| 标题 | 临近岩质边坡挡土墙主动土压力分析 |
| 范文 | 李楷 摘 要：以临近稳定岩质边坡的刚性挡土墙为研究对象，在平移模式下，假定极限平衡状态下墙后有限无黏性填土中形成圆弧形土拱，考虑水平土层间剪应力的影响，修正水平层分析法，得到非线性分布的主动土压力表达式。据此探讨墙背和坡面倾角及其与填土间摩擦角等参数对主动土压力的影响。计算结果表明，此时主动土压力沿墙高一般为非线性分布，其合力作用点的位置有可能高于或低于墙高的下三分点。而且在某些特殊情况下，主动土压力合力大小有可能大于库仑土压力理论计算值。 关键词：挡土墙；水平层分析法；有限填土；主动土压力；土拱效应 中图分类号：TU432 文献标志码：A 0 引言 在山区道路工程中，常常出现挡土墙和稳定岩质边坡之间只有有限的空间可用于回填土料，此时就遇到了作用于墙背上的土压力如何计算的问题。由于传统的朗肯或库仑土压力理论都假定墙后填土是无限延伸的，因此它们并不适用于本课题。建筑边坡工程技术规范给出了稳定岩质坡面通过墙踵时主动土压力合力的计算公式，但都没有明确合力作用点的位置，这给挡土墙的抗倾覆分析造成了困難。周含川给出了挡土墙和边坡之间具有一定距离时更为通用的土压力合力表达式，并认为有限填土时的土压力有可能大于无限填土，但简单地假定土压力沿墙高为线性分布。但Fan等的有限元模拟表明，此时土压力强度一般为非线性分布。张孝彬等考虑相关联的流动法则，引入水平层分析法，计算了分层有限填土的主动土压力，但没有考虑填土中存在的土拱效应，也隐含着土层间不存在剪切力的假定。 刘忠玉等考虑土拱效应，对平动模式下无限填土挡土墙的研究表明，水平土层间的剪应力影响着主动土压力的分布形式及其合力作用点位置。实际上，对于墙背和稳定岩质边坡间为有限填土的工况，墙背和边坡不同的摩擦角肯定会造成填土中水平土层间存在着较为复杂的剪应力。所以，笔者参考刘忠玉等的做法，考虑填土中的土拱效应，求得水平层面上的平均剪应力，仅利用微元体的力平衡条件来推导此时主动土压力强度的表达式。 1 主动土压力理论分析 在某稳定岩质边坡坡脚修建一刚性挡土墙（图1），设墙高为H，墙后无黏性填土面水平，重度为γ，内摩擦角为φ，墙背与竖直方向夹角为α1、坡角为α2，墙背和坡面与填土之间的摩擦角分别为δ1和δ2，暂不考虑填土表面超载。当边坡较陡时，考虑墙体向外平移使得墙后填土达到极限平衡状态，此时滑动土楔应为坡面和墙背间的整个有限填土OAB。取填土面以下深度z处的水平微元CD进行分析。假定填土中形成圆弧形土拱，其中大主应力σ1将发生偏转。在墙土接触的C点、同一深度滑裂面处的D点，其大主应力σ1与水平面的夹角分别为 3 参数分析 3.1 主动土压力分布形式 式（11）表明，主动土压力分布的表达式是墙背和边坡倾斜程度及其粗糙程度的函数。这与刘忠玉等针对无限填土时的结论类似。这里仅分析墙背和岩质边坡与填土间摩擦角的影响。取α1=0°，δ1=10°，α2=70°且φ=30°，相应的计算结果示于图2。很明显，曲线形态比刘忠玉等讨论的无限填土工况更为复杂，但基本可分为中间大两端小的右凸曲线和下端大的左凸曲线等两种基本形态。式（11）表明，当墙背和边坡比较光滑时，土压力呈第二种形态；随着墙背和边坡变得粗糙，土压力值相应变小，并向第一种形态转变。 3.2 主动土压力合力 式（12）表明，增大墙背和坡面的粗糙程度可以减小主动土压力合力，而墙背俯斜时，增大墙背与竖直方向夹角则会使主动土压力合力增大，这与无限填土时结论相似。但是当边坡很缓时，填土中有可能形成按库仑滑裂面。因为按式（12）得到的土压力合力有可能小于按库仑滑裂面倾角βc计算的的土压力值。这取决于边坡与填土间的摩擦角。从式（12）可以看出，只有对于完全粗糙的挡土墙，当α2=βc时算得的主动土压力合力才与库仑理论值相等，也就是说，如边坡更缓，就会在填土内形成以βc为倾角的滑裂面，这样就可以忽略边坡的影响。不过，当坡面并非完全粗糙时，即使坡角α2=βc甚至更小，按库仑理论算得的主动土压力系数都小于式（12）的结果，这样，岩质边坡表面仍然是滑裂面。 3.3 主动土压力合力作用点 从式（14）可以看出，随着墙背和边坡变得粗糙，合力作用点位置会随之提高。当主动土压力分布为中间大两端小形式时，合力作用点位置都高于墙背的下三分点，反之，当主动土压力分布为下端大形式时，合力作用点位置都低于墙背的下三分点。因此，不能简单地将主动土压力分布简化为三角形分布，因为这种做法意味着合力作用点位于墙背的下三分点。这将会高估墙背和坡面都很粗糙的挡土墙的抗倾覆稳定性，同时却低估墙背和坡面都比较光滑的挡土墙的抗倾覆稳定性。 式（14）还表明，合力作用点位置会随边坡或墙背变陡而提高；对于墙背和坡面都相对光滑的工况，在边坡较缓时，合力作用点位置可以很低，甚至低于墙高的下1/3。 结论 （1）对临近稳定岩质边坡的刚性挡土墙，主动土压力分布形式受墙背和边坡倾角及其粗糙程度、填土性质等因素的影响。 （2）滑动面倾角有可能缓于库仑理论值，且主动土压力合力有可能比库仑理论值还大。 （3）当墙背和坡面较陡且都比较粗糙时，主动土压力合力作用点较高，可能高于墙背的下三分点。 参考文献 [1]GB 50330—2013，建筑边坡工程技术规范[S]. [2]周含川.有限土体主动土压力计算及探讨[J].重庆建筑，2009，12（8）：35-37. [3]FAN C-C， FANG Y-S. Numerical solution of active earth pressures on rigid retaining walls built near rock faces [J]. Computers and Geotechnics， 2010， 37（10）： 1023-1029. [4]张孝彬，乐金朝，马清文.分层有限填土路基挡土墙主动土压力计算[J].中外公路，2014，34（6）：16-20. [5]刘忠玉，陈捷.平动模式下考虑剪应力作用的刚性挡土墙主动土压力计算[J].岩土工程学报，2016，38（12）：2254-2261. |
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