非極限狀態(tài)擋土墻主動土壓力探討

劉紅巖

【摘要】隨著現(xiàn)代科技的不斷進(jìn)步，我國的各行各業(yè)都有了極快的發(fā)展。建筑業(yè)作為我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)行業(yè)之一，其相關(guān)技術(shù)也隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展而不斷進(jìn)步，進(jìn)而提升了我國建筑業(yè)的整體發(fā)展。本文即是對非極限狀態(tài)擋土墻動土壓力進(jìn)行的探討，利用薄層單元法對其進(jìn)行研究，了解到了擋土墻的動土壓力主要是由于墻后體的填土在平衡狀態(tài)下會發(fā)生楔形土體變形情況，視這一楔形土體與填土坡形成的薄面為微分單元體，通過對這一微分單元體上的受力情況分析整個擋土墻在非極限狀態(tài)下的受力情況，得到相應(yīng)壓力的計算公式。同時經(jīng)過分析后了解到，在平動模式下的剛性擋土墻在非極限狀態(tài)時，其自身抗傾覆能力較差，具有著極大的不穩(wěn)定性，需要相關(guān)人員進(jìn)行著重注意。

【關(guān)鍵詞】擋土墻；非極限狀態(tài)；主動土壓力；薄層單元法

擋土墻指的是在建設(shè)道路的過程中制成路基的填土結(jié)構(gòu)或山坡土體的加固結(jié)構(gòu)，其可以起到保持周圍土體不變形，維持土體穩(wěn)定的作用。在擋土墻的橫斷面中，與被支撐土體相接觸的結(jié)構(gòu)被稱為墻背，與其相對應(yīng)的被稱為墻面，與路基相接處的被稱為基底，基底的前端為墻趾，后端為墻踵，與基底對應(yīng)的是墻頂。根據(jù)擋土墻本體的剛度不同，可以將其分為3大類，分別是剛性、柔性以及臨時支撐性擋土墻；而如果根據(jù)其所處環(huán)境的不同，也可以被分為3大類，分別是一般區(qū)域、浸水區(qū)域以及地震區(qū)域擋土墻。

一、在非極限狀態(tài)下的主動土壓力計算

從擋土墻本身建筑完成的初始靜止?fàn)顟B(tài)開始計算，到擋土墻開始位移，并達(dá)到了極限主動狀態(tài)的臨界點(diǎn)，將這兩個時間點(diǎn)之間的狀態(tài)稱為準(zhǔn)主動狀態(tài)，也就是非極限狀態(tài)。而在這種狀態(tài)之下填土所產(chǎn)生的土壓力就被稱為非極限土壓力。在本文的分析當(dāng)中，排除了研究中擋土墻中含有粘性土質(zhì)，并假定其土質(zhì)理想均勻化，并且對填土坡面所產(chǎn)生的超載情況不予考慮。當(dāng)擋土墻處在非極限狀態(tài)下時，形成了一種楔形土體。同時假定擋土墻的準(zhǔn)滑動面總是通過擋土墻墻底的墻踵。其具體的模型如下：

圖1 擋土墻非極限狀態(tài)圖

（一）相關(guān)參數(shù)的計算公式

從圖1中可以看出，其中的楔形土體 中任意選取一個能夠平行于填土坡面的微單原體，這一微單元體距離地面的高度為 ，其厚度可以視為 ，其在主動狀態(tài)下的受力情況如圖2所示。其中作用在這一微單元體上的力視為 ，其單元體底面所形成的反向力可以視為 ，擋土墻本身所受到的反作用力為 ，墻體與土面的摩擦力可以用 來進(jìn)行表示，而不動土體對于這一微單元體的摩擦力可以用 來表示。其中 與楔形土體 是處于垂直狀態(tài)的，而微單元體本身所受到的重力受力大小可以用 來進(jìn)行表示。而如圖1所示，其中 表示擋土墻墻背的傾斜角，而 則是在指擋土墻后與墻背后的填土層所呈角度。 指的是擋土墻的滑動面 邊與水平地面所呈角度， 則是擋土墻后的填土層的重度。

圖2 微單元體受力情況示意圖

（二）擋土墻微單元體平衡公式

在本次研究當(dāng)中，假定擋土墻中并為含有黏性土質(zhì)，因此在擋土墻處在非極限狀態(tài)之下，其可以得到以下公式：

在上述公式當(dāng)中， 是擋土墻墻背部與填土層之間的摩擦角的發(fā)揮值；而 則表示的是填土層內(nèi)的摩擦角的發(fā)揮值， 是擋土墻處在非極限狀態(tài)下時其土側(cè)面所承受的壓力系數(shù)。同時，根據(jù)圖1和圖2所示，可以得到以下的幾何參數(shù)：

