荷载与结构设计方法-侧压力-PPT课件.ppt
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1、第三章第三章 侧压力侧压力 本章内容本章内容 第一节第一节 土的侧压力土的侧压力 第二节第二节 静水压力和动水压力静水压力和动水压力 第三节第三节 波浪荷载波浪荷载 第四节第四节 冻胀力冻胀力 第五节第五节 冰压力冰压力 第一节 土的侧压力挡土墙挡土墙土压力土压力是设计挡土墙是设计挡土墙断面及验算其稳定性断面及验算其稳定性的主要荷载的主要荷载挡土墙是防止墙后土体坍塌的构筑物,广泛应用于房屋建筑、水利、挡土墙是防止墙后土体坍塌的构筑物,广泛应用于房屋建筑、水利、路桥、港口等工程中。路桥、港口等工程中。第一节 土的侧压力土的侧压力土的侧压力 是指挡土墙后的填土因自重或外是指挡土墙后的填土因自重或外
2、荷载作用对墙背产生的侧向压力。荷载作用对墙背产生的侧向压力。由于土压力是挡土墙的主要荷载,因此,设由于土压力是挡土墙的主要荷载,因此,设计挡土墙时首先要确定土压力的性质、大计挡土墙时首先要确定土压力的性质、大小、方向和作用点。小、方向和作用点。本节内容:讨论土压力的大小和分布规律。本节内容:讨论土压力的大小和分布规律。垮塌的重力式挡土墙第一节 土的侧压力 一、土侧压力的分类一、土侧压力的分类 根据墙体位移和墙后土体状态根据墙体位移和墙后土体状态E0EpEa被动土压力被动土压力主动土压力主动土压力静止土压力静止土压力土压力土压力第一节 土的侧压力 一、一、土压力分类土压力分类n1.1.静止土压力
3、静止土压力earth pressure at rest Eo o如果挡土墙在如果挡土墙在土压力土压力作用下作用下不发生移动或转动而保持不发生移动或转动而保持原来位置原来位置,则墙后土体处于,则墙后土体处于弹性平衡状态弹性平衡状态,此时墙背,此时墙背所受的土压力称为所受的土压力称为静止土压力静止土压力 以符号以符号E0表示表示n2.2.主动土压力主动土压力 n在土压力作用下,挡土墙离在土压力作用下,挡土墙离开土体向前位移至一定数值,开土体向前位移至一定数值,墙后土体达到主动极限平衡墙后土体达到主动极限平衡状态时,作用在墙背的土压状态时,作用在墙背的土压力力滑裂面滑裂面Ean3.3.被动土压力被动
4、土压力 Ep滑裂面滑裂面n在外力作用下,挡土墙在外力作用下,挡土墙推挤土体向后位移至一推挤土体向后位移至一定数值,墙后土体达到定数值,墙后土体达到被动极限平衡状态时,被动极限平衡状态时,作用在墙上的土压力作用在墙上的土压力active earth pressurepassive earth pressuren4.4.三种土压力之间的关系三种土压力之间的关系 -+-EoapEaEo oEpn对同一挡土墙,在填土对同一挡土墙,在填土的物理力学性质相同的的物理力学性质相同的条件下条件下有以下规律:有以下规律:n1.1.Ea Eo Epn2.2.p a一般土的侧向压力计算采用一般土的侧向压力计算采用朗
5、肯土压力理论朗肯土压力理论或或库库伦土压力理论。伦土压力理论。这两个著名的经典土压力理论,这两个著名的经典土压力理论,概念明确、方法简单,目前工程实践中仍然广泛概念明确、方法简单,目前工程实践中仍然广泛采用。采用。第一节 土的侧压力 研究了弹性半空间土体极限平衡研究了弹性半空间土体极限平衡状态时的受力,根据状态时的受力,根据半空间内的半空间内的应力状态应力状态和和土的极限平衡理论土的极限平衡理论而而得出的土压力计算方法。得出的土压力计算方法。朗肯土压力理论(朗肯土压力理论(Rankines earth pressure theoryRankines earth pressure theory)
6、基本假定基本假定 对象为弹性半空间土体对象为弹性半空间土体 填土面无限长填土面无限长 不考虑挡土墙及回填土的施工因素不考虑挡土墙及回填土的施工因素 挡土墙的挡土墙的墙背竖直墙背竖直、光滑光滑、填土面水平填土面水平、无超载无超载 墙背与填土之间无摩擦力,因而无剪力,即墙背与填土之间无摩擦力,因而无剪力,即墙背为主应墙背为主应力面力面第一节 土的侧压力 1 1、静止土压力计算、静止土压力计算作用在挡土结构背面的静止土压力可视为天然土层自重应作用在挡土结构背面的静止土压力可视为天然土层自重应力的水平分量力的水平分量 K0h hzK0zooKhE221zh/3静止土压力静止土压力系数系数oopKz静止
