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1、土体主动、主动土压力概念及计算公式指南土体主动、主动土压力概念及计算公式主动土压力挡土墙向前移离填土，随着墙的位移量的渐渐增大，土体作用于墙上的土压力渐渐减小，当墙后土体到达主动极限平衡状态并消灭滑动面时，这时作用于墙上的土压力减至最小，称为主动土压力 P。 a被动土压力挡土墙在外力作用下移向填土，随着墙位移量的渐渐增大，土体作用于墙上的土压力渐渐增大，当墙后土体到达被动极限平衡状态并消灭滑动面时，这时作用于墙上的土压力增至最大，称为被动土压力 P。上述三种土压力的移动状况和它们在一样条件下的数值比较，p可用图 6-2 来表示。由图可知 P,P,P。 poa 朗肯根本理论朗肯土压力理论是英国学
2、者朗肯(Rankin)1857 年依据均质的半无限土体的应力状态和土处于极限平衡状态的应力条件提出的。在其理论推导中,首先作出以下根本假定。(1)挡土墙是刚性的墙背垂直; (2)挡土墙的墙后填土外表水平;(3)挡土墙的墙背光滑，不考虑墙背与填土之间的摩擦力。把土体当作半无限空间的弹性体，而墙背可假想为半无限土体内部的铅直平面，依据土体处于极限平衡状态的条件，求出挡土墙上的土压力。假设挡土墙向填土方向移动压缩土体， 仍保持不变，但 将不断增大并超过 值，zxz 当土墙挤压土体使 增大到使土体到达被动极限平衡状态时，如图6-4 的应力园 O，x3z 变为小主应力， 变为大主应力，即为朗肯被动土压力
3、(p)。土体中产生的两组裂开面与 xp仅供学习与沟通，如有侵权请联系网站删除感谢2,45:,水平面的夹角为。 2 朗肯主动土压力的计算依据土的极限平衡条件方程式,2=tg(45?+)+2c?tg(45?+) 1322,2=tg(45?-)-2c?tg(45?-) 3122土体处于主动极限平衡状态时，=z，=p，代入上式得 1z3xa 1)填土为粘性土时填土为粘性土时的朗肯主动土压力计算公式为,2,ap=ztg(45?-)-2c?tg(45?-)=zK-2c (6-3) aa22由公式(6-3)，可知，主动土压力 p 沿深度 Z 呈直线分布，如图 6-5 所示。a (一)Z0 ZH-H30 HZ
4、Pa-3 H 2cHKa?Ka图 5,5 粘性土主动土压力分布图当 z=H 时 p=HK-2cK aaa在图中，压力为零的深度 z，可由 p=0 的条件代入式(6-3)求得 0a 2cz, (6-4) 0,Ka在 z 深度范围内 p 为负值，但土与墙之间不行能产生拉应力，说明在 z 深度范围内，0a0填土对挡土墙不产生土压力。 墙背所受总主动土压力为 P，其值为土压力分布图中的阴影局部面积，即 a1aaa0,P(HK2cK)(Hz)2 (6-5) 212c2,，aaHK2cHK,22)填土为无粘性土(砂土)时依据极限平衡条件关系方程式，主动土压力为,2pa,ztg(45:,),zKa (6-6
5、) 2上式说明主动土压力 P 沿墙高呈直线分布，即土压力为三角形分布，如图 6-6 所示。a墙背上所受的总主动土压力为三角形的面积，即12 (6-7)Pa,HKa21HP 的作用方向应垂直墙背，作用点在距墙底处。 a3 朗肯被动土压力计算从朗肯土压力理论的根本原理可知，当土体处于被动极限平衡状态时，依据土的极限平衡条件式可得被动土压力强度 =p，=rz，填土为粘性土时 1p3z,2 (6-8) pp,ztg(45:，)，2c,tg(45:，),zKp，2cKp22 填土为无粘性土时,2 (6-9)pp,ztg(45:，),zKp2式中: P沿墙高分布的土压力强度，kPa; p,2Kp,tg(4
6、5，)K被动土压力系数，; p2 其余符号同前。关于被动土压力的分布图形，分别见图 6-7 及图 6-8。填土为粘性土时的总被动土压力为12 (6-10) Pp,HKp，2cHKp2填土为无粘土时的总被动土压力为12 (6-11) Pp,HKp2作用方向和作用点的位置分别如图 6-7、图 6-8 上所标示的方向和作用点;计算单位为 kN/m。库伦土压力理论根本原理库伦于 1776 年依据争论挡土墙墙后滑动土楔体的静力平衡条件，提出了计算土压力的理论。他假定挡土墙是刚性的，墙后填土是无粘性土。当墙背移离或移向填土，墙后土体到达极限平衡状态时，填后填土是以一个三角形滑动土楔体的形 式，沿墙背和填土
