2017秋《油气井工程设备与工具》复习资料答案

土力学与地基基础土力学与地基基础SoilMechanicsandFoundationEngineering主讲人：土力学与地基基础第一节土压力概述第二节静止土压力计算第三节朗肯土压力理论第四节库仑土压力计算理论第五节几种常见情况的土压力第六节挡土墙设计第七章土压力与挡土墙设计土力学与地基基础本章提要•土压力是与土的抗剪强度有关的问题，也是土力学重要问题之一。学习本章时，要熟悉土压力的类型及它们产生的条件和适用范围，熟练掌握土压力计算方法。土力学与地基基础学习目标•要熟悉土压力的类型及它们产生的条件和适用范围，熟练掌握土压力计算方法。学习朗肯土压力理论假设条件、主动土压力、被动土压力。要求掌握朗肯假设条件，熟练掌握其计算方法。学习库仑土压力理论假设条件、数值解法与库尔曼图解法，要求掌握其假设条件及数值解法，从分析方法与计算误差上比较两个理论的不同。•本章学习中要求掌握几种常见情况的主动土压力计算。土力学与地基基础第一节土压力概述•土压力：土体作用在挡土结构物上的压力(图7-1)，土压力的大小及分布规律主要与土的性质及结构物位移的方向、大小和结构物的刚度、高度及形状等有关。土力学与地基基础工程上常用挡土墙类型土力学与地基基础一、挡土结构类型对土压力分布的影响•挡土墙按其刚度和位移方式分为刚性挡土墙、柔性挡土墙和临时支撑三类。•1．刚性挡土墙：用砖、石或混凝土所筑成的断面较大的挡土墙。由于刚度大，墙体在侧向土压力作用下，仅能发生整体平移或转动的挠曲变形可忽略。墙背受到的土压力呈三角形分布，最大压力强度发生在底部，类似静水压力分布。•2．柔性挡土墙：当墙身受土压力作用时发生挠曲变形。•3．临时支撑：边施工边支撑的临时性支挡结构。土力学与地基基础静止土压力被动土压力主动土压力土压力二、墙体位移与土压力类型土力学与地基基础•1.静止土压力（E0）：墙受侧向土压力后，墙身变形或位移很小，可认为墙不发生转动或平移，墙后土体没有破坏，处于弹性平衡状态，墙上承受土压力称为静止土压力E0。土力学与地基基础•2.主动土压力（Ea）：挡土墙在填土压力作用下，背离填土方向移动或沿墙跟转动，土压力逐渐减小，直至土体达到极限平衡状态，形成滑动面，此时的土压力称为主动土压力。土力学与地基基础•3.被动土压力（Ep）：挡土墙在外力作用下向着土体的方向移动或转动，土压力逐渐增大，直至土体达到极限平衡状态，形成滑动面。此时的土压力称为被动土压力Ep。土力学与地基基础•同样填土高度的挡土墙，作用有不同性质的土压力时见图7-3，有如下的关系：EpE0Ea。•在工程中需定量地确定这些土压力值。土力学与地基基础三、影响土压力的因素•(1)挡土墙的位移方向和位移量；•(2)挡土墙的形状、墙背的光滑程度和结构形式；•(3)墙后填土的性质，包括填土的重度、含水量、内摩擦角和黏聚力的大小及填土面的倾斜程度。土力学与地基基础四、研究土压力的目的研究土压力的目的主要在于：•1．设计挡土构筑物，如挡土墙，地下室侧墙，桥台和贮仓等；•2．地下构筑物和基础的施工、地基处理方面；•3．地基承载力的计算，岩石力学和埋管工程等领域。土力学与地基基础第二节静止土压力计算•设一土层，表面是水平的，土的容重为γ，设此土体为弹性状态，见图7-4，在半无限土体内任取出竖直平面A′B′，此面在几何面上及应力分布上都是对称的平面。对称平面上不应有剪应力存在，所以，竖直平面和水平平面都是主应力平面。土力学与地基基础0zK0ztgcf弹性平衡状态时的莫尔圆自重应力zz竖直截面上的法向应力zKx0静止土压力土力学与地基基础•在深度Z处，作用在水平面上的主应力为：•作用在竖直面的主应力为：•即为作用在竖直墙背AB上的静止土压力，与深度z呈直线线性分布。