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1、第七章第七章 挡土结构物的土挡土结构物的土压力压力n7.1 概述n7.2 朗肯土压力理论n7.3 库仑土压力理论n7.4 土压力计算方法的一些问题n7.5 挡土墙设计n7.6 新型挡土结构主要内容7.1 土压力概述土土压力力通常是指通常是指挡土土墙后的填土因自重或外荷后的填土因自重或外荷载作用作用对墙背背产生的生的侧压力力E填土面填土面码头桥台台E隧道隧道侧墙EEn一、一、土土压力力类型型被被动土土压力力主主动土土压力力静止土静止土压力力土土压力力n1.1.静止土静止土压力力n挡土土墙在在压力作用下不力作用下不发生任何生任何变形和位移，形和位移，墙后填土后填土处于于弹性平衡性平衡状状态时，作用
2、在，作用在挡土土墙背的土背的土压力力Eon2.2.主主动土土压力力n在土在土压力作用下，力作用下，挡土土墙离开土体向前位移至一定离开土体向前位移至一定数数值，墙后土体达到主后土体达到主动极限平衡状极限平衡状态时，作用在，作用在墙背的土背的土压力力滑裂面滑裂面Ean3.3.被被动土土压力力n播放播放动画画n播放播放动画画Ep滑裂面滑裂面n在外力作用下，在外力作用下，挡土土墙推推挤土体向后位移至一土体向后位移至一定数定数值，墙后土体达到后土体达到被被动极限平衡状极限平衡状态时，作用在作用在墙上的土上的土压力力n4.4.三种土三种土压力之力之间的关系的关系 - -+ + +- -EoapEaEoEp
3、n对同一同一挡土土墙，在填土，在填土的物理力学性的物理力学性质相同的相同的条件下条件下有以下有以下规律：律：n1.1.Ea Eo Epn2. p an二、静止土二、静止土压力力计算算作用在作用在挡土土结构背面的静止土构背面的静止土压力可力可视为天然土天然土层自重自重应力的水平分量力的水平分量 K0h hzK0zzh/3静止土静止土压力力系数系数静止土静止土压力力强度度 静止土静止土压力系数力系数测定方法：定方法： n1.1.通通过侧限条限条件下的件下的试验测定定 n2.2.采用采用经验公公式式K0 = 1-sin 计算算 n3.3.按相关表格按相关表格提供的提供的经验值确确定定静止土静止土压力
4、分布力分布 土土压力作用点力作用点三角形分布三角形分布 作用点距作用点距墙底底h/3 7.2 朗肯土压力理论n一、朗肯土一、朗肯土压力基本理力基本理论n1.1.挡土土墙背垂直、光滑背垂直、光滑 n2.2.填土表面水平填土表面水平 n3.3.墙体体为刚性体性体z=zxK0zzf=0paKazppKpz增加增加减小减小4545o- / 24545o / 2大主大主应力方向力方向主主动伸展伸展被被动压缩小主小主应力方向力方向papp f zK0z f =c+ tan 土体土体处于于弹性平衡性平衡状状态主主动极限极限平衡状平衡状态被被动极限极限平衡状平衡状态水平方向均匀水平方向均匀压缩伸展伸展压缩主主
