土压力与边坡稳定性.pptx
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1、学习要求:学习要求:学习要求:学习要求:掌掌掌掌握握握握土土土土压压压压力力力力的的的的基基基基本本本本概概概概念念念念与与与与常常常常用用用用计计计计算算算算方方方方法法法法,初初初初步步步步具具具具备备备备将将将将土土土土压压压压力力力力理理理理论论论论应应应应用于一般工程问题的能力。用于一般工程问题的能力。用于一般工程问题的能力。用于一般工程问题的能力。1.1.掌握静止土压力、主动、被动土压力的形成条件;掌握静止土压力、主动、被动土压力的形成条件;掌握静止土压力、主动、被动土压力的形成条件;掌握静止土压力、主动、被动土压力的形成条件;2.2.掌握朗肯土压力理论掌握朗肯土压力理论掌握朗肯土
2、压力理论掌握朗肯土压力理论和了解库仑土压力理论;和了解库仑土压力理论;和了解库仑土压力理论;和了解库仑土压力理论;3.3.了解土坡稳定分析的方法。了解土坡稳定分析的方法。了解土坡稳定分析的方法。了解土坡稳定分析的方法。基本内容:基本内容:基本内容:基本内容:概述概述概述概述 静止土压力计算静止土压力计算静止土压力计算静止土压力计算 朗肯土压力理论朗肯土压力理论朗肯土压力理论朗肯土压力理论 库仑土压力理论库仑土压力理论库仑土压力理论库仑土压力理论 挡土墙结构设计挡土墙结构设计挡土墙结构设计挡土墙结构设计 各种土坡稳定分析问题各种土坡稳定分析问题各种土坡稳定分析问题各种土坡稳定分析问题第五章第五章
3、 土压力理论和土压力理论和土坡稳定分析土坡稳定分析1 由于内在或外在因素的影响,土坡可能发生局部土由于内在或外在因素的影响,土坡可能发生局部土由于内在或外在因素的影响,土坡可能发生局部土由于内在或外在因素的影响,土坡可能发生局部土体的滑动失稳,造成事故并危及人身安全。因此,应验体的滑动失稳,造成事故并危及人身安全。因此,应验体的滑动失稳,造成事故并危及人身安全。因此,应验体的滑动失稳,造成事故并危及人身安全。因此,应验算边坡的稳定性,必要时应采取适当的工程措施来保证算边坡的稳定性,必要时应采取适当的工程措施来保证算边坡的稳定性,必要时应采取适当的工程措施来保证算边坡的稳定性,必要时应采取适当的
4、工程措施来保证边坡的稳定性。边坡的稳定性。边坡的稳定性。边坡的稳定性。(山体滑坡)(山体滑坡)(山体滑坡)(山体滑坡)挡土墙挡土墙是防止土体坍塌的构筑物,在工程建设领域是防止土体坍塌的构筑物,在工程建设领域得到广泛应用。挡土墙的结构型式可以分为得到广泛应用。挡土墙的结构型式可以分为重力式重力式、悬悬臂式臂式和和扶壁式扶壁式。土压力土压力:指挡土墙后的填土因:指挡土墙后的填土因自重自重或或外荷载外荷载作用对作用对墙背产生的侧向压力。墙背产生的侧向压力。第第1 1节节 概述概述2土压力是土压力是挡土墙挡土墙的主要外部荷载,所以设计挡的主要外部荷载,所以设计挡土墙时首先要确定土墙时首先要确定土压力的
5、性质、大小、方向土压力的性质、大小、方向和作用点。和作用点。土土压压力力主动土压力主动土压力静止土压力静止土压力被动土压力被动土压力土压力计算方法土压力计算方法视为不同条件下的近似方法,适用范围。视为不同条件下的近似方法,适用范围。3浆砌片石在坡面形成框架浆砌片石在坡面形成框架浆砌片石在坡面形成框架浆砌片石在坡面形成框架,常结合铺草皮、三维植被网、土工格室、喷播植常结合铺草皮、三维植被网、土工格室、喷播植常结合铺草皮、三维植被网、土工格室、喷播植常结合铺草皮、三维植被网、土工格室、喷播植草、栽植苗木等方法形成的一种护坡技术草、栽植苗木等方法形成的一种护坡技术草、栽植苗木等方法形成的一种护坡技术
