第六章 挡土结构物上的土压力河海大学 岩土工程研究所Research Institute of Geotechnical Engineering, Hohai University61 概述 62 静止土压力计算 63 朗肯土压力理论 64 库仑土压力理论 65 土压力问题的讨论 66 工程中挡土墙的土压力计算本章内容什么是挡土结构物Retaining structure什么是土压力(Earth pressure)影响土压力的因素挡土结构物类型对土压力分布的影响61 概 述挡 土 结 构 物Rigid wall61 概 述一、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，或使部分侧向荷载传递分散到填土上的一种结构物。61 概 述挡土结构物上的土压力：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）61 概 述为什么要计算土压力？土压力是进行挡土结构物断面设计和稳定验算的重要 荷载。挡土墙类型（按刚度及位移方式）:1.刚性挡土墙2.柔性挡土墙一、挡土结构物（挡土墙）61 概 述刚性挡土墙L型T型预应力刚性加筋扶壁圬工式一、挡土结构物（挡土墙）61 概 述一、挡土结构物（挡土墙）61 概 述刚性挡土墙混凝土挡土墙及复合排水管完工完工一、挡土结构物（挡土墙）61 概 述刚性挡土墙柔性支护结构锚杆板桩板桩变形基坑支撑上的土压力变形土压力分布 板桩上土压力实测计算一、挡土结构物（挡土墙）61 概 述上海市外环过江隧道暗埋段基坑支撑柔性支护结构一、挡土结构物（挡土墙）61 概 述无法打锚杆(相邻建筑物的基础较深, 地下管线)内支撑柔性支护结构一、挡土结构物（挡土墙）61 概 述土压力的影响因素 填土的性质 挡土墙的高度 挡土墙的移动方向 挡土墙和土的相对位移量 挡土墙的刚度 土体与墙之间的摩擦61 概 述在影响土压力的诸多因素中，墙体位移条件是 最主要的因素。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。二、位移对土压力的影响及三种典型的土压力61 概 述 二、位移对土压力的影响及三种典型的土压力土 压 力离填土位移向填土位移静止土压力：挡土墙完全没有侧向移动（不产生位移和变 形）时墙后填土作用于挡土墙上的土压力。以E0表示。主动土压力：挡土墙背离填土方向转动或位移，墙后填土 达到极限平衡状态时作用于挡土墙上的土压力。它是土压 力中的最小值。以Ea表示。被动土压力：挡土墙向填土方向转动或位移，墙后填土达 到极限平衡状态时作用于挡土墙上的土压力。它是土压力 中的最大值。以Ep表示。二、位移对土压力的影响及三种典型的土压力61 概 述c.被动土压力 （Passive earth pressure)a.静止土压力 （Earth pressure at rest)b.主动土压力 （Active earth pressure)61 概 述二、位移对土压力的影响及三种典型的土压力墙体位移对土压力的影响挡土墙所受土压力的类型，首先取决于墙体是否发生位 移以及位移的方向。其中有三种特定情况下的土压力，即静 止土压力、主动土压力和被动土压力。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。61 概 述二、位移对土压力的影响及三种典型的土压力当d =D/H=0 时 E=E01. 静止土压力61 概 述 二、位移对土压力的影响及三种典型的土压力2. 主动土压力墙体外移， 土压力逐渐减小， 当土体破坏，达到极 限平衡状态时所对应 的土压力 (最小)61 概 述 二、位移对土压力的影响及三种典型的土压力3. 