土力学地基基础
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土力学地基基础. 土压力与土坡稳定. 第七章 土压力与土坡稳定. § 7 . 1 概述. 什么是挡土墙?. 防止土体坍塌的构筑物。. 什么是挡土墙土压力?. 挡土墙后填土因自重或外荷载作用对墙背产生的侧压力。. 土压力大小与填料的性质、挡土墙的形状和位移方向等有关。. 土压力. 主动土压力 E a. 被动土压力 E p. 静止压力 E 0. 第七章 土压力与土坡稳定. § 7 . 2 土压力的种类. 依据 挡土墙的移动情况和墙后土体所处的应力状态. 分类. 什么是静止土压力?主动土压力?被动土压力?. 第七章 土压力与土坡稳定.

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土压力与土坡稳定

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Presentation Transcript


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土力学地基基础

土压力与土坡稳定


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第七章 土压力与土坡稳定

§7.1概述

  • 什么是挡土墙?

防止土体坍塌的构筑物。

  • 什么是挡土墙土压力?

挡土墙后填土因自重或外荷载作用对墙背产生的侧压力。

土压力大小与填料的性质、挡土墙的形状和位移方向等有关。


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土压力

主动土压力Ea

被动土压力Ep

静止压力E0

第七章 土压力与土坡稳定

§7.2 土压力的种类

  • 依据

  • 挡土墙的移动情况和墙后土体所处的应力状态

  • 分类

什么是静止土压力?主动土压力?被动土压力?


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第七章 土压力与土坡稳定

NO.1

NO.3

NO.2

(a)静止土压力

(b)主动土压力

(c)被动土压力

挡土墙向离开土体方向偏移至墙后土体达到平衡状态时,作用在墙背上的土压力。

挡土墙在外力作用下,向土体方向偏移至墙后土体达到平衡状态时,作用在墙背上的土压力。

挡土墙静止不动,墙后土体处于弹性平衡状态(静止状态)时,作用在墙背上的土压力。


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静止土压力应用实例

返回


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主动土压力应用实例

返回


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被动土压力应用实例

返回


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墙背光滑

第七章 土压力与土坡稳定

§7.2 静止土压力

当挡土墙静止不动,墙后土体处于弹性平衡状态。在填土面深度z处,取出一单元体,其上作用的应力状态为:

竖向应力 :

水平应力 :

竖向应力

水平应力

静止压力系数


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第七章 土压力与土坡稳定

作用于单位长度墙上的静止土压力E0为:

土压力合力等于土压力强度分布图形的面积,合力作用点位于h/3处,水平方向。

z

E0

h

h/3


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第七章 土压力与土坡稳定

§7.3Rankine土压力理论

(1857)

英国科学家

土力学

热力学

William John Maquorn Rankine

(1820 - 1872)


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墙背光滑

第七章 土压力与土坡稳定

  • 基本假定

半无限体

(1)墙背竖直、光滑;墙后填土面水平

(2)半无限体

(3)墙后土体满足Mohr-Coulomb准则,处于极限平衡状态


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主动土压力

当挡土墙离开土体向背离墙背方向移动时,墙后土体有伸张趋势,此时墙后竖向应力σz不变,水平应力σx逐渐减小,直到土体达到极限平衡状态。此时水平应力σx达到最低值,称为主动土压应力σa,为小主应力;而σz较大,为大主应力。

竖向应力

水平应力

墙的位移方向


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墙的位移方向

主动土压力系数


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无粘性土

粘性土

临界深度

无粘性土

粘性土


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被动土压力

当挡土墙在外力作用下沿水平方向挤压土体时,σz仍不发生变化,σx随着墙体位移增加而逐渐增大,直到土体达到极限平衡状态。此时σx达到最大值,超过竖向应力σz,为大主应力,称为被动土压应力σp;而σz较小,为小主应力。

墙的位移方向


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墙的位移方向

被动土压力系数


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无粘性土

粘性土

无粘性土

粘性土


5m c 0 40 18 kn m 3

被动土压力强度:

例题解析

被动土压力系数:

