库伦土压力计算

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土压力计算原理

延长墙背法是一种简化的近似方法，由于计算简便，该方法至今仍在工程界得到广泛应用。但是它的理论根据不足，给计算带来一定的误差，这主要是忽略了延长墙背与实际墙背之间的土体重力及作用在其上的荷载，但多考虑了由于延长墙背与实际墙背上土压力作用方向的不同而引起的竖直分量差，虽然两者能相互补偿，但未必能抵消。此外，在计算假想墙背上的土压力时，认为上墙破裂面与下墙破裂面平行，实际上一般情况下两者是不平行的，这是产生误差的第二个原因。
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，说明：土压力强度分布图只代表强度大小，不代表方向与墙背法线成δ，与水平面作用方向。成（α＋δ）
二、库仑土压力计算被动土压力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：
1 2 E p H 2
cos 2 ( ) sin( ) sin( ) cos cos( ) 1 cos( ) cos( )
已知地震力与破裂棱体自重的合力Wδ的大小和方向，并且假定地震条件下土体的内摩擦角φ 与墙背摩擦角δ不变，则墙后破裂棱体上的平衡力系如下图a所示。若保持挡土墙和墙后棱体位置不变，将整个平衡力系转动θδ角使Wδ处于竖直方向，如下图b所示。由于没有改变平衡力系中三力之间的相互关系，即力三角形abc转动前后没有发生改变（如下图c所示），所以这种改变不会影响Ea的计算。由下图b可以看出，只要用右侧各值取代γ、δ、φ时，地震力作用下的力三角形Abc与一般情况下的力三角形abc完全相似，可以直接采用一般库伦土压力公式进行地震土压力的计算。
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（ 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。

库仑主动土压力计算

1．库仑主动土压力（1）库仑主动土压力计算如图6-12(a)所示，设挡土墙高为h，墙背俯斜，与垂线的夹角为，墙后土体为无粘性土（c=0），土体表面与水平线夹角为，墙背与土体的摩擦角为。

挡土墙在土压力作用下将向远离主体的方向位移（平移或转动），最后土体处于极限平衡状态，墙后土体将形成一滑动土楔，其滑裂面为平面BC，滑裂面与水平面成角。

沿挡土墙长度方向取１m进行分析，并取滑动土楔ABC为隔离体，作用在滑动土楔上的力有土楔体的自重W，滑裂面BC上的反力R和墙背面对土楔的反力E（土体作用在墙背上的土压力与E大小相等方向相反）。

滑动土楔在W，R，E的作用下处于平衡状态，因此三力必形成一个封闭的力矢三角形，如图6-12（b）所示。

根据正弦定理并求出E的最大值即为墙背的库仑主动土压力：图6-12库仑主动土压力计算(a)挡土墙与滑动土楔（b）力矢三角形公式推导（6-12）库仑主动土压力计算公式推导在图6-13（b）的力矢三角形中，由正弦定理可得：（6－12a）式中º，其余符号如图6-13所示。

土楔自重为在三角形ABC中，利用正弦定律可得：由于故在三角形ADB中，由正弦定理可得：于是土楔自重可进一步表示为将其代入表达式（6-12a）即可得土压力E的如下表达式：E的大小随角而变化，其最大值即为主动土压力E a。

令求得最危险滑裂面与水平面夹角0=45º+/2，将0代入E的表达式即得主动土压力E a的如下计算公式：这里式中K a为库仑主动土压力系数，其值为：（6-13）2．库仑被动土压力库仑被动土压力计算公式的推导与库仑主动土压力的方法相似，计算简图如图6-14，计算公式为：（6－14）作用点在离墙底H/3处，方向与墙背法线的夹角为式中K p为库仑被动土压力系数，其值为：（6－15）库仑被动土压力强度分布图也为三角形，E p的作用方向与墙背法线顺时针成角，作用点在距墙底h/3处。