zvzKh0h土力学与地基基础E0H3H静止土压力的分布土力学与地基基础静止侧压力系数K0•静止侧压力系数K0的数值可通过室内或原位的静止侧压力试验测定。其物理意义：在不允许有侧向变形的情况下，土样受到轴向压力增量△σ1将会引起侧向压力的相应增量△σ3，比值△σ3/△σ1称为土的侧压力系数ζ或静止土压力系数K0。1130K土力学与地基基础•室内测定方法：•（1）压缩仪法：在有侧限压缩仪中装有测量侧向压力的传感器。•（2）三轴压缩仪法：在施加轴向压力时，同时增加侧向压力，使试样不产生侧向变形。•上述两种方法都可得出轴向压力与侧向压力的关系曲线，其平均斜率即为土的侧压力系数。土力学与地基基础•对于无粘性土及正常固结粘土也可用下式近似计算：'sin10K土力学与地基基础第三节朗肯土压力理论•一、基本原理•1857年朗肯提出土压力理论，主要研究自重应力作用下，半无限土体内各点的应力由弹性平衡状态发展为极限平衡状态的情况，提出计算挡土墙土压力的理论。•（一）假设条件•1．挡土墙背垂直•2．墙后填土表面水平•3．挡墙背面光滑即不考虑墙与土之间的摩擦力土力学与地基基础一、主动土压力•1．当土体静止不动时，深度Z处土单元体的应力,见图7-5a；•2．当代表土墙墙背的竖直光滑面AB面向外平移时，右侧土体的水平应力逐渐减小，而方向保持不变。当AB位移至A’B’时，应力圆与土体的抗剪强度包线相切——土体达到主动极限平衡状态。此时，作用在墙上的土压力达到最小值，即为主动土压力土力学与地基基础3133hp主动土压力计算原理)245tan(2)245(tan00213cph2450土力学与地基基础aaZKp无粘性土HH/3aHKaaaKcZKp2粘性土aHKaKc2z030zHaaKHHE202221)245(tan212202221)2)((21cKcHKHKcHKzHEaaaaa土力学与地基基础•粘性土的主动土压力由两部分组成，•第一项：为土重产生的，是正值，随深度呈三角形分布；•第二项为粘结力c引起的土压力，是负值，起减少土压力的作用，其值是常量。azKaKc2土力学与地基基础•总主动土压力应为三角形abc之面积aE222221)2)(2(21cKcHKHKcHKcHKEaaaaaa土力学与地基基础二、被动土压力•当代表土墙墙背的竖直光滑面AB面在外力作用下向填土方向移动，挤压土体时，将逐渐增大，直至剪应力增加到土的抗剪强度时，应力圆又与强度包线相切，达到被动极限平衡状态图7-5c和图7-5e。此时作用在A’B’面上的土压力达到最大值，即为被动土压力，Pp。土力学与地基基础13被动土压力计算原理11hp)245tan(2)245(tan00231cph外力滑动方向2450土力学与地基基础ppZKp无粘性土HH/3pHKpppKcZKp2粘性土paKcHK2pKc2ppKHHE202221)245(tan21pppKcHKHE2212土力学与地基基础第四节库仑土压力计算理论•1776法国库仑提出土压力理论，下面进行具体论述：•一、库仑土压力方法要点：•（一）假设条件：•1.墙背倾斜，具有倾角θ；•2.墙后填土为砂土，表面倾角为角；•3.墙背粗糙有摩擦力，墙与土间的摩擦角为，且（）土力学与地基基础•4.平面滑裂面假设；•当墙面向前或向后移动，使墙后填土达到破坏时，填土将沿两个平面同时下滑或上滑；一个是墙背AB面，另一个是土体内某一滑动面BC。设BC面与水平面成θ角。•5.刚体滑动假设：•将破坏土楔ABC视为刚体，不考虑滑动楔体内部的应力和变形条件。•6.楔体ABC整体处于极限平衡条件，见图7-7。土力学与地基基础•（二）取滑动楔体ABC为隔离体进行受力分析•分析可知：作用于楔体ABC上的力有（1）土体ABC的重量W，（2）下滑时受到墙面AB给予的支撑反力E（其反方向就是土压力）。