5、动朗朗肯状肯状态被被动朗朗肯状肯状态水平方向均匀伸展水平方向均匀伸展处于主于主动朗肯状朗肯状态，1方向方向竖直，剪切直，剪切破坏面与破坏面与竖直面直面夹角角为4545o- /2/24545o- /2/24545o /2/2处于被于被动朗肯状朗肯状态，3方向方向竖直，剪切直，剪切破坏面与破坏面与竖直面直面夹角角为4545o /2/2n二、主二、主动土土压力力4545o /2/2h挡土土墙在土在土压力作用下，力作用下，产生离开土体的位移，生离开土体的位移，竖向向应力保持不力保持不变，水平，水平应力逐力逐渐减小，位移增大到减小，位移增大到a，墙后后土体土体处于朗肯主于朗肯主动状状态时，墙后土体出后土
6、体出现一一组滑裂面，滑裂面，它与大主它与大主应力面力面夹角角4545o /2/2，水平，水平应力降低到最低极限力降低到最低极限值z(1)pa(3)极限平衡条件极限平衡条件朗肯主朗肯主动土土压力系数力系数朗肯主朗肯主动土土压力力强度度zh/3EahKan讨论：当当c=0,无粘性土无粘性土朗肯主朗肯主动土土压力力强度度hn1.1.无粘性土主无粘性土主动土土压力力强度与度与z成正比，沿成正比，沿墙高呈三角形分布高呈三角形分布n2.合力大小合力大小为分布分布图形的面形的面积，即三角形面，即三角形面积n3.3.合力作用点在三角形形心，即作用在离合力作用点在三角形形心，即作用在离墙底底h/3处2cKaEa
7、(h-z0)/3当当c0, 粘性土粘性土h粘性土主粘性土主动土土压力力强度包括两部分度包括两部分n1.1.土的自重引起的土土的自重引起的土压力力zKan2. 粘聚力粘聚力c引起的引起的负侧压力力2cKa说明：明：负侧压力是一种拉力，由于土与力是一种拉力，由于土与结构之构之间抗拉抗拉强度很低，受拉极易开裂，在度很低，受拉极易开裂，在计算中不考算中不考虑负侧压力深度力深度为临界深度界深度z0n1.1.粘性土主粘性土主动土土压力力强度存在度存在负侧压力区力区（计算中不考算中不考虑）n2.合力大小合力大小为分布分布图形的面形的面积（不（不计负侧压力部分）力部分）n3.3.合力作用点在三角形形心，即合力
8、作用点在三角形形心，即作用在离作用在离墙底底( (h-z0)/3处z0hKa-2cKan三、被三、被动土土压力力极限平衡条件极限平衡条件朗肯被朗肯被动土土压力系数力系数朗肯被朗肯被动土土压力力强度度z(3)pp(1)4545o /2/2hz挡土土墙在外力作用下，在外力作用下，挤压墙背后土体，背后土体，产生生位移，位移，竖向向应力保持不力保持不变，水平，水平应力逐力逐渐增大，增大，位移增大到位移增大到p，墙后后土体土体处于朗肯被于朗肯被动状状态时，墙后土体出后土体出现一一组滑裂面，它与小主滑裂面，它与小主应力力面面夹角角4545o /2/2，水平，水平应力增大到最大极限力增大到最大极限值n讨论：
9、当当c=0,无粘性土无粘性土朗肯被朗肯被动土土压力力强度度n1.1.无粘性土被无粘性土被动土土压力力强度与度与z成正比，沿成正比，沿墙高呈三角形分布高呈三角形分布n2.合力大小合力大小为分布分布图形的面形的面积，即三角形面，即三角形面积n3.3.合力作用点在三角形形心，即作用在离合力作用点在三角形形心，即作用在离墙底底h/3处hhKph/3Ep当当c0, 粘性土粘性土粘性土主粘性土主动土土压力力强度包括两部分度包括两部分n1.1.土的自重引起的土土的自重引起的土压力力zKpn2. 粘聚力粘聚力c引起的引起的侧压力力2cKp说明：明：侧压力是一种正力是一种正压力，在力，在计算算中中应考考虑n1.
