衡衡衡衡状状状状态态态态时,作用在挡土墙上的土压力称为被动土压力,用时,作用在挡土墙上的土压力称为被动土压力,用时,作用在挡土墙上的土压力称为被动土压力,用时,作用在挡土墙上的土压力称为被动土压力,用E Ep p表示。表示。表示。表示。滑滑滑滑动动动动面面面面Ea滑滑滑滑动动动动面面面面EpE0三类土压力三类土压力3.被动土压力被动土压力Passiveearthpressure1.静止土压力静止土压力Earthpressureatrest2.主动土压力主动土压力Activeearthpressure岩石拱桥桥台三类土压力三类土压力二二挡土墙上的土压力的影响因素挡土墙上的土压力的影响
8、因素1.土的性质土的性质2.挡土墙的移动方向挡土墙的移动方向3.墙和土的相对位移量墙和土的相对位移量4.土体与墙之间的摩擦土体与墙之间的摩擦5.挡土墙类型挡土墙类型墙体位移对土压力的影响墙体位移对土压力的影响1墙体位移的方向和相对位移量决定着墙体位移的方向和相对位移量决定着所产生的土压力的性质和土压力的大小。所产生的土压力的性质和土压力的大小。2.三种特定情况下的土压力,即三种特定情况下的土压力,即静止土静止土压力压力、主动土压力主动土压力和和被动土压力被动土压力。3.挡土墙所受土压力的大小并不是一个挡土墙所受土压力的大小并不是一个常数,而是随位移量的变化而变化。常数,而是随位移量的变化而变化
9、。1.静止土压力静止土压力H+-=H土压力EEpE0Ea-H15%15%o =D D/H=0地下室地下室 E=E0地下室侧墙地下室侧墙E填土填土2.主动土压力主动土压力墙体墙体外移外移,土压力逐渐土压力逐渐减小减小,当土体当土体破坏破坏,达到,达到极限平衡极限平衡状态状态时所对应的土压力时所对应的土压力最小最小EH+土压力EEpE0Ea-H =H15%15%o3.被动土压力被动土压力墙体内移,墙体内移,土压力逐渐增大,土压力逐渐增大,当土体破坏,当土体破坏,达到极限平衡状态达到极限平衡状态时所对应的时所对应的土压力最大土压力最大土压力EEpE0Ea-H =H15%15%o-在计算土压力时,一般
10、假定为平面应变问题,即在计算土压力时,一般假定为平面应变问题,即沿结构长度方向的应变为零。静止土压力的计算主要沿结构长度方向的应变为零。静止土压力的计算主要应用应用弹性理论方法和经验方法弹性理论方法和经验方法;主动土压力和被动土;主动土压力和被动土压力的计算应用压力的计算应用土体极限平衡理论土体极限平衡理论。土压力计算的基本假定土压力计算的基本假定 对土压力计算问题的严格处理,将需要建立应力对土压力计算问题的严格处理,将需要建立应力应变关系、平衡方程以及相应的边界条件。土压力问应变关系、平衡方程以及相应的边界条件。土压力问题的严格分析是非常困难的。题的严格分析是非常困难的。一一 般般 来来 讲
11、讲,在在 挡挡 土土 墙墙 高高 度度 和和 填填 土土 等等 其其 它它 条条 件件 相相 同同 的的 情情 况况 下下,并并且且产产生生被被动动土土压压力力所所需需的的位位移移量量大大大大超超过过产产生生主主动动土土压压力力所所需需的位移量的位移量。土压力与墙身位移关系图土压力与墙身位移关系图土压力与墙身位移的关系土压力与墙身位移的关系静止土压力、主动土压力、被动土压力静止土压力、主动土压力、被动土压力静静止止土土压压力力p0:当当墙墙绝绝对对不不动动,墙墙后后土土体体因因墙墙背背的的侧侧限限作作用用而而处处于于弹弹性平衡状态时,墙后土体作用于墙背上的土压力。性平衡状态时,墙后土体作用于墙
12、背上的土压力。主主动动土土压压力力pa:当当墙墙向向前前有有微微小小移移动动或或转转动动时时,随随着着位位移移或或转转角角增增大大,土土压压力力由由p0逐逐渐渐减减小小,当当墙墙后后土土体体处处于于主主动动极极限限平平衡衡状状态态时时,土土压压力力达达最小值称主动土压力。最小值称主动土压力。被被动动土土压压力力pp:当当墙墙在在外外力力作作用用下下,产产生生向向后后微微小小移移动动或或转转动动,土土体体处处于于被被动动极极状状态态,土土压压力力由由p0逐逐渐渐增增大大,当当墙墙后后土土体体处处于于被被动动极极限限状状态态时,土压力达最大值称被动土压力。时,土压力达最大值称被动土压力。三者关系为