被动土压力墙体内移， 土压力逐渐增大， 当土体破坏， 达到极限平衡状态 时所对应的土压力 (最大)61 概 述 二、位移对土压力的影响及三种典型的土压力本章要讨论的中心问题刚性挡土墙上的土压力性质及土压力计 算，包括土压力的大小、方向、分布及 合力作用点。61 概 述可按土体处于侧限条件下的弹性平衡状态进行计算。62 静止土压力计算vvhhz HH/3K0H62 静止土压力计算 一、一般情况（填土均质且无地下水）vvhhz HH/3K0H62 静止土压力计算 二、墙后填土中有地下水wHH/3H162 静止土压力计算 三、墙后填土为成层土H2土层分界面处：墙趾处： H1H2A静止土压力在均质地基中随深度呈直线分布； 静止土压力分布线的斜率是容重和静止侧压力 系数的乘积； 静止土压力在土层的分界面上一般会发生突变 ； 静止土压力在地下水位处发生转折； 地下水位以下的土体在计算静止土压力时用浮 容重； 当地下水位高于挡土结构物的基底面时，挡土 结构物除受到其后填土的土压力作用外，还会 受到水压力的作用。62 静止土压力计算K0可通过现场或室内试验确定。四、K0的确定砂土或正常固结粘土：K0通常小于1，但对于超固结粘土和压实土也 可能会大于1。由泊松比计算 ：62 静止土压力计算6-3 朗肯(Rankine)土压力理论一、基本原理和基本假定基本假定：土体是具有水平表面的半无限体，墙背竖直光滑。朗肯理论认为当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。6-3 朗肯(Rankine)土压力理论一、基本原理和基本假定zzxxz被动eaK0zzzK0z ep主动zK0zz ea主动极限平衡应力状态6-3 朗肯(Rankine)土压力理论一、基本原理和基本假定被动极限平衡应力状态6-3 朗肯(Rankine)土压力理论一、基本原理和基本假定zK0z epm mn n x二、朗肯主动土压力计算(一)基本计算公式6-3 朗肯(Rankine)土压力理论eaK0zz主动土压 力系数二、朗肯主动土压力计算(二)无粘性土的主动土压力计算公式6-3 朗肯(Rankine)土压力理论HH/3HKa45/2z二、朗肯主动土压力计算(二)无粘性土的主动土压力计算公式6-3 朗肯(Rankine)土压力理论HHKaqKaz二、朗肯主动土压力计算(三) 粘性土的主动土压力计算公式6-3 朗肯(Rankine)土压力理论HHKazz0主 动 区二、朗肯主动土压力计算(三) 粘性土的主动土压力计算公式6-3 朗肯(Rankine)土压力理论HHKazz0三、朗肯被动土压力计算(一) 基本计算公式6-3 朗肯(Rankine)土压力理论zK0z ep被动土压 力系数(二)无粘性土的被动土压力计算6-3 朗肯(Rankine)土压力理论H H/3HKp45/290+三、朗肯被动土压力计算z(二)无粘性土的被动土压力计算6-3 朗肯(Rankine)土压力理论HzHKpqKp三、朗肯被动土压力计算(三)粘性土的被动土压力计算6-3 朗肯(Rankine)土压力理论三、朗肯被动土压力计算HzHKp2cKp(三)粘性土的被动土压力计算6-3 朗肯(Rankine)土压力理论Hz三、朗肯被动土压力计算以无粘性土的主动土压力计算为例6-3 朗肯(Rankine)土压力理论 四、填土中有地下水时的土压力计算H1H26-3 朗肯(Rankine)土压力理论 五、填土中为成层土时的土压力计算H1H2注意两点：1、由于各层填土的重度不同， 使得填土的竖向应力分布在交界 面上出现转折；2、由于各层填土的粘聚力和内 摩擦角不同，所以在计算土压力 系数时，需采用计算点所在土层 的粘聚力和内摩擦角。