H=5m

【例题】有一重力式挡土墙高5m,墙背垂直光滑,墙后填土水平。填土的性质指标为c=0, =40°, =18 kN/m3。试分别求出作用于墙上的被动土压力的大小和分布。

【解】:(1)计算土压力系数

(2)计算墙底处土压力强度

(3)计算单位墙长度上的总土压力


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(4)土压力强度分布如下图所示。

总土压力作用点均在距墙底H/3处


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第七章 土压力与土坡稳定

  • 填土面有均布荷载

几种常见情况的土压力

  • 墙后填土分层

  • 填土中有地下水


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第七章 土压力与土坡稳定

一、填土表面有均布荷载

将γh代之以γh+q就得到填土表面有超载时的主动土压力强度计算公式:

q

1

粘性土:

3

h

砂性土:

qKa

hKa


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例1:挡土墙,已知条件如图。墙背垂直、光滑;填土面水平。求主动土压力Ea,并画出σa分布图。

【解】用朗肯理论先求主动土压力系数:

由于c≠0,故临界高度

在墙底处:

主动土压力:

主动土压力作用点距墙底


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0

h1

1,1

h3

h2

1

2,2

2

3,3

3

第七章 土压力与土坡稳定

二、墙后填土分层

挡土墙后有几层不同类的土层,先求竖向自重应力,然后乘以该土层的主动土压力系数,得到相应的主动土压力强度

0点

1点上界面

1点下界面

2点上界面

2点下界面

说明:合力大小为分布图形的面积,作用点位于分布图形的形心处

3点


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0

3m

17

1

21.5

3m

2

44.28

例2:挡土墙,已知条件如图。墙背垂直、光滑;填土共两层。求主动土压力Ea,并画出σa分布图。

【解】(1)计算填土的土压力强度

(2)计算主动土压力

主动土压力Ea的作用点在主动土压力强度分布图形形心处 ,方向垂直于墙背。


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第七章 土压力与土坡稳定

三、墙后填土有地下水

若填土部分或全部处于地下水位以下,作用在墙体的除了土压力外,还受到水压力的作用。在计算墙体受到的总的侧向压力时,对地下水位以上土层的土压力计算方法同前,水位以下的水、土压力,一般采用 “水土分算” 和“水土合算”两种方法。

砂土和粉土:一般按“水土分算”原则计算,即分别计算土压力和水压力,然后两者叠加。

粘性土:可根据现场情况和过程经验,按“水土分算”或“水土合算”计算。


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a

(1h1+2h2)Ka

wh2

1h1Ka

h1

b

e

h

h2



c

第七章 土压力与土坡稳定

水土分算法

土压力=采用有效重度计算的土压力+静水压力

砂性土:

在实际使用时,有效强度指标 c’ 、φ’ 常用总应力强度 c 、φ指标代替。


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第七章 土压力与土坡稳定

水土合算法

土压力=采用饱和重度计算的土压力


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0

3m

1

5m

2m

2

例3:挡土墙,已知条件如图。墙背垂直、光滑;填土共两层。求挡土墙的总侧向应力。

【解】上层填土为天然填土

下层为地下水

主动土压力

水压力强度

水压力

总侧向压力


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§7.4 库仑土压力理论(滑楔体理论)

一、基本原理

1、研究对象

(1)墙背倾斜; (2)墙背粗糙;

(3)填土面倾斜;

(4)挡土墙后的填土是均匀的砂性土。

2、假设

(1)滑动面为通过墙锺B的平面BC;

(2)墙后填土是理想的散粒体,c=0;

(3)滑动土楔体ABC是刚体,本身不产生压缩变形。

3、根据土体ABC的静力平衡条件,按平面问题可解得作用在挡土墙上的土压力。


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§7.4 库仑土压力理论(滑楔体理论)

二、主动土压力

库仑主动土压力计算简图


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§7.4 库仑土压力理论(滑楔体理论)

1、作用在楔体 ABM 上的力

(1)ABM 的重力 G

(3)挡土墙对土楔体的作用力 E

(2)土体作用在 AM 上的反力 R

2、计算E (根据静力平衡条件和正弦定理)


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3、计算Ea (求 E 极大值, )

§7.4 库仑土压力理论(滑楔体理论)

