挡土结构物上的土压力.doc

精品课程《土质学与土力学》第八章

安徽理工大学
第八章挡土结构物上的土压力

本章学习要点：
土压力是与土的抗剪强度有关的问题，也是土力学重要问题之一。学习本章时，要熟悉土压力的类型及它们产生的条件和适用范围，熟练掌握主动土压力计算方法；朗肯(Rankine，W.J.M1857)土压力理论是本章重要内容，学习朗肯假设条件、主动土压力、被动土压力。要求掌握朗肯假设条件，熟练掌握其计算方法。库仑(CoulombC.A.，1776)土压力理论是本章又一重要内容，学习库仑假设条件、数值解法与库尔曼图解法、以及朗肯与库仑土压力理论比较。要求拿握其假设条件及数值解法，从分析方法与计算误差上比较两个理论的不同。
掌握几种常见情况的主动土压力计算。

第一节概述
第五章已经讨论了土体中由于外荷引起的应力，本章将介绍土体作用在挡土结构物上的土压力，讨论土压力性质及土压力计算，包括土压力的大小、方向、分布和合力作用点，而土压力的大小及分布规律主要与土的性质及结构物位移的方向、大小等有关，亦和结构物的刚度、高度及形状等有关。
一、挡土结构类型对土压力分布的影响
定义：挡土结构是一种常见的岩土工程建筑物，它是为了防止边坡的坍塌失稳，保护边坡的稳定，人工完成的构筑物。
常用的支挡结构结构有重力式、悬臂式、扶臂式、锚杆式和加筋土式等类型。
挡土墙按其刚度和位移方式分为刚性挡土墙、柔性挡土墙和临时支撑三类。
1．刚性挡土墙
指用砖、石或混凝土所筑成的断面较大的挡土墙。
由于刚度大，墙体在侧向土压力作用下，仅能发身整体平移或转动的挠曲变形则可忽略。墙背受到的土压力呈三角形分布，最大压力强度发生在底部，类似于静水压力分布。
2．柔性挡土墙
当墙身受土压力作用时发生挠曲变形。
3．临时支撑
边施工边支撑的临时性。
二、墙体位移与土压力类型
墙体位移是影响土压力诸多因素中最主要的。墙体位移的方向和位移量决定着所产生的土压力性质和土压力大小。
1.静止土压力（E0）
墙受侧向土压力后，墙身变形或位移很小，可认为墙不发生转动或位移，墙后土体没有破坏，处于弹性平衡状态，墙上承受土压力称为静止土压力E0。
2.主动土压力（EA）
挡土墙在填土压力作用下，向着背离填土方向移动或沿墙跟的转动，直至土体达到主动平衡状态，形成滑动面，此时的土压力称为主动土压力。
3.被动土压力（EP）
挡土墙在外力作用下向着土体的方向移动或转动，土压力逐渐增大，直至土体达到被动极限平衡状态，形成滑动面。此时的土压力称为被动土压力EP。
同样高度填土的挡土墙，作用有不同性质的土压力时，有如下的关系：
EP>E0>EA
在工程中需定量地确定这些土压力值。
Terzaghi（1934）曾用砂土作为填土进行了挡土墙的模型试验，后来一些学者用不同土作为墙后填土进行了类似地实验。
实验表明：当墙体离开填土移动时，位移量很小，即发生主动土压力。该位移量对砂土约0.001h，（h为墙高），对粘性土约0.004h。
当墙体从静止位置被外力推向土体时，只有当位移量大到相当值后，才达到稳定的被动土压力值Ep，该位移量对砂土约需0.05h，粘性土填土约需0.1h，而这样大小的位移量实际上对工程常是不容许的。本章主要介绍曲线上的三个特定点的土压力计算，即E0、Ea和Ep。

三、研究土压力的目的
研究土压力的目的主要用于：
1．设计挡土构筑物，如挡土墙，地下室侧墙，桥台和贮仓等；
2．地下构筑物和基础的施工、地基处理方面；
3．地基承载力的计算，岩石力学和埋管工程等领域。

第二节静止土压力的计算
设一土层，表面是水平的，土的容重为γ，设此土体为弹性状态，如图（见教材P200），在半无限土体内任取出竖直平面A′B′，此面在几何面上及应力分布上都是对称的平面。对称平面上不应有剪应力存在，所以，竖直平面和水平平面都是主应力平面。
在深度Z处，作用在水平面上的主应力为：
在竖直面的主应力为：
式中：k0——土的静止侧压力系数。
γ——土的容重
σh即为作用在竖直墙背AB上的静止土压力，即：与深度Z呈线性直线分布。
可见：静止土压力与Z成正比，沿墙高呈三角形分布。
单位长度的挡土墙上的静压力合力E0为：

可见：总的静止土压力为三角形分布图的面积。
式中，H：挡土墙的高度。
E0的作用点位于墙底面以上H/3处。
静止侧压力系数K0的数值可通过室内的或原位的静止侧压力试验测定。其物理意义：在不允许有侧向变形的情况下，土样受到轴向压力增量△σ1将会引起侧向压力的相应增量△σ3，比值△σ3/△σ1称为土的侧压力系数ζ或静止土压力系数k0。

室内测定方法：
（1）、压缩仪法：在有侧限压缩仪中装有测量侧向压力的传感器。
（2）、三轴压缩仪法：在施加轴向压力时，同时增加侧向压力，使试样不产生侧向变形