土壓力與土坡穩(wěn)定分析之二

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1、第五章土壓力與土坡穩(wěn)定概述擋土墻是防止土體坍塌的構(gòu)筑物，廣泛用于房屋建筑、水利以及道路和橋梁工程。例如，平整場(chǎng)地時(shí)填方區(qū)使用的擋土墻、房屋地下室的側(cè)墻、橋臺(tái)以及支撐基坑或土坡的板樁墻等，均起到擋土的作用。此外，散料倉(cāng)庫(kù)、地下隧道側(cè)墻等，亦按擋土墻的理論進(jìn)行分析計(jì)算。擋土墻的土壓力計(jì)算十分復(fù)雜，它與填料的性質(zhì)、擋土墻的形狀和位移方向、以及地基土質(zhì)等因素有關(guān)。目前計(jì)算土壓力的理論大多還是沿用古典的朗金（Rankine,1857）庫(kù)侖(Coulomb,1773)理論。盡管這些理論都是基于各種不同的假定和簡(jiǎn)化，具有各自不同的適用條件，但其計(jì)算簡(jiǎn)便，且至今為止

2、，國(guó)內(nèi)外大量擋土墻模型試驗(yàn)、原位觀測(cè)及理論研究結(jié)果均表明，這兩個(gè)古典理論仍不失為計(jì)算擋土墻壓力行之有效的實(shí)用計(jì)算方法。隨著現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)的提高，楔形試算法、“廣義庫(kù)侖理論”以及應(yīng)用塑性理論的土壓力解答等均得到了迅速發(fā)展，尤其是加筋土擋土墻的設(shè)計(jì)理論亦日趨完備。山區(qū)的天然山坡、江河的岸坡以及建筑工程中因平整場(chǎng)地、開挖基坑而形成的人工斜坡，由于某些外界不利因素（如坡頂堆載、雨水侵襲、地震及爆破等）的影響，造成邊坡局部土體滑動(dòng)而喪失穩(wěn)定性。邊坡的坍塌常造成嚴(yán)重的工程事故，并危及人身安全。因此應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)倪吰陆孛?，采取合理的施工方法，必要時(shí)還應(yīng)驗(yàn)算邊坡的穩(wěn)定性

3、以及采取適當(dāng)?shù)墓こ檀胧ㄈ缃ㄔ鞊跬翂Φ龋?，以達(dá)到保證邊坡穩(wěn)定、減少填挖土方量、縮短工期和安全節(jié)約的目的。土壓力計(jì)算和邊坡穩(wěn)定性分析都是建立在土的強(qiáng)度理論基礎(chǔ)之上的。本章主要介紹朗金和庫(kù)侖土壓力理論計(jì)算土壓力的方法，并簡(jiǎn)要介紹重力式擋土墻和加筋土擋土墻的設(shè)計(jì)和邊坡穩(wěn)定性分析方法。第一節(jié)土壓力的類型與影響因素一、土壓力的類型在影響擋土墻土壓力大小及其分布的諸多因素中，擋土墻的位移方向和位移量是計(jì)算中要考慮的特殊因素。根據(jù)擋土墻的位移情況和墻后土體所處的應(yīng)力狀態(tài)，可將土壓力分布為以下三種。(一)主動(dòng)土壓力擋土墻在墻后土壓力作用下向前移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，墻后土體隨

4、著下滑，達(dá)到一定位移量時(shí)，墻后土體處于極限平衡狀態(tài)。此時(shí)作用于墻背上的土壓力就叫主動(dòng)土壓力，以Ea表示(圖5-1a)。大多數(shù)擋土墻均按主動(dòng)土壓力計(jì)算。(二)靜止土壓力如果擋土墻在土壓力的作用下，不產(chǎn)生任何方向的位移或轉(zhuǎn)動(dòng)而保持原有的位置（圖5-1b），則墻后土體處于彈性平衡狀態(tài)，此時(shí)墻背所受的土壓力稱為靜止土壓力。如房屋地下室的外墻，由于樓面的支撐作用，幾乎無位移發(fā)生，故作用在外墻面上的填土側(cè)壓力可按靜止土壓力計(jì)算，E0。(三)被動(dòng)土壓力擋土墻在外力的作用下向墻背方向轉(zhuǎn)移或移動(dòng)時(shí)（圖5-1c），墻擠壓土體，墻后土壓力逐漸增大，當(dāng)達(dá)到某一位移量時(shí)，墻后