13、:主动土压力三者关系为:主动土压力pa静止土压力静止土压力p0被动土压力被动土压力pp滑滑滑滑动动动动面面面面Ea滑滑滑滑动动动动面面面面EpE0静止土压力静止土压力主动土压力主动土压力被动土压力被动土压力用用句句话话概概括括就就是是:土土推推墙墙是是主主动动土土压压力力,墙墙推推土土是是被被动动土土压压力力,互互不不相相推推为为静静止止土土压压力力。可可以以补补充充为为:主主动动土土压压力力时时,墙墙有有离离开开土土体体的的趋趋势势,被被动动时时墙墙有有靠近土体的趋势。靠近土体的趋势。一、静止土压力的概念一、静止土压力的概念 静止土压力静止土压力当挡土结构静止不动,土体处于弹性平当挡土结构静
14、止不动,土体处于弹性平衡状态时,则作用在结构上的土压力称为静止土压力。衡状态时,则作用在结构上的土压力称为静止土压力。一般所说的静止土压力是指作用在每沿米挡土结构上静止一般所说的静止土压力是指作用在每沿米挡土结构上静止土压力的合力,用土压力的合力,用E0表示,量纲为表示,量纲为kN/m 。静止土压力强度静止土压力强度静止土压力沿深度的分布,用静止土压力沿深度的分布,用p0表表示,量纲为示,量纲为kPa。6.26.2 静止土压力计算静止土压力计算可按土体处于可按土体处于无侧限条件下无侧限条件下的的弹性平衡状态进行计算。弹性平衡状态进行计算。假假定定土土体体是是半半无无限限弹弹性性体体(见见图图6
15、-4),墙墙静静止止不不动动,土土体体无无侧侧向向位位移移,此此时时土土体体表表面面下下任任意意深深度度z z处处的的静静止止土土压压力力强强度度 p0,可可按按半半无无限限体在无侧向位移条件下水平向自重应力的计算公式计算,即:体在无侧向位移条件下水平向自重应力的计算公式计算,即:图图6-4静止土压力状态静止土压力状态二、静止土压力强度二、静止土压力强度p0的计算的计算式中,式中,静止土压力系数(也称侧压力系数)。静止土压力系数(也称侧压力系数)。土土的的静静止止土土压压力力系系数数K0室室内内可可以以在在K0三三轴轴仪仪或或应应力力路路径径三三轴轴仪仪中中测测定定,现现场场原原位位测测试试则
16、则可可以以用用旁旁压压仪仪测测得得。在在缺缺乏试验资料时可按下面经验公式估算乏试验资料时可按下面经验公式估算三、静止土压力系数三、静止土压力系数K0的计算的计算式中:式中:土的有效土的有效应力应力内摩擦角;内摩擦角;超超固结固结比;比;m经验系数一般取经验系数一般取0.41.砂性土砂性土、正常固结、正常固结粘性土粘性土超固结粘性土超固结粘性土 超固结土:l1、力的三要素:大小、方向、作用点大小、方向、作用点l2、分布强度和其合力的关系l3、从物理意义上来说,大小就是面积,作用点就是大小就是面积,作用点就是形心的位置形心的位置复习:静力学原理复习:静力学原理由由前前面面分分析析知知,静静止止土土
17、压压力力强强度度p0沿沿深深度度呈呈直直线线分分布布,如如下下图图所所示示。作用在每延米挡土墙上的静止土压力合力作用在每延米挡土墙上的静止土压力合力E0为:为:图图6-4均匀土静止土压力的分布(无地下水)均匀土静止土压力的分布(无地下水)四、静止土压力四、静止土压力E0的计算的计算1.墙背竖直时的静止土压力计算墙背竖直时的静止土压力计算HH/3E0的作用点在的作用点在距墙底距墙底h/3处。处。2.填土表面作用有均布荷载填土表面作用有均布荷载1朗肯土压力理论朗肯土压力理论 1=z+qpa=3=qKa+zKaHZ13qKaHKazKa3.3.成层填土成层填土CBA 1 f f1 c1 2 f f2
18、 c2H2H1朗肯理论朗肯理论1pa在在B点的连续性点的连续性2 dpa/d z(即即pa斜率斜率)在在B点的连续性点的连续性B4几种工程中常见的主动土压力计算几种工程中常见的主动土压力计算f f1=f f2 c1=c2=0 2 1 2 f f1f f2 f f1 CBA 1 f f1 c1 2 f f2 c2H2H1B二二.成层填土成层填土过顶点虚拟过顶点虚拟q=H14 几种工程中常见的主动土压力计算1.构造要求:构造要求:一般用砂性土,墙设一般用砂性土,墙设排水孔以及反滤层,填土排水孔以及反滤层,填土表面设沟、堤等截流表面设沟、堤等截流2.水下部分水下部分土压力土压力p a=K as s
19、z水压力水压力pu=u三三.填土中有水填土中有水排水管排水管排水孔排水孔土工织物反滤土工织物反滤砂砾石料砂砾石料4 几种工程中常见的主动土压力计算三三.填土中有水填土中有水 砂土砂土朗肯理论朗肯理论wH2水压力CBA f f f fH2H1B不透水层不透水层墙基不透水墙基不透水 (H1+H2)H1土压力KaKa4 几种工程中常见的主动土压力计算三三.填土中有水填土中有水u=0孔压孔压 sat tH2 H1垂直有效应力垂直有效应力=总应力总应力Ka(H1+sat tH2)Ka H1土压力土压力填土渗透系数比地基土小得多填土渗透系数比地基土小得多H2H1透水地基基本原理基本原理基本原理基本原理 朗