10、1.粘性土被粘性土被动土土压力力强度不存在度不存在负侧压力区力区n2.合力大小合力大小为分布分布图形的面形的面积，即梯形分布，即梯形分布图形面形面积n3.3.合力作用点在梯形形心合力作用点在梯形形心土土压力合力力合力hEp2cKphKp 2cKphp四、例四、例题分析分析n【例】有一有一挡土土墙，高，高6 6米，米，墙背直立、光滑，背直立、光滑，墙后填土后填土面水平。填土面水平。填土为粘性土，其重度、内摩擦角、粘聚力如下粘性土，其重度、内摩擦角、粘聚力如下图所示所示 ，求主求主动土土压力及其作用点，并力及其作用点，并绘出主出主动土土压力分力分布布图h=6m =17kN/m3c=8kPa =20
11、=20on【解答】解答】主主动土土压力系数力系数墙底底处土土压力力强度度临界深度界深度主主动土土压力力主主动土土压力作用点力作用点距距墙底的距离底的距离2cKaz0Ea(h-z0)/36mhKa-2cKan五、几种常五、几种常见情况下土情况下土压力力计算算n1.1.填土表面有均布荷填土表面有均布荷载（以无粘性土（以无粘性土为例）例） zqh填土表面深度填土表面深度z处竖向向应力力为( (q+z)AB相相应主主动土土压力力强度度A点土点土压力力强度度B点土点土压力力强度度若填土若填土为粘性土，粘性土，c0临界深度界深度z0z0 0说明存在明存在负侧压力区，力区，计算中算中应不考不考虑负压力区土力
12、区土压力力z0 0说明不存在明不存在负侧压力区，按力区，按三角形或梯形分布三角形或梯形分布计算算zqn2.2.成成层填土情况填土情况（以无粘性土（以无粘性土为例）例） ABCD 1， 1 2， 2 3， 3paApaB上上paB下下paC下下paC上上paD挡土土墙后有几后有几层不同不同类的土的土层，先求，先求竖向自重向自重应力，然力，然后乘以后乘以该土土层的主的主动土土压力力系数，得到相系数，得到相应的主的主动土土压力力强度度h1h2h3A点点B点上界面点上界面B点下界面点下界面C点上界面点上界面C点下界面点下界面D点点说明：明：合力大小合力大小为分布分布图形的面形的面积，作用点位，作用点位
13、于分布于分布图形的形心形的形心处n3.3.墙后填土存在地下水后填土存在地下水（以无粘性土（以无粘性土为例）例） ABC(h1+ h2)Kawh2挡土土墙后有地下水后有地下水时，作用，作用在在墙背上的土背上的土侧压力有力有土土压力力和和水水压力力两部分，可分作两部分，可分作两两层计算，一般假算，一般假设地下水地下水位上下土位上下土层的抗剪的抗剪强度指度指标相同，相同，地下水位以下土地下水位以下土层用用浮重度浮重度计算算A点点B点点C点点土土压力力强度度水水压力力强度度B点点C点点作用在作用在墙背的背的总压力力为土土压力和水力和水压力之力之和，作用点在合力分和，作用点在合力分布布图形的形心形的形心
14、处h1h2h六、例六、例题分析分析n【例】挡土土墙高高5 5m，墙背直立、光滑，背直立、光滑，墙后填土面水平，后填土面水平，共分两共分两层。各。各层的物理力学性的物理力学性质指指标如如图所示，所示，试求主求主动土土压力力Ea，并并绘出土出土压力分布力分布图 h=5m 1=17kN/m3c1=0 1=34=34o 2=19kN/m3c2=10kPa 2=16=16oh1 =2mh2 =3mABCKa10.307Ka20.568n【解答】解答】ABCh=5mh1=2mh2=3mA点点B点上界面点上界面B点下界面点下界面C点点主主动土土压力合力力合力10.4kPa4.2kPa36.6kPa7.3 库