7、土体中某一滑裂平面通过墙踵同时向下发生滑动。依据三角形土楔的力系平衡条件，求出挡土墙对滑动土楔的支承反力，从而解出挡土墙墙背所受的总土压力。主动土压力的计算如图 6-9 所示挡土墙，墙背 AB 倾斜，与竖直线的夹角为 ，填土外表 AC 是一平面，与水平面的夹角为 ，假设墙背受土推向前移动，当墙后土体到达主动极限平衡状态时，整个土体沿着墙背 AB 和滑动面 BC 同时下滑，形成一个滑动的楔体?ABC。假设滑动面 BC 与水平面的夹角为 ，不考虑楔体本身的压缩变形。取土楔 ABC 为脱离体，作用于滑动土楔体上的力有:?是墙对土楔的反力 P，其作用方向与墙反面的法线成 角( 角为墙与土之间的外摩擦角
8、，称墙摩擦角);? 是滑动面 PC 上的反力 R，其方向与 BC 面的法线 角( 为土的内摩擦角);?是土楔 ABC 的重力 W。依据静力平衡条件 W、P、R 三力可构成力的平衡三角形。利用正弦定理，得:PW, ,sin(,)sin180:,(,，,)Wsin(,)P,所以 (6-12) sin(,，,) 其中 =90?-(+)假定不同的 角可画出不同的滑动面，就可得出不同的 P 值，但是，只有产生最大的 P 值的滑动面才是最危急的假设滑动面，P 大小相等、方向相反的力，即为作用于墙背的主动土压力，以 P 表之。 a对于已确定的挡土墙和填土来说，、 和 均为，只有 角是任意假定的，dP,0 当
9、 发生变化，则 W 也随之变化，P 与 R 亦随之变化。P 是 的函数， 按的条件，用 d,数解法可求出 P 最大值时的 角，然后代入式(6-12)求得主动土压力的:2,11cos(,)22,Pa,HKa,PaH 222，,，sin，sin,2,coscos(，)1，,，cos,，,cos,， (6-13)式中:、分别为填土的重度与内摩擦角; 墙背与铅直线的夹角。以铅直线为准，顺时针为负，称仰斜;反时针为正，称俯斜; 墙摩擦角，由试验或按标准确定。我国交通部重力式码头设计标准的规定22,是:?俯斜的混凝土或砌体墙承受,;?阶梯形墙承受;?垂直的混凝土或砌体,233,承受,。 32 填土外表与水
10、平面所成坡角;K主动土压力系数，无因次，为 、 的函数。可用下式计算;a 2,cos(,) ,Ka2，,sin(，)sin(,)2,coscos(，)1，,cos(,，,)cos(,)，假设填土面水平，墙背铅直光滑。即 =0，=0， 0=0 时，公式(6-13)即变为1,22P,Htg(45:,) ,a22此式与填土为砂性土时的朗肯土压力公式一样。由此可见，在确定的条件，两种土压力理论得到的结果是一样的。由式(6-13)可知，P 的大小与墙高的平方成正比，所以土压力强度是按三角形分布的。a1P 的作用点距墙底为墙高的。按库伦理论得出的土压力 P 分布如图 6-10 所示。土压力的 aa3方向与
11、水平面成(+)角。深度 z 处的土压力强度为1dPda,2 (6-14) p,zKa,zKaaz,2dzdz,留意，此式是 P 对铅直深度 z 微分得来，p 只能代表作用在墙背的铅直投影高度上的 aaz某一点的土压力强度。被动土压力的计算被动土压力计算公式的推导，与推导主动土压力公式一样，挡土墙在外力作用下移向填土，当填土到达被动极限平衡状态时，便可求得被动土压力计算公式为12Pp,HKp (6-15) 2式中:K被动土压力系数，可用下式计算; P 2,cos(，),Kp2，,sin(，)sin(，)2,coscos(,)1,cos(,)cos(,)， 关于朗肯和库伦土压力理论的简洁说明1) 朗肯和库伦土压力理论都是由墙后填土处于极限平衡状态的条件得到的。但朗肯理论求得是墙背各点土压力强度分布，而库伦理论求得是墙背上的总土压力。2) 朗肯理论在其推导过程中无视了墙背与填土之间的摩擦力，认为墙背是光滑的，计算的主动土压力误差偏大，被动土压力误差偏小，而库伦理论考虑了这一点，所以，主动土压力接近于实际值，但被动土压力由于假定滑动面是平面误差较大，因此，一般不用库伦理论计算被动土压力。3) 朗肯理论适用于填土外表为水平的无粘性土或粘性土的土压力计算，而库伦理论只适用于填土外表为水平或倾斜的无粘性土，对无粘性土只能用图解法计算。