20、肯土压力理论是根据朗肯土压力理论是根据朗肯土压力理论是根据朗肯土压力理论是根据半空间的应力状态半空间的应力状态半空间的应力状态半空间的应力状态和土的和土的和土的和土的极限平衡条件极限平衡条件极限平衡条件极限平衡条件而得出的而得出的而得出的而得出的土压力计算方法。土压力计算方法。土压力计算方法。土压力计算方法。研究一表面为水平面的半空间研究一表面为水平面的半空间研究一表面为水平面的半空间研究一表面为水平面的半空间(土体向下和沿水平方向都伸展至无穷土体向下和沿水平方向都伸展至无穷土体向下和沿水平方向都伸展至无穷土体向下和沿水平方向都伸展至无穷)。当整个土体都处于静止状态时,各点都处于弹性平衡状态。
21、当整个土体都处于静止状态时,各点都处于弹性平衡状态。当整个土体都处于静止状态时,各点都处于弹性平衡状态。当整个土体都处于静止状态时,各点都处于弹性平衡状态。基本假定基本假定基本假定基本假定 土体是具有水平表面土体是具有水平表面土体是具有水平表面土体是具有水平表面的半无限体,墙背竖直光的半无限体,墙背竖直光的半无限体,墙背竖直光的半无限体,墙背竖直光滑,采用这样假定的目的滑,采用这样假定的目的滑,采用这样假定的目的滑,采用这样假定的目的是控制墙后单元体在水平是控制墙后单元体在水平是控制墙后单元体在水平是控制墙后单元体在水平和竖直方向的主应力方向。和竖直方向的主应力方向。和竖直方向的主应力方向。和
22、竖直方向的主应力方向。6.3 朗肯(Rankine)土压力理论 由由由由于于于于为为为为半半半半空空空空间间间间,所所所所以以以以土土土土体体体体内内内内每每每每一一一一竖竖竖竖直直直直面面面面都都都都是是是是对对对对称称称称面面面面,因因因因此此此此竖竖竖竖直直直直截截截截面面面面和和和和水水水水平平平平截截截截面面面面上上上上的的的的剪剪剪剪应应应应力力力力都都都都等等等等于于于于零零零零,因因因因而而而而相相相相应应应应截截截截面面面面上上上上的的的的法法法法向向向向应应应应力力力力 z z和和和和 x x都都都都是是是是主主主主应应应应力力力力,此此此此时时时时的的的的应应应应力力力力
23、状状状状态态态态可可可可用用用用莫莫莫莫尔尔尔尔圆圆圆圆表表表表示示示示。由由由由于于于于该该该该点点点点处处处处于于于于弹弹弹弹性性性性平衡状态,所以莫尔圆位于抗剪强度包线平衡状态,所以莫尔圆位于抗剪强度包线平衡状态,所以莫尔圆位于抗剪强度包线平衡状态,所以莫尔圆位于抗剪强度包线(破坏包线破坏包线破坏包线破坏包线)的下方。的下方。的下方。的下方。如果使整个土体在水平方向均匀如果使整个土体在水平方向均匀如果使整个土体在水平方向均匀如果使整个土体在水平方向均匀伸展伸展伸展伸展(x x减小减小减小减小)或或或或压缩压缩压缩压缩(x x增大增大增大增大),直,直,直,直到土体由弹性平衡状态转为到土体
24、由弹性平衡状态转为到土体由弹性平衡状态转为到土体由弹性平衡状态转为塑性平衡状态塑性平衡状态塑性平衡状态塑性平衡状态。半无限土体中的极限平衡应力状态:0 zK0 z 此此此此时时时时,x x达达达达到到到到最最最最低低低低限限限限值值值值p pa a,p pa a是是是是小小小小主主主主应应应应力力力力,z z是是是是大大大大主主主主应应应应力力力力,莫尔圆与抗剪强度包线莫尔圆与抗剪强度包线莫尔圆与抗剪强度包线莫尔圆与抗剪强度包线(破坏包线破坏包线破坏包线破坏包线)相切相切相切相切。0 zK0 zpa z z z z x x x x y y1.1.土体在水平方向伸展土体在水平方向伸展土体在水平方
25、向伸展土体在水平方向伸展 上上上上述述述述单单单单元元元元体体体体在在在在水水水水平平平平截截截截面面面面上上上上的的的的法法法法向向向向应应应应力力力力 z z不不不不变变变变,而而而而竖竖竖竖直直直直截截截截面面面面上上上上的的的的法法法法向向向向应应应应力力力力 x x却却却却逐逐逐逐渐渐渐渐减减减减小小小小,直直直直至至至至满满满满足足足足极极极极限限限限平平平平衡衡衡衡条条条条件件件件为为为为止止止止(称为称为称为称为主动朗肯状态主动朗肯状态主动朗肯状态主动朗肯状态)。2.2.土体在水平方向压缩土体在水平方向压缩土体在水平方向压缩土体在水平方向压缩 上上上上述述述述单单单单元元元元体
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