15、仑土压力理论n一、一、库仑土土压力基本假定力基本假定n1.1.墙后的填土是理想散粒体后的填土是理想散粒体 n2.2.滑滑动破坏面破坏面为通通过墙踵的平面踵的平面 n3.3.滑滑动土楔土楔为一一刚塑性体，本身无塑性体，本身无变形形n二、二、库仑土土压力力 GhCABq q墙向前移向前移动或或转动时，墙后土体沿后土体沿某一破坏面某一破坏面BC破坏，土楔破坏，土楔ABC处于主于主动极限平衡状极限平衡状态土楔受力情况：土楔受力情况：n3.3.墙背背对土楔的反力土楔的反力E,大小未知，方大小未知，方向与向与墙背法背法线夹角角为ERn1.1.土楔自重土楔自重G= ABC,方向方向竖直向直向下下n2.2.破
16、坏面破坏面为BC上的反力上的反力R,大小未知，大小未知，方向与破坏面法方向与破坏面法线夹角角为 土楔在三力作用下，静力平衡土楔在三力作用下，静力平衡 GhACBq qER滑裂面是任意滑裂面是任意给定的，不同滑裂面得定的，不同滑裂面得到一系列土到一系列土压力力E，E是是q q的函数的函数，E的的最大最大值Emax，即即为墙背的主背的主动土土压力力Ea，所，所对应的滑的滑动面即是最危面即是最危险滑滑动面面库仑主主动土土压力力系数，系数，查表确定表确定土土对挡土土墙背的摩擦背的摩擦角，根据角，根据墙背光滑，背光滑，排水情况排水情况查表确定表确定主主动土土压力与力与墙高的平方成高的平方成正比正比主主动
17、土土压力力强度度主主动土土压力力强度沿度沿墙高呈三角形分高呈三角形分布，合力作用点在离布，合力作用点在离墙底底h/3处，方向与方向与墙背法背法线成成，与水平面成与水平面成（）hhKahACBEah/3说明：明：土土压力力强度度分布分布图只代表只代表强度度大小，不代表作用大小，不代表作用方向方向主主动土土压力力三、例三、例题分析分析n【例】挡土土墙高高4.54.5m，墙背俯斜，填土背俯斜，填土为砂土，砂土， =17.5kN/m3 ， =30=30o ，填土坡角、填土与，填土坡角、填土与墙背摩擦角等背摩擦角等指指标如如图所示，所示，试按按库仑理理论求主求主动土土压力力Ea及作用点及作用点=10o=
18、15o=20o4.5mAB=10oEah/3【解答解答】由由=10o，=15o， =30=30o，=20o查表得到表得到土土压力作用点在距力作用点在距墙底底h/3=1.5m处7.4 土压力计算方法讨论n一、朗肯与一、朗肯与库仑土土压力理力理论存在的主要存在的主要问题n朗肯土朗肯土压力理力理论基于基于土土单元体的元体的应力极限平衡条件力极限平衡条件建立建立的，采用的，采用墙背背竖直、光滑、填土表面水平直、光滑、填土表面水平的假定，与的假定，与实际情况存在情况存在误差，差，主主动土土压力偏大，被力偏大，被动土土压力偏小力偏小n库仑土土压力理力理论基于基于滑滑动块体的静力平衡条件体的静力平衡条件建立
19、的，建立的，采用采用破坏面破坏面为平面平面的假定，与的假定，与实际情况存在一定差距（尤情况存在一定差距（尤其是当其是当墙背与填土背与填土间摩擦角摩擦角较大大时）n二、三种土二、三种土压力在力在实际工程中的工程中的应用用n挡土土墙直接直接浇筑在岩基上，筑在岩基上，墙的的刚度很大，度很大，墙体位移很小，不足以体位移很小，不足以使填土使填土产生主生主动破坏，可以近似按破坏，可以近似按照静止土照静止土压力力计算算岩基岩基E0n挡土土墙产生离开填土方向位移，生离开填土方向位移，墙后填土达到极限平衡状后填土达到极限平衡状态，按，按主主动土土压力力计算。位移达到算。位移达到墙高高的的0.1%0.1%0.3%