6、草、栽植苗木等方法形成的一种护坡技术。4对风化和冲刷特别严重的塔位,整个基面表层宜全部作对风化和冲刷特别严重的塔位,整个基面表层宜全部作对风化和冲刷特别严重的塔位,整个基面表层宜全部作对风化和冲刷特别严重的塔位,整个基面表层宜全部作护面护面护面护面,个别塔位挖方后的,个别塔位挖方后的,个别塔位挖方后的,个别塔位挖方后的放坡面及高低腿间的坡面,有岩石剥落或风化物坍塌时,需用水泥砂浆或细石混放坡面及高低腿间的坡面,有岩石剥落或风化物坍塌时,需用水泥砂浆或细石混放坡面及高低腿间的坡面,有岩石剥落或风化物坍塌时,需用水泥砂浆或细石混放坡面及高低腿间的坡面,有岩石剥落或风化物坍塌时,需用水泥砂浆或细石混
7、凝土作护面凝土作护面凝土作护面凝土作护面。护面应依基面排水坡度作成斜面,以利基面排水。护面应依基面排水坡度作成斜面,以利基面排水。护面应依基面排水坡度作成斜面,以利基面排水。护面应依基面排水坡度作成斜面,以利基面排水。5第第2 2节节 静止土压力理论静止土压力理论 挡土墙上土压力的大小和分布受到墙体可能的挡土墙上土压力的大小和分布受到墙体可能的挡土墙上土压力的大小和分布受到墙体可能的挡土墙上土压力的大小和分布受到墙体可能的移动方向、墙移动方向、墙移动方向、墙移动方向、墙后填土的种类、填土面的形式后填土的种类、填土面的形式后填土的种类、填土面的形式后填土的种类、填土面的形式等因素的影响。等因素的
8、影响。等因素的影响。等因素的影响。根据墙的根据墙的根据墙的根据墙的位移情况位移情况位移情况位移情况和墙后土体所处的和墙后土体所处的和墙后土体所处的和墙后土体所处的应力状态应力状态应力状态应力状态,土压力可分,土压力可分,土压力可分,土压力可分为以下三种:为以下三种:为以下三种:为以下三种:1.主动土压力主动土压力:当挡土墙当挡土墙向离开土体方向向离开土体方向偏移偏移至土体达到至土体达到主动极限平衡状态时主动极限平衡状态时,作用在墙上的土压力,一般用作用在墙上的土压力,一般用Ea表示。表示。主动土压力主动土压力62.2.被动土压力被动土压力被动土压力被动土压力:当挡土墙在当挡土墙在当挡土墙在当挡
9、土墙在外力外力外力外力作用下作用下作用下作用下向土体方向向土体方向向土体方向向土体方向偏移至土体偏移至土体偏移至土体偏移至土体达到达到达到达到被动极限平衡状态被动极限平衡状态被动极限平衡状态被动极限平衡状态时时时时,作用在挡土墙上的,作用在挡土墙上的,作用在挡土墙上的,作用在挡土墙上的土压力,用土压力,用土压力,用土压力,用E Ep p表示。表示。表示。表示。3.3.静止土压力静止土压力静止土压力静止土压力:当挡土墙静止不动,土体当挡土墙静止不动,土体当挡土墙静止不动,土体当挡土墙静止不动,土体处于处于处于处于弹性平衡状态时弹性平衡状态时弹性平衡状态时弹性平衡状态时,土,土,土,土对墙的压力,
10、用对墙的压力,用对墙的压力,用对墙的压力,用E E0 0表示。表示。表示。表示。被动土压力被动土压力静止土压力静止土压力7试验研究表明:在试验研究表明:在物理力学性质物理力学性质相同条件下,静止土压力大于相同条件下,静止土压力大于主动土压力而小于被动土压力,即有主动土压力而小于被动土压力,即有EaE0 a。E E(土压力土压力土压力土压力)-+E Ea aE E0 0E Ep p8 静止土压力静止土压力静止土压力静止土压力(水平向自重应力水平向自重应力水平向自重应力水平向自重应力):可视为天然土层自重:可视为天然土层自重:可视为天然土层自重:可视为天然土层自重应力的水平分量。在填土表面下任意深