以无粘性土的主动土压力计算为例6-3 朗肯(Rankine)土压力理论 五、填土中为成层土时的土压力计算H1H26-3 朗肯(Rankine)土压力理论总结：朗肯土压力理论假定土体是具有水平表面的 半无限体，墙背竖直光滑。朗肯理论认为当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。6-3 朗肯(Rankine)土压力理论总结：土压力在均质地基中随深度呈直线分布； 土压力分布线的斜率是容重和土压力系数的乘积； 土压力在土层的分界面上一般会发生突变； 土压力在地下水位处发生转折，地下水位以下土体 的容重用浮容重； 当地下水位高于挡土结构物的基底面时，挡土结构 物除受到其后填土的土压力作用外，还会受到水压 力的作用。 如果墙背不垂直、粗糙 墙后填土表面不水平如何计算挡土墙后的土压力？6-4 库仑土压力理论6-4 库仑土压力理论 一、基本原理和基本假定6-4 库仑土压力理论基本假定：一、基本原理和基本假定滑动面为平面、滑动体为刚体。6-4 库仑土压力理论二、无粘性土主动土压力计算H6-4 库仑土压力理论二、无粘性土主动土压力计算6-4 库仑土压力理论二、无粘性土主动土压力计算6-4 库仑土压力理论二、无粘性土主动土压力计算H墙背光滑墙背垂直填土表面水平时与朗肯土压力理论一致6-4 库仑土压力理论二、无粘性土主动土压力计算6-4 库仑土压力理论三、无粘性土被动土压力计算H6-4 库仑土压力理论 三、无粘性土被动土压力计算6-4 库仑土压力理论 三、无粘性土被动土压力计算6-4 库仑土压力理论 三、无粘性土被动土压力计算H四、库尔曼图解法6-4 库仑土压力理论库伦土压力计算公式是基于填土表面为平面的假定建立的 ，若填土表面不是平面，而是折线或曲线状时，就不能应用前 述解析解直接计算，此时可以用图解法。库尔曼图解法是其中的一种，由库尔曼在1875年提出的、 目前较常用的图解方法。图解法的思路：假定一系列的破坏面，分别作出相应的 力矢三角形，可以直接由作图确定出相应E值，则所有E值中 的最大值就是总的主动土压力Ea。四、库尔曼图解法6-4 库仑土压力理论五、有超载作用时的土压力计算6-4 库仑土压力理论H以主动土压力计算为例五、有超载作用时的土压力计算6-4 库仑土压力理论五、有超载作用时的土压力计算6-4 库仑土压力理论H六、粘性填土、地下水对土压力的影响6-4 库仑土压力理论（二）地下水填土中有地下水时的土压力确定方法与前述的类 似，需注意的是在计算水下土体重量时应采用浮重度 ，另一方面还要考虑水的存在引起土的抗剪强度的降 低。填土中有地下水时作用在挡土墙上的压力除土压 力外，还应考虑水压力的作用。六、粘性填土、地下水对土压力的影响6-4 库仑土压力理论（一）粘性填土W中包括BCDE65 土压力问题的讨论一、朗肯和库仑土压力理论存在的主要问题朗肯土压力理论基于土单元体的应力极限平 衡条件下建立，假定墙背面竖直、光滑、填土表 面水平。库仑土压力理论基于滑动块体的静力平衡条 件建立，假定破坏面为平面。当墙背倾斜角度较大超过一定范围后，滑动 块体不会沿墙背滑动，而是沿土中某一面滑动。二、三种典型土压力在实际工程中的应用1、如果挡土墙直接浇筑在岩基上，且墙的刚度很大 ，墙体产生的位移很小，不足以使填土产生主动破 坏，此时可近似按静止土压力计算。此外，对于地 下结构的侧墙，若刚度大，墙顶又无法位移，也可 认为墙上作用的是静止土压力。2、如果挡土墙在墙后填土自重等作用下产生离开填 土方向的位移，并且使墙后填土达到了极限平衡状 态，可按主动土压力计算。实验研究表明，挡土墙 的位移达到墙高的0.1%0.3%，填土就可能发生主动 破坏，而这是一般的挡土墙都容易达到的。因此通 常情况下挡土墙的土压力可按主动土压力计算。65 土压力问题的讨论3、