第03章侧压力.pptx
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1、13.1 土的侧向压力土的侧向压力3.1.1 基本概念及土压力的分类基本概念及土压力的分类 定义:土的侧向压力是指挡土墙后的填土因自重定义:土的侧向压力是指挡土墙后的填土因自重或外荷载作用而对墙背所产生的侧向压力。(土压力)或外荷载作用而对墙背所产生的侧向压力。(土压力)土压力是挡土墙的主要外荷载,设计挡土墙时首土压力是挡土墙的主要外荷载,设计挡土墙时首先要确定土压力的性质、大小、方向和作用点,其计先要确定土压力的性质、大小、方向和作用点,其计算是一个比较复杂的问题。土压力的大小及分布规律算是一个比较复杂的问题。土压力的大小及分布规律受到墙体可能的移动方向、墙后填土的性质、填土面受到墙体可能的
2、移动方向、墙后填土的性质、填土面形式、墙的截面刚度和地基的变形等一系列因素影响。形式、墙的截面刚度和地基的变形等一系列因素影响。2土压力的分类土压力的分类分类:根据挡土墙的位移情况和墙后土体所处的应力状态,土压力可分为静止土压力静止土压力、主动土压力主动土压力和被动土压力被动土压力。静止土压力静止土压力:当挡土墙静止不动,土体处于弹性平衡状态时,土对墙的压力称为静止土压力,用E0表示。静止土压力静止土压力 主动土压力主动土压力 被动土压力被动土压力D0D 静止土压力 主动土压力。43.1.2 3.1.2 基本原理基本原理 一般土的侧向压力计算采用朗肯土压力理论或库伦土压力理论。朗肯土压力理论朗
3、肯土压力理论由朗肯1857年根据半空间体的应力状态应力状态和土的极限平衡理论和土的极限平衡理论得出的土压力计算理论。此理论假设墙背直立、光滑,墙后填土面水平,这时墙背与填土界面上的剪应力为零,当挡土墙的变位符合上述主动或被动极限平衡条件时,作用在挡土墙墙背上的土压力即为朗肯主动土压力或朗肯被动土压力。库仑土压力理论库仑土压力理论由库仑在1773年提出。此理论假设挡土墙是刚性的,墙后填土为无粘性土。挡墙受主动土压力或被动土压力时,墙后土体均处于整体极限平衡状态,按刚体极刚体极限平衡条件限平衡条件算出主动土压力及被动土压力值。5 朗肯通过研究弹性半空间土体在自重作用下,由于某种原因而处于极限平衡状
4、态极限平衡状态时的受力,提出了土压力计算方法。朗肯土压力理论朗肯土压力理论朗肯土压力理论的基本假设如下:研究对象为弹性半空间土体;不考虑挡土墙及回填土的施工因素;挡土墙墙背竖直、光滑,填土面水平、无超载。根据以上假设可知,墙背与填土之间无摩擦力,因而无剪应力,即墙背为主应力面主应力面。6土的抗剪强度与法向应力的关系土的抗剪强度与法向应力的关系土的抗剪强度与法向应力的关系为7土的极限平衡条件土的极限平衡条件土的极限平衡条件:强度曲线与莫尔圆相切根据图中的几何关系,有对于粘性土整理后得:对于无粘性土,取c=0或81.1.弹性静止状态弹性静止状态 当挡土墙后无位移时,墙后土体处于弹性静止状态,如图3
5、-2(a)示,则作用在墙背上的应力状态与弹性半空间土体应力状态相同,即在距填土面深度z处各应力状态为:竖向应力:sz=s1=g z水平应力:sx=s3=K0g z 式中s0静止土压力强度。水平和竖直向的剪应力均为零。用s1和s3作成的摩尔应力圆与土的抗剪强度曲线不相切,如3-2(d)中圆所示。9被动被动主动主动静止静止被动被动主动主动102.2.塑性主动状态塑性主动状态 当挡土墙向远离土体方向移动时,墙后土体有伸张趋势,如图3-2(b)示,此时sz不变,sx随墙体位移增加而逐渐减小,直到墙后土体达到塑性极限平衡状态,水平应力达到最小值,为主动土压力强度sa,此时墙背上土的应力状态为:竖向应力:
6、sz=s1=常数水平应力:sx=s3=sa 用s1和s3作成的摩尔应力圆与土的抗剪强度曲线相切,如图3-2(d)中圆所示。土体形成一系列剪裂面,面上各点都处于极限状态,这种状态为主动朗肯状态。滑裂面方向与大主应力作用面(水平面)成角a113.3.塑性被动状态塑性被动状态当挡土墙在外力作用下挤压土体时,墙后土体处于塑性被动状态,如图3-2(c)示,此时sz不变,sx随墙体位移增加而逐渐增大,直到墙后土体达到塑性极限平衡状态,水平应力达到最大值,为被动土压力强度sp,此时应力状态为:竖向应力:sz=s3=常数水平应力:sx=s1=sp 用s1和s3作成的摩尔应力圆与土的抗剪强度曲线相切,如图3-2