11、度应力的水平分量。在填土表面下任意深度应力的水平分量。在填土表面下任意深度应力的水平分量。在填土表面下任意深度z z处的静止土压处的静止土压处的静止土压处的静止土压力强度可按下式计算:力强度可按下式计算:力强度可按下式计算:力强度可按下式计算:kN/m2静止土压力系数静止土压力系数K K0 0 的确定:的确定:(a a)通过侧限条件下的)通过侧限条件下的试验测定试验测定;(b)b)采用采用经验公式计算经验公式计算,即,即与砂土的试验结果吻合较好,对粘性土会有一定的误差。与砂土的试验结果吻合较好,对粘性土会有一定的误差。(c)c)按表按表5-25-2提供的经验值酌定。提供的经验值酌定。静止土压力
12、系数随静止土压力系数随土体密实度土体密实度、固结程度固结程度的增加而增加,当的增加而增加,当土层处于超压密状态时,其值增大尤为显著。通过实验测定。土层处于超压密状态时,其值增大尤为显著。通过实验测定。有效内摩擦角有效内摩擦角有效内摩擦角有效内摩擦角9由上式可知,由上式可知,静止土压力静止土压力静止土压力静止土压力沿墙高呈三角形分布。作沿墙高呈三角形分布。作用在单位墙长上的静止土压力为:用在单位墙长上的静止土压力为:kN/m静止土压力的分布静止土压力的分布z作用点的位置作用点的位置作用点的位置作用点的位置10第第3 3节节 朗肯土压力理论朗肯土压力理论朗肯土压力理论朗肯土压力理论是根据是根据半空
13、间的应力状态半空间的应力状态和和土的极限平衡土的极限平衡条件条件而得出的土压力计算方法。而得出的土压力计算方法。研究一表面为水平面的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)。当半空间(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,各点都处于整个土体都处于静止状态时,各点都处于弹性平衡状弹性平衡状态。态。假设条件:假设条件:墙为刚体墙为刚体 墙背垂直、光滑墙背垂直、光滑 填土面水平填土面水平11竖直截面上的法向应力为:竖直截面上的法向应力为:在离地表为在离地表为z 深度处取一单元体,单元体水深度处取一单元体,单元体水平截面上的法向应力等于该处平截面上的法向
14、应力等于该处土的土的自重应力自重应力,即,即M12由于为半空间,所以土体内每一竖直面都是由于为半空间,所以土体内每一竖直面都是由于为半空间,所以土体内每一竖直面都是由于为半空间,所以土体内每一竖直面都是对称面对称面对称面对称面,并且墙被垂并且墙被垂并且墙被垂并且墙被垂直、光滑,直、光滑,直、光滑,直、光滑,因此竖直截面和水平截面上的剪应力都等于零因此竖直截面和水平截面上的剪应力都等于零因此竖直截面和水平截面上的剪应力都等于零因此竖直截面和水平截面上的剪应力都等于零,因而,因而,因而,因而相应截面上的法向应力相应截面上的法向应力相应截面上的法向应力相应截面上的法向应力 z z z z和和和和 x