5、土體開始上隆，作用在擋土墻上的土壓力達(dá)最大值。此時(shí)作用在墻背的土壓力稱為被動(dòng)土壓力。如拱橋橋臺(tái)，在拱體傳遞的水平推力作用下，將擠壓土體產(chǎn)生一定量的位移，故作用在臺(tái)背的側(cè)土壓力可按被動(dòng)土壓力計(jì)算。，以Ep表示。(a)主動(dòng)土壓力(b)靜止土壓力(c)被動(dòng)土壓力圖5-1擋土墻上的三種土壓力三種土壓力與擋土墻位移的關(guān)系以及它們之間的大小可用圖所示曲線表示。從圖中可見，產(chǎn)生被動(dòng)土壓力所需的位移量比產(chǎn)生主動(dòng)土壓力所需的位移量要大得多。在相同的墻高和填土的條件下，主動(dòng)土壓力小于靜止土壓力，而靜止土壓力又小于被動(dòng)土壓力，即：三種土壓力與擋土墻位移的關(guān)系二、影響土壓力

6、的因素理論分析與擋土墻的模型試驗(yàn)均證明：對(duì)同一擋土墻，在填土的物理力學(xué)性質(zhì)相同的條件下，主動(dòng)土壓力小于靜止土壓力，而靜止土壓力小于被動(dòng)土壓力。由此可見檔土墻土壓力不是一個(gè)常數(shù)，其土壓力的性質(zhì)、大小及沿墻高的分布規(guī)律與很多因素有關(guān)，歸納起來主要有：(1)擋土墻的位移方向和位移量；(2)擋土墻的形狀、墻背的光滑程度和結(jié)構(gòu)形式；(3)墻后填土的性質(zhì)，包括填土的重度、含水量、內(nèi)摩擦角和黏聚力的大小及填土面的傾斜程度。第二節(jié)靜止土壓力計(jì)算地下室外墻、地下水池側(cè)壁、涵洞的側(cè)墻以及其它不產(chǎn)生位移的擋土構(gòu)筑物可按靜止土壓力計(jì)算。靜止土壓力猶如彈性半空間土體內(nèi)一點(diǎn)在土

7、的自重作用下無側(cè)向變形時(shí)的水平側(cè)壓力σx，可按下式計(jì)算（5-1）式中—土的側(cè)壓力系數(shù)或靜止土壓力系數(shù)；—墻后填土的重度（）；—計(jì)算土壓力點(diǎn)的深度（m）。注：本章中，土中自重應(yīng)力及等分別寫成及。靜止土壓力系統(tǒng)與土的性質(zhì)、密實(shí)程度等因素有關(guān)，一般可取砂土；粘性土。對(duì)正常固結(jié)土，也可近似地按下列半經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：（5-2）式中—土的有效內(nèi)摩擦角（°）。圖5-2靜止土壓力的分布由式5-1可分析出，沿墻高為三角形分布。若沿著墻的長(zhǎng)度方向取單位墻長(zhǎng)為計(jì)算單元，則整個(gè)背墻上作用的土壓力應(yīng)為土壓力強(qiáng)度分布圖形面積：（5-2）式中—單位墻長(zhǎng)上的靜止土壓力(kN/m)；h

8、—擋土墻高度(m)。靜止土壓力的作用點(diǎn)在距墻底h/3處，即三角形的形心處。第三節(jié)朗肯土壓力理論基本概念：朗金