7、(d)中圆所示。土体形成一系列剪裂面,面上各点都处于极限状态,这种状态为被动朗肯状态。滑裂面方向与大主应力作用面(水平面)成角a123.1.3 3.1.3 土压力的计算土压力的计算1.静止土压力式中K0静止土压力系数;土的有效内摩擦角;墙后填土的重度,地下水位以下取有 效重度,kN/m3。13式中式中Ka 主动土压力系数;主动土压力系数;c c 填土的粘聚力,填土的粘聚力,kPakPa无粘性土:无粘性土:有粘性土:有粘性土:2.2.主动土压力主动土压力14式中式中Ka 主动土压力系数;主动土压力系数;c c 填土的粘聚力,填土的粘聚力,kPakPa无粘性土:无粘性土:有粘性土:有粘性土:2.2
8、.被动土压力被动土压力15【例例3-1】已知某挡土墙高已知某挡土墙高H=8.0m,墙背竖直、光滑,墙,墙背竖直、光滑,墙后填土表面水平,为无粘性中砂,重度后填土表面水平,为无粘性中砂,重度=18.0kN/m3,内,内摩擦角摩擦角 ,试计算作用在该挡土墙上的静止土压力,试计算作用在该挡土墙上的静止土压力E0和主动土压力和主动土压力Ea。【解解】1.静止土压力静止土压力 作用点:距墙底作用点:距墙底H/3=2.67m处。处。2.主动土压力主动土压力 作用点:距墙底作用点:距墙底H/3=2.67m处。处。16库仑土压力理论库仑土压力理论基本假设:挡墙刚性,墙后为无粘性土;墙后沿墙踵形成滑动楔体,且滑
9、面为平面。主动土压力计算简图推导过程:假定滑面与水平面得夹角为q;根据滑动楔体ABC的静力平衡,可得到主动土压力E(q 的函数)。根据函数的极值理论可得到对应的q 代入中公式即可得到主动土压力E17一、主动土压力一、主动土压力二、被动土压力二、被动土压力当当 时,结果与朗肯土压力相同时,结果与朗肯土压力相同 当当 时,结果与朗肯土压力相同时,结果与朗肯土压力相同 18两种土压力理论的比较两种土压力理论的比较朗肯土压力理论朗肯土压力理论依据:半空间的应力状态和土的依据:半空间的应力状态和土的极限平衡条件极限平衡条件概念明确、计算简单、使用方便概念明确、计算简单、使用方便直接适用于粘性土和无粘性土
10、直接适用于粘性土和无粘性土挡土墙背面竖直;墙背光滑;墙挡土墙背面竖直;墙背光滑;墙后填土面水平后填土面水平由于忽略了墙背与填土之间的摩由于忽略了墙背与填土之间的摩擦,主动土压力偏大,被动土压力擦,主动土压力偏大,被动土压力偏小。偏小。库伦土压力理论库伦土压力理论依据:墙后土体极限平衡状态、楔依据:墙后土体极限平衡状态、楔体的静力平衡条件体的静力平衡条件仅直接适用于无粘性土仅直接适用于无粘性土考虑了墙背与土之间的摩擦力,并考虑了墙背与土之间的摩擦力,并可用于墙背倾斜,填土面倾斜的情况可用于墙背倾斜,填土面倾斜的情况假设破裂面是一平面,与按滑动面假设破裂面是一平面,与按滑动面为曲面的计算结果有出入
11、。为曲面的计算结果有出入。193.2 水压力及流水压力水压力及流水压力3.2.1 静水压力静水压力定义:定义:静止的水体对其接触面产生的压力。静止的水体对其接触面产生的压力。特点:特点:静水压力总是作用在水与结构物接触表面的静水压力总是作用在水与结构物接触表面的法线方向。法线方向。20 为简便确定静水压力,可按为简便确定静水压力,可按先求分力再求合力先求分力再求合力的方法的方法进行,具体如下。进行,具体如下。将静水压力看作两个相互垂直的分力的合力,两分力将静水压力看作两个相互垂直的分力的合力,两分力为:为:竖向分力竖向分力Pz:从结构承压面上下两端分别做竖直面与水:从结构承压面上下两端分别做竖
12、直面与水面相交,得到由结构承压面、水面、两竖直面围成的水体,面相交,得到由结构承压面、水面、两竖直面围成的水体,此水体的重量即为此水体的重量即为Pz=V(方向可能向(方向可能向上上,也可能向,也可能向下下)。)。水平分力水平分力Px:取任意竖直面,从结构承压面上下两端:取任意竖直面,从结构承压面上下两端分别做水平面与所取竖直面相交,作用在此段竖直面上的分别做水平面与所取竖直面相交,作用在此段竖直面上的静水压强的合力即为所求静水压强的合力即为所求Px。此时的静水压强分布、大小。此时的静水压强分布、大小仍然符合前述特征。仍然符合前述特征。213.2.2 动水压力动水压力当水流过结构物时,会对其表面
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