（3）BC面上土体支撑反力R。•1．根据楔体整体处于极限平衡状态的条件，可得知E、R的方向，见图7-7。•2．根据楔体应满足静力平衡力三角形闭合的条件，可知E、R的大小•3．求极值，找出真正滑裂面，从而得出作用在墙背上的总主动压力Ea和被动压力Ep。土力学与地基基础一、主动土压力按库伦理论求主动土压力WREWREACB土力学与地基基础•利用正弦定律可得0180sin)sin(WEsinsinWEsincoscos222conHABCW土力学与地基基础库伦主动土压力的一般表达式：22221cos()2sin()sin()coscos()1cos()cos()aEH或212aaEHK0dEdEmax所对应的挡土墙后填土的破坏角cr，即为真正滑动面的倾角。土力学与地基基础二、被动土压力按库伦理论求被动土压力WREWREACB土力学与地基基础按求主动土压力同样的原理可求得被动土压力的库伦公式为：2222)cos()cos()sin()sin(1)cos(cos)(cos21HEp或ppKHE221土力学与地基基础三、土压力计算方法的一些问题——朗肯理论与库伦理论的比较1.朗肯土压力理论：（1）依据：半空间的应力状态和土的极限平衡条件（2）概念明确、计算简单、使用方便（3）理论假设条件（4）理论公式直接适用于粘性土和无粘性土（5）由于忽略了墙背与填土之间的摩擦，主动土压力偏大，被动土压力偏小。土力学与地基基础2.库伦土压力理论：（1）依据：墙后土体极限平衡状态、楔体的静力平衡条件（2）理论假设条件（3）理论公式仅直接适用于无粘性土（4）考虑了墙背与土之间的摩擦力，并可用于墙背倾斜，填土面倾斜的情况。但库伦理论假设破裂面是一平面，与按滑动面为曲面的计算结果有出入。土力学与地基基础第五节几种常见情况的土压力•一、成层土层的压力•墙后填土由性质不同的土层组成时，土压力将受到不同填土体性质的影响。下图：墙后填土为无粘性土时土压力分布图土力学与地基基础二、墙后填土中有地下水位•当墙后填土中有地下水位时，计算土压力时，在地•下水位以下的应用。同时地下水对土压力产•生影响，主要表现为：•（1）地下水位以下，填土重量将因受到水的浮力而减少；•（2）地下水对填土的强度指标C中的影响，一般认为对砂性土的影响可以忽略；但对粘性填土，地下水使C，值减小，从而使土压力增大。•（3）地下水对墙背产生静水压力作用。土力学与地基基础•填土内有地下水的情况0aaPaaKhPb1aadaKhKhP212221hEww土力学与地基基础•作用在挡土墙上的总压力应为总土压力与水压力之和。22222121212121hKhKhhKhEEEwaaawa土力学与地基基础三、填土表面有荷载作用•（一）连续均匀荷载•1．当挡土墙墙背垂直，在水平面上有连续均布荷载q作用时。•(a)无粘性土（b）粘性土土力学与地基基础•作用在墙背面的土压力Pa由三部分组成：•（1）是由均布荷载q引起，常数，与z无关；•（2）是由土重引起，与z成正比；•（3）是由内聚力引起。土力学与地基基础•总土压力Ea为上图a和b图形面积差。•即：01(2)()2aaaaEqkrHkckHz土力学与地基基础•（二）局部荷载作用•若填土表面有局部荷载q作用时，见图7-15a和b所示，有两种情况，主动土压力可以按下述方法计算。土力学与地基基础•若填土表面的荷载是从墙后某一距离开始，见图7-15a，可自均布荷载起点O引2条直线OD和OE，OD与水平面夹角为，OE与填土的破坏面平行，与水平夹角为θ。OD和OE分别交墙背于D点和E点。当墙背垂直、光滑时，θ=45°+φ/2；当墙背倾斜与粗糙时，θ则按库仑土压力计算，可参