15、 x x x都是都是都是都是主应力主应力主应力主应力。在正常固结土中,。在正常固结土中,。在正常固结土中,。在正常固结土中,z z 1 1,x x 3 3。此时的应力状态可用莫尔圆表示。由于该点处于弹性。此时的应力状态可用莫尔圆表示。由于该点处于弹性。此时的应力状态可用莫尔圆表示。由于该点处于弹性。此时的应力状态可用莫尔圆表示。由于该点处于弹性平衡状态,所以莫尔圆位于抗剪强度包线(破坏包线)的下方平衡状态,所以莫尔圆位于抗剪强度包线(破坏包线)的下方平衡状态,所以莫尔圆位于抗剪强度包线(破坏包线)的下方平衡状态,所以莫尔圆位于抗剪强度包线(破坏包线)的下方。弹性平衡状态时的莫尔圆弹性平衡状态时
16、的莫尔圆13土体在水平方向伸展(挡土墙在土压力作用下离开土体的位移)土体在水平方向伸展(挡土墙在土压力作用下离开土体的位移)上述单元体在水平截面上的法向应力上述单元体在水平截面上的法向应力 z不变,而竖直截面不变,而竖直截面上的法向应力上的法向应力 x却逐渐却逐渐减小减小,直至满足极限平衡条件为止(称,直至满足极限平衡条件为止(称为为主动朗肯状态主动朗肯状态)。)。此时,此时,x达到最低限值达到最低限值 a,a是小主应力,是小主应力,z是大主应是大主应力,莫尔圆与抗剪强度包线(破坏包线)力,莫尔圆与抗剪强度包线(破坏包线)相切相切。剪切破坏。剪切破坏面与面与水平面水平面的夹角为的夹角为 。14
17、主动朗肯状态时的莫尔圆主动朗肯状态时的莫尔圆主动朗肯状态时的莫尔圆主动朗肯状态时的莫尔圆如果挡土墙继续位移,土体只能产生塑性变形,而不会改变其应力状态。如果挡土墙继续位移,土体只能产生塑性变形,而不会改变其应力状态。如果挡土墙继续位移,土体只能产生塑性变形,而不会改变其应力状态。如果挡土墙继续位移,土体只能产生塑性变形,而不会改变其应力状态。15土体在水平方向压缩土体在水平方向压缩(被动朗肯状态被动朗肯状态)上述单元体在水平截面上的法向应力上述单元体在水平截面上的法向应力 z不变而不变而竖直截面上的法向应力竖直截面上的法向应力 x却逐渐却逐渐增大增大,直至满足极,直至满足极限平衡条件为止(称为
18、限平衡条件为止(称为被动朗肯状态被动朗肯状态)。此时,)。此时,x达到最高限值达到最高限值 p,p是大主应力,是大主应力,z是小主应力,是小主应力,莫尔圆与抗剪强度包线(破坏包线)莫尔圆与抗剪强度包线(破坏包线)相切相切。剪切破。剪切破坏面与坏面与竖直面竖直面的夹角为的夹角为 。16被动朗肯状态时的莫尔圆被动朗肯状态时的莫尔圆被动朗肯状态时的莫尔圆被动朗肯状态时的莫尔圆0 zK0 z p170 zK0 z a p三种状态时的莫尔圆三种状态时的莫尔圆三种状态时的莫尔圆三种状态时的莫尔圆18 朗肯将上述原理应用于挡土墙的土压力朗肯将上述原理应用于挡土墙的土压力计算中,设想用计算中,设想用墙背直立墙
19、背直立的挡土墙代替半空的挡土墙代替半空间左边的土。如果墙背与土的接触面上满足间左边的土。如果墙背与土的接触面上满足剪应力为零剪应力为零的的边界应力条件边界应力条件以及产生主动或以及产生主动或被动朗肯状态的被动朗肯状态的边界变形条件边界变形条件,由此可推导,由此可推导出主动和被动土压力计算公式。而如果挡土出主动和被动土压力计算公式。而如果挡土墙静止不动,则墙后土体的应力状态不变。墙静止不动,则墙后土体的应力状态不变。19 朗肯土压力理论的假设:朗肯土压力理论的假设:1.挡土墙背面垂直;挡土墙背面垂直;2.墙背光滑;墙背光滑;3.墙后填土面水平。墙后填土面水平。一、主动土压力一、主动土压力 由莫尔