7、土压力强度静止土压力强度 静止土压力系数静止土压力系数测定方法:测定方法:n1.1.通过侧限条通过侧限条件下的试验测定件下的试验测定 n2.2.采用经验公采用经验公式式K0=1-1-sin 计算计算 n3.3.按相关表格按相关表格提供的经验值确提供的经验值确定定静止土压力分布静止土压力分布 土压力作用点土压力作用点三角形分布三角形分布 作用点距墙底作用点距墙底h/3 第一节 土的侧压力2 2、主动土压力、主动土压力E Ea a、被动土压力、被动土压力E Ep p 塑性主动状态塑性主动状态当挡土墙离开土体向远离墙背方向移动时,墙后土体有伸张当挡土墙离开土体向远离墙背方向移动时,墙后土体有伸张的趋
8、势,此时单元在的趋势,此时单元在水平截面上的法向应力水平截面上的法向应力 z z不变不变而而竖向竖向截面上的法向应截面上的法向应 x x却逐渐减少(却逐渐减少(),直至满足极限平衡,直至满足极限平衡条件为止(称为主动朗金状态),此时条件为止(称为主动朗金状态),此时 x x 达最低限值达最低限值 a a,因此,因此,a a是小主应力,而是小主应力,而 z z是大主应力,并且莫尔圆与抗是大主应力,并且莫尔圆与抗剪强度包线相切。(图中圆剪强度包线相切。(图中圆A A)此时滑动面的方向与大主压力此时滑动面的方向与大主压力 z z的的作用面(即水平面)成作用面(即水平面)成 =45=450 0+/2/
9、2 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,当挡土墙在外力作用下挤压土体,水平截面上的法向应力水平截面上的法向应力 z z 不不变变,x x不断增加(不断增加(),直至满足极限平衡条件(称为被动,直至满足极限平衡条件(称为被动朗金状态)时朗金状态)时 x x达最大限值达最大限值 p p ,这时,这时,x x=p p是大主应力,是大主应力,而而 z z是小主应力,并且莫尔圆与抗剪强度包线相切。(圆是小主应力,并且莫尔圆与抗剪强度包线相切。(圆B B)第一节 土的侧压力 此时滑动面的方向与小主压力此时滑动面的方向与小主压力 z z的作用面(即水平面)成的作用面(即水平面)成 =4
10、5=450 0-/2/2塑性主动状态与被动状态B 由土力学的强度理论可知,当土体中某点处于由土力学的强度理论可知,当土体中某点处于极限平衡状极限平衡状态态时,大主应力时,大主应力 1 1和小主应力和小主应力 3 3之间应满足以下关系式:之间应满足以下关系式:第一节 土的侧压力 213tan(45)2tan(45)22coo231tan(45)2tan(45)22coo213tan(45)2o231tan(45)2o无粘性土无粘性土粘性土粘性土 土体达土体达主动极限平衡状态主动极限平衡状态时,时,z z=z z不变,也即大主应力不变,也即大主应力不变,而水平应力不变,而水平应力 x x是小主应力
11、是小主应力 a a ,即,即 1 1=z z=z z 、3 3=a a 无粘性土无粘性土 a a=z tgz tg2 2(45(450 0-/2)/2)或或 a a=z kz ka a 粘粘 性性 土土 a a=z tgz tg2 2(45(450 0-/2)-2c tg(45/2)-2c tg(450 0-/2)/2)第一节 土的侧压力 k ka a主动土压力系数,主动土压力系数,k ka a=tgtg2 2(45(450 0-/2)/2);墙后填土的容重,墙后填土的容重,kN/mkN/m3 3,地下水位以下用浮容重;,地下水位以下用浮容重;c c 填土的内聚力,填土的内聚力,kN/mkN/
12、m2 2;z z 所计算的点离填土面的深度。所计算的点离填土面的深度。aaKHtgHE2222124521 Ea通过三角形的形心,即作用在离墙底通过三角形的形心,即作用在离墙底H/3处。处。粘性土的主动土压力强度粘性土的主动土压力强度包括两部分包括两部分(如图(如图):一一 部部 分分:aZK 由由土土自自重重引引起起的的土土压压力力 无粘性土的主动土压力强度与高度成正比,沿高度的压力无粘性土的主动土压力强度与高度成正比,沿高度的压力分布为三角形分布为三角形(如图)(如图),单位墙长的主动土压力为:单位墙长的主动土压力为:另另一一部部分分:aKC2 由由内内聚聚力力 C 引引起起的的负负侧侧压