图6－15 库仑被动土压力计算（a）挡土墙与滑动土楔（b）力矢三角形特别提示当墙背垂直（=0）、光滑（=0）、土体表面水平（=0）时，库仑土压力计算公式与朗肯土压力公式一致。

挡土墙土压力计算朗肯库仑

第六章
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（二）坦墙土压力计算
• 当墙背倾角α>45°-/2时，滑动土楔不再沿墙背滑动，墙后土体中出现两个滑动面的挡土墙称为坦墙。
第六章
第23页/共43页
第六章
αcr=45°-/2
第24页/共43页
第六章
第25页/共43页
（四）填土成层和有地下水时的土压力计算
(a)
(b)
(c)
1h1Ka1
1h1Ka1
地下水水位以下用浮容重和水下的值
第六章
第26页/共43页
（三）填土表面有均布荷载作用时
q
σz
z
H pa
qKa γHKa
第六章
第27页/共43页
第四节库伦土压力理论
• 库伦土压力理论是从楔体的静力平衡条件得出的。 • 基本假设：
a.滑动破裂面为通过墙踵的平面（平面滑裂面）。
• 不同点：朗肯理论从土体中一点的极限平衡状
态出发，由处于极限平衡状态时的大小主应力关系求解（极限应力法）；
库伦理论根据墙背与滑裂面之间的土
楔处于极限平衡，用静力平衡条件求解（滑动楔体法）。
第六章
第38页/共43页
二、朗肯与库伦理论的适用范围
朗肯理论的适用范围： • 1．=0，α=0，=0； • 2． α =0，<且> ； • 3． >0， α >(45°- /2)的坦墙； • 4．L型钢筋混凝土挡土墙； • 5．填土为粘性土或无粘性土。
挡土墙土压力计算朗肯库仑
第一节概述
挡土墙：用来侧向支持土体的结构物，统称为挡土墙。
土压力：被支持的土体
作用于挡土墙
上的侧向压力。

库仑土压力理论

库仑土压力理论1776年法国的库伦（C.A.Coulomb）根据极限平衡的概念，并假定滑动面为平面，分析了滑动楔体的力系平衡，从而求算出挡土墙上的土压力，成为著名的库伦土压力理论。

一、基本原理库伦研究了回填砂土挡土墙的土压力，把挡土墙后的土体看成是夹在两个滑动面（一个面是墙背，另一个面在土中，如图6－12中的AB和BC面）之间的土楔。

根据土楔的静平衡条件，可以求解出挡土墙对滑动土楔的支撑反力，从而可求解出作用于墙背的总土压力。

这种计算方法又称为滑动土楔平衡法。

应该指出，应用库伦土压力理论时，要试算不同的滑动面，只有最危险滑动面AB对应的土压力才是土楔作用于墙背的Pa或Pp库伦理论的基本假设：1.墙后填土为均匀的无粘性土（c=0），填土表面倾斜（β＞0）；2.挡土墙是刚性的，墙背倾斜，倾角为ε；3.墙面粗糙，墙背与土本之间存在摩擦力（δ＞0）；4.滑动破裂面为通过墙踵的平面。

二、主动土压力计算如图所示，墙背与垂直线的夹角为ε，填土表面倾角为β，墙高为H，填土与墙背之间的摩擦角为δ，土的内摩擦角为φ，土的凝聚力c=0，假定滑动面BC通过墙踵。

滑裂面与水平面的夹角为α，取滑动土楔ABC作为隔离体进行受力分析（图6－11b）。

土楔是作用有以下三个力：1．土楔ABC自重W，由几何关系可计算土楔自重，方向向下；2．破裂滑动面BC上的反力R，大小未知，作用方向与BC面的法线的夹角等于土的内摩擦角φ，在法线的下侧；3．墙背AB对土楔体的反力P（挡土墙土压力的反力），该力大小未知，作用方向与墙面AB的法线的夹角δ，在法线的下侧。