当墙背竖直、光滑、填土面水平,库仑公式与朗金公式相同。

库仑主动土压力系数

4、沿墙高土压力分布强度

库仑主动土压力分布强度沿墙高成三角形线性分布,土压力合力作用点离墙底 h/3,方向与墙面的法线成δ角(逆时针)。


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§7.4 库仑土压力理论(滑楔体理论)

三、被动土压力

库仑被动土压力计算简图


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当墙背竖直、光滑、填土面水平,库仑公式与朗金公式相同。

§7.4 库仑土压力理论(滑楔体理论)

库仑被动土压力系数

库仑被动土压力分布强度沿墙高成三角形线性分布,土压力合力作用点离墙底 h/3,方向与墙面的法线成δ角(顺时针)。


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§7.4 库仑土压力理论(滑楔体理论)

四、朗金理论与库仑理论的比较

1、基本理论比较

朗金理论适用于粘性和无粘性土;但因假定墙背竖直、光滑和填土面水平,应用受到限制;由于忽略了墙背与填土之间的摩擦影响,计算主动土压力偏大,被动土压力偏小,结果偏于安全。

库仑理论计算主动土压力时偏差较小,为2~10%,但计算被动土压力时误差较大,有时可达2~3倍甚至更大。


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§7.4 库仑土压力理论(滑楔体理论)

四、朗金理论与库仑理论的比较

2、墙背与填土的外摩擦角

库仑理论下墙背与填土的外摩擦角

可按下表取。


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7.5 挡土墙的设计

挡土墙简介

挡土墙是各类工程建设中常见的支挡结构形式,它具有结构简单、占地少、施工方便和造价低廉等诸多优点。目前,不仅广泛应用于公路、铁路、城市建设,同时应用于水坝建设、河床整治、港口工程、水土保持、山体滑坡防治等领域。

板桩墙

重力式

加筋土

悬臂式

扶臂式

支撑式

锚定板


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墙顶

挡土墙的设计

钢筋

立壁

墙面

墙背

墙基

墙趾

墙趾

墙踵

1.重力式挡土墙

一般由块石或混凝土材料砌筑、墙身截面较大。依靠墙身自重抵抗土压力引起的弯矩;

墙高一般小于 8m,结构简单施工方便,能就地取材,应用最广。

2.悬臂式挡土墙

一般由钢筋混凝土建造,主要依靠墙锺悬臂以上土重维持稳定;墙体内设置钢筋承受拉应力,墙身截面较小。多用于市政工程及贮料仓库。


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挡土墙的设计

锚定板

扶壁

锚杆

墙板

墙趾

基岩

墙踵

3.扶壁式挡土墙

当墙高大于10m,挡土墙立臂挠度较大,为了增强立臂的抗弯性能,常沿墙的纵向每隔一定距离设置一道扶臂,称为扶臂式挡土墙。

4.锚定板式与锚杆式挡土墙


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重力

侧向力

挡土墙的设计

以书架为例 当没有书架的时候,书本很容易向侧边倾倒,这时候我们自然会想到利用重物挡住。只要重物的自重使桌面与重物间的摩擦力大于书本倾倒的侧向力时,即可达成目标

重力

侧向力

摩擦力

摩擦力


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挡土墙的设计

以重力式挡土墙的设计为例

  • 确定挡土墙尺寸

  • 确定挡土墙上的荷载

  • 稳定性验算

  • 地基承载力验算

高度、顶宽、底宽

水压力

土压力

上部结构荷载

外荷载

地面荷载

抗滑移稳定验算

抗倾覆稳定验算


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挡土墙的设计

以重力式挡土墙的设计为例

  • 挡土墙尺寸的初定

  • 高度

    由工程任务确定。

  • 顶宽

    一般大于0.5m。

  • 底宽

    B 0.5-0.7H。


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Ean

O

挡土墙的设计

Eat

G

挡土墙稳定性验算——抗滑稳定验算

挡土墙在土压力作用下可能沿基础底面发生滑动

基底摩擦系数

抗滑稳定条件:

