挡土墙压力.doc

第六章 挡土墙上的土压力 在房屋建筑、水利、铁路以及公路和桥梁工程中，为防止土体坍塌给工程造成危害，通 常需要设计相应的构筑物支挡土体，这种构筑物称之为挡土墙，挡土墙的结构型式可分为重 力式、悬臂式和扶壁式等，通常用块石、砖、素混凝土及钢筋混凝土等材料建成，如图 6.1 为最常见块石砌筑的重力式挡土墙照片，图 6.2 为工程中常见的几种挡土墙应用实例，分别 为支撑建筑周围填土的挡土墙、地下室侧墙、桥台以及贮藏粒状材料的挡墙等，箭头所指为 作用在挡土墙上土压力。 （a） （b） 图6-1 挡土墙照片 E E E E 图6-2 挡土墙应用举例 （a）支撑建筑物周围土体的挡土墙；（b）地下室侧墙；（c）桥台；（d）储藏粒状材料的挡墙 挡土墙后的填土因自重或外荷载作用对墙背产生的侧向力，称之为挡土墙的土压力。水 在静止状态下没有抗剪强度，因此水向任何方向上的压力都相等，但土有抗剪强度，所以在 不同方向上，土压力大小也不同。土压力计算十分复杂，它与填料的性质、挡土墙的形状和 位移方向以及地基土质等因素有关，目前大多采用古典的朗肯和库仑土压力理论。 - 1 - 16.2主动土压力、被动土压力和静止土压力 根据挡土墙的位移情况和墙后土体所处的应力状态，可将土压力分为以下三种。 （1）主动土压力：当挡土墙在外力作用下，向土体方向偏移至墙后土体达到极限平衡状 态时［图 6.3（ a ）］，作用在墙背上的土压力称为主动土压力，一般用 E 表示。 a （2）被动土压力：当挡土墙在外力作用下，向土体方向偏移墙背土体达到极限平衡状态 时［图 6.3（b ）］，作用在墙背上的土压力称为被动土压力，一般用 E p。如拱桥桥台在桥上 荷载作用下挤压土体并产生一定量的位移，则作用在台背的侧压力属被动土压力。 （3）静止土压力：当挡土墙静止不动，墙后土体处于弹性平衡状态时［图 6.3（c ）］，作 用在墙背上的土压力称为静止土压力，用 E 表示。如地下室外墙、地下水池侧壁、涵洞的 0 侧壁以及其它不产生位移的挡土构筑物均可按静止土压力计算。 σ 0 E p E 0 图6.3 挡土墙的三种土压力 （a ）主动土压力；（b ）被动土压力；（c ）静止土压力 静止土压力犹如半空间弹性变形体，在土的自重作用下无侧向变形时的水平侧压力［图 6.3（c ）］，故填土表面以下任意深度 z 处的静止土压力强度可按下式计算： σ z 0 = k γ （6.1） 0 式中 k ——土的侧压力系数或静止土压力系数； 0 γ ——墙后填土的重度（kN/m3）。 静止土压力系数 k 与土的性质、密实程度等因素有关，一般砂土可取 0.35~0.50；粘性 0 土为 0.50~0.70。对正常固结土，也可近似地按下列半经验公式计算： k = 1? sin?′ （6.2） 0 式中 ?′——土的有效内摩擦角（o）。 由式（6.1）可知，静止土压力沿墙高呈三角行分布［图 6.3（ c ）］，如取单位墙长，作 用在墙上的静止土压力为： 1 E = γ 2 h k 0 2 0 式中 h ——挡土墙墙高（m）。 E 的作用点在距离墙底 h/3 处。 0 6.3朗肯土压力理论 一、 基本概念 朗肯土压力理论是通过研究弹性半空间体内的应力状态，根据土的极限平衡条件而得出 的土压力计算方法。 朗肯假定地基中的任意点都处于满足土体破坏条件时的应力状态，并在这种情况下导出 了主动土压力和被动土压力的计算公式。如图 6.4（a）所示，假想墙壁沿水平方向产生离开 - 2 - 2土体方向的位移，土体中水平方向的应力减少到 σ ，地基土产生主动破坏状态。6.4（b）中 a 墙壁沿水平方向产生向着土体方向的位移，土体中水平方向的应力增加到 σ ，地基土产生 p 被动破坏状态。这里水平方向的应力 σ 和σ 分别是在这种特殊情况下作用于墙上的水平应 a p 力，相当于主动土压力和被动土压力。下面讨论主动土压力和被动土压力的计算。 图6.4朗肯主动土压力状态和被动土压力状态中的滑动面 （a）主动土压力状态；（b）被动土压力状态 假定挡土墙墙背竖直、光华滑，填土面水平，如图 6.5（a）所示，墙背与填土面间无摩 擦力产生，故剪应力为零，墙背为主应力面。若挡土墙不出现位移，墙后土体处于弹性平衡 状态，作用在墙背的应力状态与弹性半空间土体应力状态相同。在离填土面深度 z 处， σ 1 = = 3 = 。用 z = σ γ ， x σ k γz k z σ σ 与σ 做成的摩尔应力圆与土的抗剪强度曲线不相 0 0 1 3 切，如图 6.6 中圆Ⅰ所示。 σ z x σ z α = o + α ′ = 45 ? ? / 2 45 ? / 2 o （ a ） （b ） （ c ） 图6.5 半空间体的极限平衡状态 （ a）墙背