20、,0.3%,填土就可能填土就可能发生生主主动破坏。破坏。Ea30%Epn挡土土墙产生向填土方向的生向填土方向的挤压位移，位移，墙后填土达到极限平衡状后填土达到极限平衡状态，按被，按被动土土压力力计算。位移需算。位移需达到达到墙高的高的2%2%5 5%,%,工程上一般工程上一般不允不允许出出现此位移，因此此位移，因此验算算稳定性定性时不采用被不采用被动土土压力全部，力全部，通常取其通常取其3030n三、三、挡土土墙位移位移对土土压力分布的影响力分布的影响n挡土土墙下端不下端不动，上端外移，上端外移，墙背背压力按直力按直线分布，分布，总压力作用点位于力作用点位于墙底以上底以上H/3n挡土土墙上端不
21、上端不动，下端外移，下端外移，墙背填土不可能背填土不可能发生主生主动破破坏，坏，压力力为曲曲线分布，分布，总压力作用点位于力作用点位于墙底以上底以上约H/2n挡土土墙上端和下端均外移，上端和下端均外移，位移大小未达到主位移大小未达到主动破坏破坏时位移位移时，压力力为曲曲线分布，分布，总压力作用点位于力作用点位于墙底以上底以上约H/2,当位移超当位移超过某一某一值，填土填土发生主生主动破坏破坏时，压力力为直直线分布，分布，总压力作用点力作用点降至降至墙高高1/31/3处H/3H/2H/3n四、不同情况下四、不同情况下挡土土墙土土压力力计算算n1.1.墙后有局部均布荷后有局部均布荷载情况情况 n局
22、部均布荷局部均布荷载只沿虚只沿虚线间土土体向下体向下传递，由，由q引起的引起的侧压力增加范力增加范围局限于局限于CD墙段段n2.2.填土面不填土面不规则的情况的情况 n填土面不填土面不规则情况，采用作情况，采用作图法求解，假定一系列滑法求解，假定一系列滑动面，采用静力平衡求出土面，采用静力平衡求出土压力中最大力中最大值n3.3.墙背背为折折线形情况形情况 n墙背由不同背由不同倾角的平面角的平面AB和和BC组成，先以成，先以BC为墙背背计算算BC面上土面上土压力力E1及其分布，及其分布，然后以然后以AB的延的延长线AC 作作为墙背背计算算ABC 面上土面上土压力力, ,只只计入入AB段土段土压力
23、力E2，将两将两者者压力叠加得力叠加得总压力力n五、五、规范土范土压力力计算公式算公式BACC E2E1hEazqABpapb主主动土土压力力其中：其中：yc为主主动土土压力增大系数力增大系数分布分布情况情况7.5 挡土墙设计n一、一、挡土土墙类型型n1.1.重力式重力式挡土土墙块石或素混凝土砌筑而成，靠自石或素混凝土砌筑而成，靠自身重力身重力维持持稳定，定，墙体抗拉、抗体抗拉、抗剪剪强度都度都较低。低。墙身截面尺寸大，身截面尺寸大，一般用于低一般用于低挡土土墙。n2.2.悬臂式臂式挡土土墙钢筋混凝土建造，立臂、筋混凝土建造，立臂、墙趾趾悬臂和臂和墙踵踵悬臂三臂三块悬臂板臂板组成，成，靠靠墙踵
