土压力与挡土墙

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,概述,在港口、水利、路桥及房屋建筑等工程中，挡土结构物（挡土墙）是一种常见的建筑物。,挡土结构物的作用是用来挡住墙后的填土并承受来自填土的压力。,土压力：指墙后填土由于它的自重或作用在填土表面上的荷载对墙背所产生的侧向压力。,挡土墙按结构型式可分为重力式、悬壁式、扶壁式等。可用块石、条石、砖、混凝土与钢筋混凝土等材料建筑。,计算方法大多采用朗肯和库仑土压力理论。大型及特殊构筑物土压力的计算常采用有限元数值分析计算。,墙 面,墙 前,墙 顶,墙 背,墙 后,墙 趾,墙 跟(踵),墙 底(基底),土压力,自重,第一节 挡土墙上的土压力及工程应用,一.土压力的类型,根据墙身位移的情况，作用在墙背上的土压力可分为,静止土压力,、,主动土压力,和,被动土压力,。,1.主动土压力,(,active earth pressure),挡土墙,向前移离填土,，随着墙的位移量的逐渐增大，土体作用于墙上的土压力逐渐减小，当墙后土体达到主动极限平衡状态并出现滑动面时，这时作用于墙上的土压力减至最小，称为主动土压力,Ea,。,2.被动土压力,(,passive earth pressure,),挡土墙在外力作用下,移向填土,，随着墙位移量的逐渐增大，土体作用于墙上的土压力逐渐增大，当墙后土体达到被动极限平衡状态并出现滑动面时，这时作用于墙上的土压力增至最大，称为被动土压力,Ep,。,3.静止土压力(,earth pressure at rest),当挡土墙,静止不动,时，即不能移动也不转动，这时土体作用在挡土墙的压力称为静止土压力,E,0,。,主动,被动,15%,0.10.5%,试验研究表明：在相同条件下，静止土压力大于主动土压力而小于被动土压力，即有,E,a,E,0,E,p,在相同条件下，产生被动土压力时所需的位移量远远大于产生主动土压力时所需的位移量。,第二节.静止土压力计算,在填土表面下任意深度,z,处的静止土压力强度可按下式计算：,由上式可知，静止土压力沿墙高呈三角形分布。作用在单位墙长上的静止土压力为：,E,0,H,静止土压力的分布,方向垂直指向墙背,合力,E,0,的作用点在距离墙底1/3处。,K,0,静止土压力系数,，一般应通过试验确定，无试验资料时，可按参考值选取；砂土的,K,0,值为0.,25,0.4,2,；粘性土的,K,o,值为0.50.,8,，也可利用半经验公式,K,0,=1-sin,计算。,土的有效内摩擦角(,o,)；,填土的重度，,kN/m,3,；,z,计算点距离填土表面的深度，,m。,第三节 朗肯土压力理论,基本原理,认为墙后填土达到极限平衡状态时，与墙背接触,的任一土单元体都处于极限平衡状态，然后根据土单,元体处于极限平衡状态时应力所满足的条件来建立土,压力的计算公式.,基本假定,挡土墙的墙背垂直；,挡土墙的墙背光滑;,挡土墙的墙后填土表面水平；,A,O,主动状态,被动状态,粘性土：,无粘性土：,粘性土：,无粘性土：,主动土压力,由以上公式可知：,无粘性土的主动土压力强度与,z,成正比，沿墙高的压力呈三角形分布。如取单位墙长，则主动土压力为：,Ea,的作用方向应垂直墙背，作用点在距墙底1/3处,。,E,a,h,无粘性土的主动土压力强度分布图,粘性土的主动土压力,强度包括两部分：一部分是由自重引起的土压力强度 ，另一部分是由粘聚力引起的负侧压力强度 ，这两部分土压力叠加的结果如下页图所示。,其中,ade,部分是负侧压力，对墙背而言是,拉力,，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。所以粘性土的土压力分布仅是,abc,部分。,E,a,h,a,d,e,b,c,粘性土的主动土压力强度分布图,a,点离填土面的的深度,z,0,称为,临界深度,，在填土面无荷载的条件下，可令,p,a,=0,求得,z,0,的值，可得,如取单位墙长计算，主动土压力,E,a,为：,E,a,的作用方向应垂直墙背，作用点在距墙底(,h-z,0,)/3,处,。,被动土压力,无粘性土,粘性土,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,；如取单位墙长计算，则被动土压力可由下式计算：,Ep,的作用方向应垂直墙背，作用点在距墙底1/3处,。