20、由莫尔-库伦强度理论知,当土体中某库伦强度理论知,当土体中某点处于极限平衡状态时,大主应力点处于极限平衡状态时,大主应力 1和小主和小主应力应力 3之间满足:之间满足:20粘性土粘性土无粘性土无粘性土c=021主动朗肯状态主动朗肯状态,此时,此时 3=a,此公式适合于墙背填土为粘性土的情况此公式适合于墙背填土为粘性土的情况此公式适合于墙背填土为粘性土的情况此公式适合于墙背填土为粘性土的情况对于无粘性土,对于无粘性土,对于无粘性土,对于无粘性土,c c c c=0=0=0=022由以上公式可知:由以上公式可知:1.无粘性土无粘性土的主动土压力强度与的主动土压力强度与z成正比,沿墙成正比,沿墙高的
21、压力呈三角形分布。如取单位墙长,则主高的压力呈三角形分布。如取单位墙长,则主动土压力动土压力Ea(kN/m)为:为:无粘性土的主动土压力强度分布图无粘性土的主动土压力强度分布图无粘性土的主动土压力强度分布图无粘性土的主动土压力强度分布图232.粘性土的主动土压力粘性土的主动土压力强度包括两部分:一部分是由土的自重引起的土压力强度包括两部分:一部分是由土的自重引起的土压力强度强度 ,另一部分是由粘聚力引起的负侧压力,另一部分是由粘聚力引起的负侧压力强度强度 ,这两部分土压力叠加的结果如,这两部分土压力叠加的结果如图所示。图所示。24其中其中其中其中adeade部分是负侧压力,对墙背而言是部分是负
22、侧压力,对墙背而言是部分是负侧压力,对墙背而言是部分是负侧压力,对墙背而言是拉力拉力拉力拉力,但实际上墙与土,但实际上墙与土,但实际上墙与土,但实际上墙与土在很小的拉力作用下就会分离,从而造成土压力为零。所以粘在很小的拉力作用下就会分离,从而造成土压力为零。所以粘在很小的拉力作用下就会分离,从而造成土压力为零。所以粘在很小的拉力作用下就会分离,从而造成土压力为零。所以粘性土的土压力分布仅是性土的土压力分布仅是性土的土压力分布仅是性土的土压力分布仅是abcabc部分。部分。部分。部分。a a点离填土面的深度点离填土面的深度点离填土面的深度点离填土面的深度z z0 0称为称为称为称为临界深度临界深
23、度临界深度临界深度,在填土面无荷载的条件,在填土面无荷载的条件,在填土面无荷载的条件,在填土面无荷载的条件下,可令下,可令下,可令下,可令 a a a a=0=0=0=0求得求得求得求得z z0 0的值,可得的值,可得的值,可得的值,可得如取单位墙长计算,主动土压力如取单位墙长计算,主动土压力如取单位墙长计算,主动土压力如取单位墙长计算,主动土压力E E E Ea a a a为:为:为:为:25二、被动土压力二、被动土压力 当墙受到外力作用而推向土体时,填土中任意一点的当墙受到外力作用而推向土体时,填土中任意一点的竖向应力竖向应力 仍不变,而水平向应力仍不变,而水平向应力 x却逐渐增却逐渐增大
24、,直至出现大,直至出现被动朗肯状态被动朗肯状态。此时,。此时,x达最大限值达最大限值 p,因此因此 p是大主应力,也就是被动土压力强度,而是大主应力,也就是被动土压力强度,而 z则是小则是小主应力主应力。由极限平衡条件公式可得。由极限平衡条件公式可得无粘性土无粘性土粘性土粘性土26 从以上公式可知:无粘性土的被动土压力强度呈从以上公式可知:无粘性土的被动土压力强度呈三角形分布三角形分布;粘性土的被动土压力强度呈;粘性土的被动土压力强度呈梯形分布梯形分布。如取单位墙长计算,则被动土压力可由下式计算:如取单位墙长计算,则被动土压力可由下式计算:Eph无粘性土的被动土压力强度分布图无粘性土的被动土压
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