Ea

δ

α0

b

抗滑稳定安全系数


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Eaz

O

Eax

Ea

挡土墙的设计

挡土墙稳定性验算——抗倾覆验算

挡土墙在土压力作用下可能绕墙趾O点向外倾覆

抗倾覆稳定条件:

G

h

a

b


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挡土墙的设计

地基承载力验算

挡土墙地基承载力验算与一般偏心受压基础验算方法相同,应同时满足:

在后面基础章节中会详细介绍,在此不重复。


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挡土墙的设计

挡土墙的构造要求

  • 墙背的倾斜型式

    (1)就墙背主动土压力(仰斜最小、直立居中和俯斜最大),仰斜墙背较为合理。

(2) 挖方:选仰斜; 填方:选俯斜或直立

墙前地形平坦,较缓时,用仰斜; 较陡时,用直立;


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挡土墙的设计

  • 墙面、墙背坡度的选择

    墙面、墙背:1︰0.2~ 1︰0.3 ,

    仰斜式:为避免施工困难及本身的稳定性,墙背坡度不宜缓于1:0.25,且墙面应尽量与墙背平行。

  • 基底逆坡坡度

    为了增加墙身的抗滑稳定性,基底做成逆坡是一种有效方法。土质地基的基底逆坡不宜大于0.1:1,岩石地基不宜大于0.2:1,逆坡过大,可能使墙身连同基底下的三角形土体一起滑动。


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挡土墙的设计

  • 排水措施

    泄水孔:间距宜取2~3m,外斜5%,交错布置,孔眼直径宜不小于100mm。

    反滤层:泄水孔入口处应用易于渗水的粗颗粒材料(卵、碎石等)做滤水层以免淤塞。

    隔水层:墙后地面及最低泄水孔下部应铺设粘土层并夯实。

    墙前回填土应分层夯实,并修筑散水沟或排水沟。

    截水沟:墙后有山坡时,应在坡下设置截水沟。


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挡土墙的设计

  • 填土质量要求

    墙后填土宜选用透水性较强的填料。当采用粘性土作填料时,宜掺入30%的碎石;季节性冻土地区,墙后填土应选用非冻胀性填料(如炉渣、碎石、粗砂等)。对于重要的、高度较大的挡土墙,不宜采用粘性填料。

    墙后填土均应分层夯实,每层300mm厚,以提高填土质量。

  • 挡土墙每隔10~20m应设置伸缩缝。缝宽20~30mm。当地基有变化时宜加设沉降缝。在拐角处应适当采取加强的构造措施。


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7.6 土坡稳定性分析

  • 土坡上的部分岩体或土体 在自然或人为因素的影响下沿某一明显界面发生剪切破坏向坡下运动的现象 。

土坡滑动的定义


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7.6 土坡稳定性分析

  • 影响土坡稳定的因素

(1)土坡作用力发生变化。如建造建筑物使坡顶受荷、地震引起的振动等。

(2)土体抗剪强度降低。如土体中含水量或孔隙水压力的增加。

(3)水压力的作用。如粘性土坡发生裂缝常常是不利因素,也是滑坡的预兆之一。

(4)地下水在土坝或基坑等边坡中渗流引起的渗流力。


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土坡稳定性分析

简单土坡的稳定性分析

坡肩

坡顶

坡面

坡高

坡底

坡脚

坡角

土坡的顶面和底面都是水平的,并伸至无穷远,土坡由均质土组成。

简单土坡


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土坡稳定性分析

无粘性土坡的稳定性分析

坡面滑动力

T

由N引起的摩擦力

N

抗滑力与滑动力之比称为稳定安全系数K

W

T

β

无粘性土的简单土坡

一般要求K>1.1~1.5


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土坡稳定性分析

粘性土坡的稳定性分析

黏性土坡稳定性分析可通过瑞典圆弧法求得

O

R

C

bi

βi

Ti

βi

Ti

A

Ni

Wi

一般要求K=1.20~1.30

黏性土坡稳定性分析


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7.6 土坡稳定性分析

地基的稳定性分析

地基的稳定性可采用圆弧滑动面法进行验算,最危险的滑动面上诸力对滑动中心产生的抗滑力矩与滑动力矩应符合下式要求:

条形基础

矩形基础


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