土楔体ABC在以上三个力的作用下处于极限平衡状态，则由该三力构成的力的矢量三角形必然闭合。

已知W的大小和方向，以及R、P的方向，可给出如图所示的力三角形。

按正弦定理可求得：求其最大值（即取dP/dα=0），可得主动土压力式中Ka为库伦主动土压力系数，可按下式计算确定沿墙高度分布的主动土压力强度pa可通过对式（6－21）微分求得：由此可知，主动土压力强度沿墙高呈三角形分布，主动土压力沿墙高的分布图形如图所示。

挡土墙抗倾覆稳定性验算

为求得E的极大值，可令dE/dα＝0，从而解得最危险滑动面的倾角α（过程略），再将此角度代入上式，整理后可得库仑主动土压力计算公式为：
其中，
称为库仑主动土压力系数，由上式见，库仑主动土压力系数与内摩擦角φ，墙背倾角ε，外摩擦角δ，以及填土面倾角β有关，参见P182表9---1。
数，因此，被动土压力强度pp=γzKp，沿墙高仍呈三角形分布，合力作用点在墙高1/3处，EP的作用方向与墙背法线成δ角，在外法线的下侧。
三、挡土墙稳定性验算
1．挡土墙抗倾覆稳定性验算
图（a）表示一具有倾斜基底的挡土墙，设在挡土墙自重G和主动土压力Ea作用下，可能绕墙趾O点倾覆，抗倾覆力矩与倾覆力矩之比称为抗倾覆安全系数Kt
当挡土墙在外力作用下推向土体时，墙后填土作用在填背上的压力随之增大，当位移量达到一定值时，填土中出现过墙踵的滑动面BC，形成三角形土楔体，此时，土体处于极限平衡状
态。
此时土楔ABC在自重G、反力R及E三力作用下静力平衡，与主动平衡状态相反，R和E的方向均处于相应法线的上方，三力构成一闭合力矢三角形。
第十二讲土压力
-------库伦理论
§ 库仑土压力理论
一、假设
（1）当墙后填土达到极限平衡状态时，其滑动面为一平面；
（2）填土面为坡角β的平面，且无超载；
（3）墙后填土为C=0的无粘性均质土体；
（4）墙背粗糙，有摩擦力，墙与土的摩
擦角为δ（称为外摩擦角）；
Charles- Auguste de
其中：
式中：μ—— 挡土墙基底对地基的摩擦系数若验算结果不能满足上式要求时，可采取下列措施：（1）增大挡土墙断面尺寸，增加墙身自重以增大抗滑力；（2）在挡土墙基底铺砂石垫层，提高摩擦系数μ，增大抗滑力；（3）将挡土墙基底做成逆坡，利用滑动面上部分反力抗滑；（4）在墙踵后加钢筋混凝土拖板，利用拖板上的填土自重增大

45几种常见情况下的土压力计算

4.5.2 填土面有均布荷载 1)、连续均布荷载 (1)、墙背竖直、填土表面水平：
当量土层厚度：
h q r
h' q
a

a
q

d
h
b qKa hKa c
z处的垂直应力为：
q
z

z

q
主动土压力强度为：
p ( z q )tg（2 45 ）
σz
a
z
2
总的土压力为：
Ka2 1h1Ka2 2c2
Ka2
a3

2
(
1h1 2

h2 )K a2

2c2
Ka2
( 1h1 2h2 )Ka2 2c2 Ka2
可见，土层分界面处，a有突变
(a)
(b)
(c)
11 h1
22 h2
1h1 K a1
1h1 K a1 1h1 Ka2
应为H+h’。为清楚起见，将A点附近的图形放大，根据图中
h h' h
A的几E 何关系，有：AE=h，AA’cos(-)=AEcos，
h’=AA’q cos，于是得到：
A
p aA
A' E
h h cos cos cos( )
A
然后以A'B为墙背，按土体表面无荷载时的情况计算土压
荷载按第二层土的重度换算为当量土层高度h1，即
h1

