土压力计算原理

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1、第二章土压力计算原理2.1概述一、土压力的类别公路、铁路工程中的许多支挡结构物，如桥台、挡土墙、隧道等等，它们都承受着土体的侧压力作用。为保证这些支挡结构物的经济合理，最关键的是计算土压力，包括土压力的大小、方向、合力作用点以及土压力的分布规律等。支挡结构物所承受的土压力与填料性质、含水量、填土过程、墙顶面土体形状、墙的高度、外荷载、地基刚度、墙背倾斜度、墙背粗糙度等等多种因素有关。如果在土压力计算中全面考虑各种因素影响，目前还不可能实现。现有的计算方法都是基于不同假设和简化而求得的。支挡结构物一般都是条形建筑，长度远大于宽度，并且断面在很长范围内是不变的，因此在计算中

2、可以取一延米来进行计算分析，而不考虑临近部分的影响（位于弯道内侧的挡墙条件许可时可以考虑），即将一般的土压力计算当作平面问题来处理。挡土墙所承受的土压力与挡墙位移有很大的关系。根据挡墙的移动情况和墙后土体所处的应力状态，土压力可以分为主动土压力、被动土压力和静止土压力三种类型。分别用Ea、Ep、E0表示。被动土压力主动土压力静止土压力土压力1）主动土压力土推墙，墙体外移，土压力逐渐减小，当土体破坏，达到极限平衡状态时所对应的土压力(最小)EH+土压力EEpE0Ea-H=H1~5%1~5%o图2-1主动土压力示意图2）被动土压力墙体内移，墙推土，土压力逐渐增大

3、，当土体破坏，达到极限平衡状态时所对应的土压力(最大)土压力EEpE0Ea-H=H1~5%1~5%o-图2-2被动土压力示意图3）静止土压力H+-=H土压力EEpE0Ea-H1~5%1~5%o地下室侧墙E填土静止土压力：挡墙位置不变，土内应力小于抗剪强度，此时土体处于弹性应力平衡状态，墙后土压力介于主动、被动两者之间。图2-3静止土压力示意图路基支挡结构所承受的土压力类型要根据具体受力情况作出判断，大多数情况下的支挡结构都具有向外移动或倾覆的趋势，所以承受的土压力多是主动土压力。在设计中要根据“规范”取一定的安全系数以保证墙背土体的稳定。对于墙

4、趾前土体的被动土压力，在支挡结构基础一般埋深的情况下（埋深较大的抗滑挡墙除外），考虑到各种自然力和人畜活动的影响，一般不计，作为安全储备。图2-4墙趾前被动土压力示意图二、土压力计算理论及方法对于土压力问题的研究从18世纪末已经开始，根据研究途径的不同大致可以分为两类。1）假定破裂面的形状，依据极限状态下破裂棱体的静力平衡条件来确定土压力。这类土压力理论最初由法国的库伦（C.A.Coulomb）于1773年提出，所以称为库伦理论，这是研究土压力问题的一种简化理论。2）假定土体为松散介质，依据土中一点的极限平衡条件确定土压力强度和破裂面方向。这类土压力理论是由英国的朗金（

5、W.J.Rankine）于1857年首先提出，这类理论被称为朗金理论。目前我国公路、铁路的挡土墙设计中，无论墙后填料是非粘性填料还是粘性填料，无论是否出现第二破裂面，都采用库伦理论推导出来的相应公式计算土压力。朗金理论实质上是库伦理论的一个特例。它适用于墙后土体出现第二破裂面的情况，一般多用于计算衡重式、凸形折线式、悬臂式和扶臂式挡土墙的土压力。朗金理论计算被动土压力的误差一般比库伦理论小，所以计算被动土压力时也采用朗金理论。1、库仑土压力基本假定1）墙后的填土是理想散粒体，粒间仅有摩阻力而无粘结力的存在。2）滑动破坏面为通过墙踵的平面。3）滑动土楔为一刚塑性体，本身无

6、变形。2、库仑土压力分析αβδWhCABq墙向前移动或转动时，墙后土体沿某一破坏面BC破坏，土楔ABC处于主动极限平衡状态。土楔受力情况：3.墙背对土楔的反力E,大小未知，方向与墙背法线夹角为δ。ER1.土楔自重W=△ABC,方向竖直向下。2.破坏面为BC上的反力R,大小未知，方向与破坏面法线夹角为。2.2库伦理论计算土压力一、库仑土压力计算主动土压力土楔在三力作用下，静力平衡αβδWhACBqER滑裂面是任意给定的，不同滑裂面得到一系列土压力E，E是q的函数，E的最大值Emax，即为墙背的主动土压力Ea，所对应的滑动面即是最危险滑动面。根据高等数学中通过导数求

7、极值的方法，计算可得：——填料的内摩擦角（°）α——墙背的倾角，仰斜时取负值，俯斜时取正值，墙背垂直时取0δ——墙背与填料间的摩擦角（°）主动土压力与墙高的平方成正比主动土压力强度：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h/3处，方向与墙背法线成δ，与水平面成（α＋δ）hhKahαβACBδαEah/3说明：土压力强度分布图只代表强度大小，不代表作用方向。主动土压力公式可以表示为：按求主动土压力同样的原理可求得被动土压力的库仑公式为：或库仑被动土压力强度沿墙高呈三角形分布，被动土压力的作用点在距墙底H/3处。二、库仑土压