同時可以將作用在微單元體上的水平方向力的平衡條件表示為 ，并且可以得到以下公式：

將平衡方程下的各數(shù)據(jù)帶入上述公式當(dāng)中，可以得到以下公式：

同時可以將作用在微單元體上的垂直方向力的平衡條件表示為 ，并且可以得到以下公式：

將平衡方程下的各數(shù)據(jù)和 值公式帶入上述公式當(dāng)中，可以得到以下公式：

另外可以將作用在微單元體上的力矩平衡的平衡條件表示為 ，可以得到以下公式：

將平衡參數(shù)帶入上述公式當(dāng)中，得出擋土墻微單元體平衡公式，其具體如下：

（三）擋土墻所受土壓力的公式

由上述公式中可以看出，利用 代表在非極限情況下?lián)跬翂λ艿降膫?cè)面土壓力具體如下：

并將擋土墻所受到的豎向應(yīng)力、水平應(yīng)力、墻背反應(yīng)力以及在非極限狀態(tài)下的主動土壓力合力的分析，可以將擋土墻所受到的土壓力合力作用點(diǎn)位置用以下公式來進(jìn)行表示：

二、 和 對非極限狀態(tài)下主動土壓力變化的影響

在非極限狀態(tài)之下，擋土墻所受到的側(cè)面壓力、土壓力的合理以及土壓力的作用點(diǎn)主要就是取決于擋土墻本身的角度 和 ，并且擋土墻本身的剛度系數(shù) 和 也能夠?qū)跬翂λ艿耐饬Ξa(chǎn)生影響。同時，從研究中可以看出，代表剛度系數(shù)的 和 的數(shù)值大小是與擋土墻本身在極限狀態(tài)之下其背側(cè)的填土層所產(chǎn)生的內(nèi)摩擦角 和擋土墻本身的位移比值 有著重要的關(guān)系。

由此可見，在對擋土墻本身在非極限狀態(tài)下所能夠承受的主動土壓力進(jìn)行計算的過程中，一定要著重考慮到 、 、 、 這四個數(shù)值。并且在考慮擋土墻發(fā)生為以后處在非極限狀態(tài)下，在移動過程中所承受的主動土壓力，其擋土墻背側(cè)的剛度系數(shù)主要是隨著擋土墻本身的位移變化而變化的。但是其中的擋土墻角度 和 本身是不產(chǎn)生任何變化的。由此可見，在理想狀態(tài)之下，在土質(zhì)中不含有黏性土質(zhì)，并且其是呈現(xiàn)絕對均勻分布的情況時，擋土墻所產(chǎn)生的位移是絕對的平行位移，其本身與地面的角度不變，并且能夠保證自身所承受的壓力。

三、對擋土墻傾覆力矩的影響分析

在擋土墻的建設(shè)和應(yīng)用過程中，最需要注意的就是防止擋土墻本身產(chǎn)生傾覆，這樣會對其周圍的擋土墻結(jié)構(gòu)造成較大的損害，并且很可能影響整個路段的路基的穩(wěn)定性，進(jìn)而影響整體道路的施工質(zhì)量和使用壽命。因此，在對非極限狀態(tài)下?lián)跬翂χ鲃油翂毫M(jìn)行分析的過程中一定要考慮擋土墻本身的傾覆力矩的變化，以及能夠?qū)ζ鋬A覆造成影響的相關(guān)因素。

對擋土墻的墻底部進(jìn)行力矩的選擇，則可以將擋土墻傾覆力矩用 來進(jìn)行表示，其具體可以用公式 來表示。根據(jù)相關(guān)研究可以看出，擋土墻在主動狀態(tài)下所具有的傾覆力矩 會被填土層內(nèi)產(chǎn)生的摩擦角 和擋土墻本身所產(chǎn)生的位移比例 所影響，其數(shù)值的大小會隨著填土層內(nèi)產(chǎn)生的摩擦角 和擋土墻本身所產(chǎn)生的位移比例 的增加而減小，二者之間呈現(xiàn)的是反比，也就是說，當(dāng)這兩個值越大的時候，擋土墻本身的穩(wěn)定性就越好，其產(chǎn)生傾覆的可能性就越小，表明擋土墻在非極限狀態(tài)下的穩(wěn)定性越強(qiáng)。

結(jié)語：

擋土墻結(jié)構(gòu)是道路施工過程中對于路基固定的關(guān)節(jié)性施工環(huán)節(jié)，其施工的質(zhì)量影響著工程整體的質(zhì)量。在實際應(yīng)用過程中，對于擋土墻本身在非極限狀態(tài)下所受到的主動土壓力進(jìn)行分析是保證其質(zhì)量的主要方法，利用薄層單元法對這類問題進(jìn)行研究，并通過微分方程的方式將其轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)問題就可以簡單地對工程質(zhì)量問題進(jìn)行反應(yīng)，并且在相關(guān)數(shù)值已知的情況下能夠很好地對擋土墻的受力情況進(jìn)行分析。

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