,E,p,H,无粘性土的被动土压力强度分布图,粘性土的被动土压力强度呈,梯形分布,。如取单位墙长计算，则被动土压力可由下式计算：,Ep,的作用方向应垂直墙背，作用点通过一次求矩得到,。,E,p,粘性土的被动土压力强度分布图,各种具体情况的主动土压力计算,当,填土面有均布荷载,时的土压力计算：,当挡土墙后填土面有连续均布荷载作用时，土压力的计算方法是,将均布荷载换算成当量的土重,。当填土面水平时，当量的土层厚度为:,E,a,填土面有均布荷载的土压力计算,如填土为,无粘性土,时,墙顶,的土压力强度为:,墙底,的土压力强度为:,实际的土压力分布为梯形部分,土压力的大小为强度分布图的面积,土压力作用点在梯形的重心,采用一次求矩的方法求得.,填土为粘性土呢?,当,填土为成层填土,时的土压力计算：,由于各层填土重度不同，使得填土竖向应力分布在土层,交界面上出现转折,.,由于各层填土粘聚力和内摩擦角不同，所以在计算主动或被动土压力系数时，需采用计算点所在土层的粘聚力和内摩擦角.,第一层土压力按均质土计算,计算第二层土压力时,将上层土按重度换算成与第二层重度相同的,当量土层,计算,当量土层厚度为:,第四节 库仑土压力理论,库仑土压力理论,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,。,基本假定：,墙后填土为理想的散粒体(粘聚力为0)，因此库仑土压力理论只适用于无粘性土.,滑动破裂面为通过墙踵的平面.,主动土压力,一般挡土墙的计算属于,平面问题,，故可沿墙的长度方向取1,m,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坏时，土楔向下滑动而处于主动极限平衡状态。,滑 面,库伦主动土压力的一般表达式,或,库仑主动土压力强度沿墙高呈,三角形分布,，主动土压力的作用点在,距墙底,H,/3,处,。,当墙背垂直、光滑，填土面水平时，库伦主动土压力的一般表达式成为,可见，在上述条件下，库伦主动土压力公式和兰金公式相同。,被动土压力,当,挡土墙受外力作用推向填土，直至土体沿某一破裂面,BC,破坏时，土楔,ABC,向上滑动，并处于,被动极限平衡状态,。,滑 面,按求主动土压力同样的原理可求得被动土压力的库伦公式为：,或,库伦被动土压力强度沿墙高呈,三角形分布,，被动土压力的作用点在,距墙底,H,/3,处,。,被动土压力强度可按下式计算：,当墙背垂直、光滑，填土面水平时，库仑被动土压力的一般表达式成为,朗肯和库伦土压力理论的简单说明,朗肯和库伦土压力理论都是由,墙后填土处于极限平衡状态,的条件得到的。但,朗肯,理论求得是,墙背各点,土压力强度分布，而库伦理论求得是,墙背上的总土压力,。,朗肯,理论在其推导过程中忽视了,墙背与填土之间的摩擦力,，认为墙背是光滑的，计算的,主动土压力误差偏大,，,被动土压力误差偏小,，而,库伦理论,考虑了这一点，所以，,主动土压力接近于实际值,，但被动土压力因为,假定滑动面是平面,误差较大，因此，一般不用库伦理论计算被动土压力。,朗肯,理论适用于,填土表面为水平的无粘性土或粘性土,的土压力计算，而库伦理论只适用于,填土表面为水平或倾斜的无粘性土,，对粘性土只能用图解法计算,。,第五节 挡土墙的类型,挡土墙按结构型式可分为三种主要类型：,1.,重力式挡土墙,重力式挡土墙是以挡土墙,自身重力,来维持挡土墙在土压力作用下的稳定。,通常由块石或素混凝土砌筑而成，因而墙体,抗拉强度较小,，作用于墙背的土压力所引起的倾覆力矩全靠墙身自重产生的抗倾覆力矩来平衡，因此，墙身必须做成厚而重的实体才能保证其稳定，这样，墙身的体积和重量都比较大。由于其具有,结构简单，施工方便，能够就地取材,等优点，是工程中应用较广的一种型式。,2.,悬臂式挡土墙,悬臂式挡土墙一般用,钢筋混凝土,建造，由三个悬臂板组成：,立壁,、,墙趾悬臂,和,墙踵悬臂,。墙的稳定性主要靠,墙踵底板上的土重,，而墙体内的拉应力则由钢筋承担。这类挡土墙的优点是能充分利用钢筋混凝土的受力特性，墙体截面较小。,3.,扶壁式挡土墙,当挡土墙后的填土比较高时，为了增强悬臂式挡土墙中立壁的,抗弯性能,，常沿墙的纵向每隔一定距离设一道扶壁，故称为扶壁式挡土墙。,