13、压力力 第一节 土的侧压力 主动土压力大小第一节 土的侧压力(a)主动土压力的计算主动土压力的计算 (b)无粘性土无粘性土 (c)粘性土粘性土 主动土压力强度主动土压力强度 a分布分布 粘性土的侧压力分布仅是粘性土的侧压力分布仅是abcabc部分部分 实际上墙与土在很小的拉应力作用下就会分离,故在计算土压力时可略去不实际上墙与土在很小的拉应力作用下就会分离,故在计算土压力时可略去不计。计。a a点离填土面的深度常称为点离填土面的深度常称为临界深度临界深度,在填土面无荷载的条件下,可令式为零,在填土面无荷载的条件下,可令式为零求得求得z z0 0值,即:值,即:主动土压力主动土压力E Ea a通
14、过在三角形通过在三角形abcabc压力分布图的形心,即作用在离墙底压力分布图的形心,即作用在离墙底(H-z(H-z0 0)/3)/3处处02aaaKCZK 得得:aKCZ20 如取单位墙长计算,则主动土压力如取单位墙长计算,则主动土压力E Ea a为:为:aaaKCHKZHE2210 或或 222221CKCHKHEaaa 第一节 土的侧压力 当墙受到外力作用而推向土体时,填土中任意一点的当墙受到外力作用而推向土体时,填土中任意一点的竖向应力竖向应力 z z=z z仍不变,而仍不变,而水平应力水平应力 x x却逐渐增大却逐渐增大(),直至出现被动朗金状态,直至出现被动朗金状态,此时,此时,x
15、x是最大限值是最大限值 p p,因此,因此 p p是大主应力是大主应力,也就是被动土压力强度,也就是被动土压力强度,而而 z z则是小主应力则是小主应力,即,即 3 3=z z=z z 、1 1=p p 无粘性土:无粘性土:p p=z z tgtg2 2(45(450 0+/2)=/2)=z z k kp p 粘性土:粘性土:p p=z z 3 3tgtg2 2(45(450 0+/2)+2Ctg/2)+2Ctg (45(450 0+/2)/2)式中,式中,k kp p被动土压力系数,被动土压力系数,k kp p=tg=tg2 2(45(450 0+/2)/2)或 pppKCZK2 其余符号同
16、前。其余符号同前。第一节 土的侧压力 z zH p dz H kp 2C H kp (a)被动土压力的计算被动土压力的计算 (b)无粘性土无粘性土 (c)粘性土粘性土 被动土压力强度被动土压力强度 p分布分布pkppKHtgHE2222124521appKCHKHE2212无粘性土无粘性土有粘性土有粘性土第一节 土的侧压力 无粘性土的被动土压力强度无粘性土的被动土压力强度 p p呈呈三角形分布三角形分布(如图)(如图)粘性土的被动土压力强度粘性土的被动土压力强度 p p呈呈梯形分布梯形分布(如图)(如图)如取单位墙长计算,则被动土压力如取单位墙长计算,则被动土压力E Ep p可由下式计算:可由
17、下式计算:无粘性土无粘性土:ppKHtgHE2222124521粘粘 性性 土:土:appKCHKHE2212 被动土压力被动土压力E Ep p 通过三角形或梯形分布图的形心通过三角形或梯形分布图的形心第一节 土的侧压力 第一节 土的侧压力 几种工程中常见的主动土压力计算1.1.填土面有均布荷载填土面有均布荷载l计算方法:把均布荷载换算成当量土重qhaaahKqK aa()()bHh KqH K 实际的土压力分布图为梯形实际的土压力分布图为梯形abcd部分,土部分,土压力作用点在梯形的重心压力作用点在梯形的重心几种工程中常见的主动土压力计算2.2.填土面有局部荷载填土面有局部荷载几种工程中常见
18、的主动土压力计算应用朗肯理论应用朗肯理论3.3.墙后填土为成层填土墙后填土为成层填土a01a12cK a111a11a12hKcKa111a 22a 22hKcK a21122a2a2()2 2hh KcK 第一层填土第二层填土两层土交界处两层土交界处土压力强度有突变土压力强度有突变n3.3.成层填土情况成层填土情况(以无粘性土为例)(以无粘性土为例)ABCD 1 1,1 1 2 2,2 2 3 3,3 3paAaApaBaB上上paBaB下下paCaC下下paCaC上上paDaD挡土墙后有几层不同类的土挡土墙后有几层不同类的土层,先求竖向自重应力,然层,先求竖向自重应力,然后乘以后乘以该土层
19、该土层的主动土压力的主动土压力系数,得到相应的主动土压系数,得到相应的主动土压力强度力强度h1h2h30aAp111aaBKhp上上A点点B点上界面点上界面B点下界面点下界面211aaBKhp下下C点上界面点上界面C点下界面点下界面22211)(aaCKhhp上上32211)(aaCKhhp下下D点点3332211)(aaDKhhhp说明:说明:合力大小为分合力大小为分布图形的面积,作用布图形的面积,作用点位于分布图形的形点位于分布图形的形心处心处几种工程中常见的主动土压力计算4.墙后填土有地下水水位以下的土一般采用浮容重,求出各层面的土压力强度;画出土压力分布图形求出面积,主要计算静水压力E