1(H1
2
h)
相应的墙高计算值应为：
h1

h1
cos cos(
cos )
故在第二层土的顶面处： paC下 2h1Ka2 第二层土的底面处： paB 2 (H2 h1 )Ka2

库伦压力理论

库仑土压力理论（2012-10-25 16:45:19）基本原理库伦研究了回填砂土挡土墙的土压力，把挡土墙后的土体看成是夹在两个滑动面（一个面是墙背，另一个面在土中，如图6- 12中的AB和BC面）之间的土楔。

根据土楔的静平衡条件，可以求解出挡土墙对滑动土楔的支撑反力，从而可求解出作用于墙背的总土压力。

这种计算方法又称为滑动土楔平衡法。

应该指出，应用库伦土压力理论时，要试算不同的滑动面，只有最危险滑动面AB对应的土压力才是土楔作用于墙背的P a或P p。

库伦理论的基本假设：1.墙后填土为均匀的无粘性土（c=0）,填土表面倾斜（B> 0）;2.挡土墙是刚性的，墙背倾斜，倾角为8 ;3.墙面粗糙，墙背与土本之间存在摩擦力（8 > 0）;4.滑动破裂面为通过墙踵的平面。

(a )(b )(c )图6- 11库伦主动土压力计算图式主动土压力计算如图6- 11所示，墙背与垂直线的夹角为 £，填土表面倾角为B ，墙高为H,填土与墙背之间的摩擦角为8，土的内摩擦角为$, 土的凝聚力c=0，假定滑动面BC 通过墙踵。

滑裂面与水平面的夹角为a ,取滑动土楔ABC 作为隔离体进行受力分析(图6- 11b )o 土楔是作用有以下三个力：1. 土楔ABC 自重W 由几何关系可计算土楔自重，方向向下；W&2.破裂滑动面BC上的反力R大小未知，作用方向与BC面的法线的夹角等于土的内摩擦角$,在法线的下侧;3.墙背AB对土楔体的反力P（挡土墙土压力的反力）, 该力大小未知，作用方向与墙面AB的法线的夹角8 , 在法线的下侧。

土楔体ABC在以上三个力的作用下处于极限平衡状态，则由该三力构成的力的矢量三角形必然闭合。

已知W的大小和方向，以及R、P的方向，可给出如图6- 11c所示的力三角形。

按正弦定理可求得："妙诚“（6-20）求其最大值（即取d P/d a =0）,可得主动土压力卜21）式中K a为库伦主动土压力系数，可按下式计算确定cos (0 - &)in" + - /I)cos(^ + - /J)沿墙高度分布的主动土压力强度Pa可通过对式（6 - 21）微分求得:由此可知，主动土压力强度沿墙高呈三角形分布，主动土压力沿墙高的分布图形如图6—12所示。

基于库仑理论的粘性土主动土压力的计算

基于库仑理论的粘性土主动土压力的计算黄玉萍（福建交通职业技术学院 350007）The calculating and conveniently of initiative soil pressure of visciditybasedon Coulomb(C) of theories[提要]本文以库仑理论为基础，对粘性土主动土压力的计算提出了一种较为简便且适用面较广的方法。

[关键词]库仑理论粘性土主动土压力计算Abstract:This text is based on one Coulomb(C) of theories, to cohesivesoil calculation of active earth pressure , propose one comparatively simpleand convenient and suitable wider methods.Key words: Coulomb(C) of theories cohesive soil calculation of active earth pressure在土压力的计算理论中，库仑理论因其概念清楚，适用范围较广而被广泛应用于挡墙的主动土压力的计算中。

但是，库仑理论把填土视为无粘性并假定其内聚力为0，这与工程实际不相符。

为此，如何在计算中考虑土的粘性，就成了业界广泛研究的对象，现行的相关“规范”也提出了计算方法。

但是，现行规范中的计算方法，因其仅针对几种模式提出的，当实际情况与“现成模式”不相符时，就会变得无所适从。

本文粘性土的主动土压力将工程中常用的简化处理方式公式化，便于按摩仓理论求解。

1 滑动体上无荷载时，粘性土的主动土压力计算的基本公式推导1·1基本假定仍以库仑理论为基础，墙后填土达到极限状态时的破裂面为平面，该平面通过墙趾。

1·2各符号意义如下如图-1所示：H——挡墙高；γ——粘性填土的容重；α——墙背AB与垂直方向的夹角；β——填土面的倾角；c——填料间沿破裂面单位长度的粘聚力，可由土的剪切试验确定。