24、踵悬臂上的土重臂上的土重维持持稳定，定，墙体内拉体内拉应力由力由钢筋承担，筋承担，墙身身截面尺寸小，充分利用材料特性，截面尺寸小，充分利用材料特性，市政工程中常用市政工程中常用墙顶墙基基墙趾趾墙面面墙背背墙趾趾墙踵踵立壁立壁钢筋筋n3.3.扶壁式扶壁式挡土土墙针对悬臂式臂式挡土土墙立臂受力后弯立臂受力后弯矩和矩和挠度度过大缺点，增大缺点，增设扶壁，扶壁，扶壁扶壁间距（距（0.80.81.01.0）h，墙体体稳定靠扶壁定靠扶壁间填土重填土重维持持n4.4.锚定板式与定板式与锚杆式杆式挡土土墙预制制钢筋混凝土面板、立柱、筋混凝土面板、立柱、钢拉杆和埋在土中拉杆和埋在土中锚定板定板组成，成，稳定由拉
25、杆和定由拉杆和锚定板来定板来维持持墙趾趾墙踵踵扶壁扶壁墙板板锚定板定板基岩基岩锚杆杆n二、二、挡土土墙计算算n1.1.稳定性定性验算：算：抗抗倾覆覆稳定和抗滑定和抗滑稳定定n2.2.地基承地基承载力力验算算挡土土墙计算内容算内容n3.3.墙身身强度度验算算抗抗倾覆覆稳定定验算算zfEaEazEaxGaa0d抗抗倾覆覆稳定条件定条件挡土土墙在土在土压力作用下可能力作用下可能绕墙趾趾O点向外点向外倾覆覆Ox0xfbz抗滑抗滑稳定定验算算抗滑抗滑稳定条件定条件EaEanEatdGGnGtaa0O挡土土墙在土在土压力作用下可能沿基力作用下可能沿基础底面底面发生滑生滑动n三、重力式三、重力式挡土土墙的体
26、型与构造的体型与构造m为基底摩基底摩擦系数，根擦系数，根据土的据土的类别查表得到表得到n1.1.墙背背倾斜形式斜形式重力式重力式挡土土墙按按墙背背倾斜方向分斜方向分为仰斜、直立和俯斜仰斜、直立和俯斜三三种形式，三种形式种形式，三种形式应根据使用要求、地形和施工情况根据使用要求、地形和施工情况综合确定合确定n2.2.挡土土墙截面尺寸截面尺寸砌石砌石挡土土墙顶宽不小于不小于0.50.5m，混混凝土凝土墙可可缩小小为0.200.20m0.40m，重力式重力式挡土土墙基基础底底宽约为墙高高的的1/21/21/31/3为了增加了增加挡土土墙的抗滑的抗滑稳定性，定性，将基底做成逆坡将基底做成逆坡当当墙高高
27、较大，基底大，基底压力超力超过地基地基承承载力力时，可加，可加设墙趾台趾台阶E1仰斜仰斜E2直立直立E3俯斜俯斜三种不同三种不同倾斜斜形式形式挡土土墙土土压力之力之间关系关系E1E2E3逆坡逆坡墙趾台趾台阶n3.3.墙后排水措施后排水措施挡土土墙后填土由后填土由于雨水入渗，抗于雨水入渗，抗剪剪强度降低，土度降低，土压力增大，同力增大，同时产生水生水压力，力，对挡土土墙稳定不利，定不利，因此因此挡土土墙应设置很好的排水措置很好的排水措施，增加其施，增加其稳定定性性墙后填土宜后填土宜选择透水性透水性较强的填料，例如砂土、的填料，例如砂土、砾石、碎石石、碎石等，若采用粘土，等，若采用粘土，应混入一定
28、量的混入一定量的块石，增大透水性和抗剪石，增大透水性和抗剪强度，度，墙后填土后填土应分分层夯夯实n4.4.填土填土质量要求量要求泄水孔泄水孔粘土夯粘土夯实滤水水层泄水孔泄水孔粘土夯粘土夯实粘土夯粘土夯实 截水沟截水沟7.6 新型挡土结构n一、一、锚定板定板挡土土结构构墙板板锚定板定板预制制钢筋混凝土面板、立柱、筋混凝土面板、立柱、钢拉杆和埋在土中拉杆和埋在土中锚定板定板组成，成，稳定由拉杆和定由拉杆和锚定板来定板来维持持n二、加筋土二、加筋土挡土土结构构预制制钢筋混凝土面板、土工筋混凝土面板、土工合成材料制成拉筋承受土体合成材料制成拉筋承受土体中拉力中拉力拉筋拉筋面板面板n三、三、桩撑撑挡土土结构构采用采用桩基基础，打入地基一定深，打入地基一定深度，形成板度，形成板桩墙，用做，用做挡土土结构，基坑工程中构，基坑工程中应用用较广广支支护桩