20、w,即为土压力值。1.求出分布图形形心位置,即为土压力作用点位置,方向水平。n3.3.墙后填土存在地下水墙后填土存在地下水(以无粘性土为例)(以无粘性土为例)ABC(h1+h2)Kawh2挡土墙后有地下水时,作用挡土墙后有地下水时,作用在墙背上的土侧压力有在墙背上的土侧压力有土压土压力力和和水压力水压力两部分,可分作两部分,可分作两层计算,一般假设地下水两层计算,一般假设地下水位上下土层的抗剪强度指标位上下土层的抗剪强度指标相同,相同,地下水位以下土层用地下水位以下土层用浮重度计算浮重度计算0aApA点点B点点aaBKhp1C点点aaaCKhKhp21土压力强度土压力强度水压力强度水压力强度B
21、点点0wBpC点点2hpwwC作用在墙背的总压力作用在墙背的总压力为土压力和水压力之为土压力和水压力之和,作用点在合力分和,作用点在合力分布图形的形心处布图形的形心处h1h2h六、例题分析六、例题分析【例】挡土墙高挡土墙高5m5m,墙背直立、光滑,墙后填土面水平,共分两层。,墙背直立、光滑,墙后填土面水平,共分两层。各层的物理力学性质指标如图所示,试求主动土压力各层的物理力学性质指标如图所示,试求主动土压力Ea,并绘出土,并绘出土压力分布图压力分布图 h=5m 1 1=17kN/m=17kN/m3c1 1=0=0 1 1=34=34o o 2 2=19kN/m=19kN/m3c2 2=10kP
22、a=10kPa 2 2=16=16o oh1=2mh2=3mABCKa1 10.3070.307Ka2 20.5680.568【解答】解答】ABCh=5mh1=2mh2=3mA点点011aaAzKpB点上界面点上界面kPaKhpaaB4.10111上上B点下界面点下界面kPaKcKhpaaaB2.4222211下下C点点kPaKcKhhpaaaC6.362)(2222211主动土压力合力主动土压力合力mkNEa/6.712/3)6.362.4(2/24.1010.4kPa10.4kPa4.2kPa4.2kPa36.6kPa36.6kPa库仑土压力理论一、库仑土压力基本假定一、库仑土压力基本假定
23、n1.1.墙后的填土是理想散粒体墙后的填土是理想散粒体 n2.2.滑动破坏面为通过墙踵的平面滑动破坏面为通过墙踵的平面 n3.3.滑动土楔为一刚塑性体,本身无变形滑动土楔为一刚塑性体,本身无变形n二、库仑土压力二、库仑土压力 GhCABq q墙向前移动或转动时,墙后土体墙向前移动或转动时,墙后土体沿某一破坏面沿某一破坏面BC破坏,土楔破坏,土楔ABC处于主动极限平衡状态处于主动极限平衡状态土楔受力情况:土楔受力情况:n3.3.墙背对土楔的反力墙背对土楔的反力E,大小未知,方大小未知,方向与墙背法线夹角为向与墙背法线夹角为ERn1.1.土楔自重土楔自重G=ABC,方向竖直向下方向竖直向下n2.2
24、.破坏面为破坏面为BC上的反力上的反力R,大小未知,大小未知,方向与破坏面法线夹角为方向与破坏面法线夹角为 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)cos()sin(cos)sin()cos()cos(2122qqqqhE滑裂面是任意给定的,不同滑裂面得到一滑裂面是任意给定的,不同滑裂面得到一系列土压力系列土压力E,E是是q q的函数的函数,E的的最大值最大值Emax,即为墙背的主动土压力,即为墙背的主动土压力Ea,所对应,所对应的滑动面即是最危险滑动面的滑动面即是最危险滑动面2222)cos()cos()sin()sin(1)cos(cos)(cos21h
25、EaaaKhE221库仑主动土压库仑主动土压力系数,查表力系数,查表确定确定土对挡土墙背的摩擦土对挡土墙背的摩擦角,根据墙背光滑,角,根据墙背光滑,排水情况查表确定排水情况查表确定主动土压力与墙高的平方成正比主动土压力与墙高的平方成正比aaaazKKzdzddzdEp221主动土压力强度主动土压力强度主动土压力强度沿墙高呈三角形分主动土压力强度沿墙高呈三角形分布,合力作用点在离墙底布,合力作用点在离墙底h/3处,处,方向与墙背法线成方向与墙背法线成,与水平面成,与水平面成()hhKahACBEah/3说明:说明:土压力强度土压力强度分布图只代表强度分布图只代表强度大小,不代表作用大小,不代表作
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