几种常见情况下的土压力计算

h2=3m
中砂
土体的分层情况及相关土性指标均如图示。试求主动 =20kN/m3 土=3压0°力
沿挡墙墙高的分布。
35.3kPa
解：第一层土，1=20，故有：
K a1
tan（2 45
1
2
）
tan（2 45
20 ） 2
0.490
第二层土，2=30，故有：
K a2
tan（2 45
2
2
）
tan（2 45
30 ） 2
1h1 K a1 1h1 K a2
1h1 K a1 1h1 K a2
1h1 2h2 Ka2
1 2 1 2
1h1 2h2 Ka2
1 2 1 2
1h1 2h2 Ka2
1 2 1 2
2)、墙背及填土表面倾斜：
计算中近似地将各分层面假想为与土体表面平行。相应的计算方法是：对于第一层土可按前述均匀土层的计算方法进行计算；计算下层土的土压力时，可将上层土的重力连同外荷载一起当作作用于下层土（分界面与表层土体表面平行）上的均布荷载，然后按上条所述的方法进行计算，但其有效范围应限制在下层土内。现以下图为例说明具体方法：
第一层土的顶面处： paA 1hKa1 第一层土的底面处： paC上 1 ( H1 h)Ka1
H2
H1
h'
q
A
Ea1
假想分界面 C
土层分界面
Ea2
2
B
图7-20 分层填土的主动土压力
paA
paC上 paC下
paB
上列式中的h’可计算求得。
在计算第二层土的土压力时，将第一层土的重力连同外
背法线成角。
如果工程中对计算精度的要求不高，在计算分层土的土压力时，也可将各层土的重度和内摩擦角按土层厚度加权平均，然后近似地把土体当作均质土求土压力系数Ka并计算土压力。这样所得的土压力及其作用点和分层计算时是否接近要看具体情况而定。

挡土墙设计主动土压力计算

式中：γ——墙后填土的容重，kN/m3； Φ——填土的内摩擦角，º； δ——墙背与填土间的摩擦角，º； β——墙后填土表面的倾斜角，º； α——墙背倾斜角（º），俯斜墙背α为正，仰斜墙背α为负； H——挡土墙高度，m； Ka——主动土压力系数。
土压力的水平和垂直为：

E x E a cos( ) E y E a sin( )
1 2 cos( ) sin( ) 2 G H sec 2 cos( )
1.破裂面交于内边坡
sin(90 ) cos( ) Ea G G sin( ) sin( )
1 2 cos( ) sin( ) 2 G H sec 2 cos( )
8、一般条件下库伦主动土压力计算
挡土墙库仑土压力理论
挡土墙土压力计算时应用了库仑（Coulomb）土压力理论，通过对墙背后破坏棱体的受力分析，得到土压力的反力E是破裂角的函数，即 E f ()，再求E的极值可以得到主动土压力和被动土压力。库仑法的假定为：破裂面为平面且通过墙踵、填料为砂性土(c=0)、墙背存在摩擦、挡墙和破坏土体为刚体。
南京工业大学交通学院
挡土墙土压力考虑
1、主动土压力与被动土压力的区分：
假定挡土墙处于极限移动状态，土体有沿墙及假想破裂面移动的趋势，则土推墙即为主动土压力，墙推土即为被动土压力。
2、路基挡土墙的土压力考虑：
路基挡土墙一般都有可能有向外的位移或倾覆，因此，在设计中按墙背土体达到主动极限平衡状态考虑，且取一定的安全系数以保证墙背土体的稳定。墙趾前土体的被动土压力一般不计。
南京工业大学交通学院
用土压应力分布图计算主动土压力

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