吳建新

(張家口路緣公路工程有限責(zé)任公司)

土壓力是擋土墻設(shè)計(jì)的主要荷載。作用在擋土墻上的主要力系、情況不同,可以形成不同性質(zhì)的土壓力。當(dāng)擋土墻向外移動(dòng)(位移或傾覆)時(shí),土壓力隨之減少,直到墻后土體沿破裂面下滑而處于極限平衡狀態(tài),此時(shí)作用于墻背的土壓力稱(chēng)為主動(dòng)土壓力;當(dāng)墻向土體擠壓移動(dòng),土壓力隨之增大,土體被推移向上滑動(dòng)。處于極限平衡狀態(tài),此時(shí)土體對(duì)墻的抗力稱(chēng)為被動(dòng)土壓力;墻處于原來(lái)位置不動(dòng)時(shí),土壓力介于兩者之間,稱(chēng)為靜止土壓力。采用哪種性質(zhì)的土壓力作為擋土墻設(shè)計(jì)荷載,要根據(jù)擋士墻的具體條件而定。

路基擋土一般都可能有向外的位移或傾覆。因此,在設(shè)計(jì)中按墻背土體達(dá)到主動(dòng)極限平衡狀態(tài),且設(shè)計(jì)時(shí)取一定的安全系數(shù),以保證墻背土體的穩(wěn)定。對(duì)于墻趾前的被動(dòng)土壓力,在擋土墻基礎(chǔ)一般埋深的情況下,考慮到各種自然力和人畜活動(dòng)的作用,一般均不計(jì),以偏于安全。

1 庫(kù)侖理論的基本假設(shè)

(1)當(dāng)擋土墻向前滑移時(shí),墻后土體將形成一個(gè)沿墻背和破裂平面向下滑動(dòng)的破裂棱體 (或稱(chēng)土楔),此時(shí)土楔處于主動(dòng)應(yīng)力狀態(tài)。

(2)墻后土體為均質(zhì)松散顆粒,粒間僅有摩阻力而無(wú)黏結(jié)力存在。擋土墻和土楔都是無(wú)壓縮或拉伸變形的剛體。

(3)土楔剛形成時(shí),土楔在自重 G與墻背反力 Ea及破裂面反力R的作用下保持靜力平衡,故土體處于極限平衡狀態(tài)。由于土楔與墻背和破裂面間有摩阻力,故 Ea和 R分別與各自的作用面的法線(xiàn)成 δ角(墻背與土體間摩阻角,簡(jiǎn)稱(chēng)外摩阻角)和φ角(土的內(nèi)摩阻角)。

2 大俯角墻背的主動(dòng)土壓力計(jì)算

在擋土墻設(shè)計(jì)中,往往會(huì)遇到俯斜墻背很緩,即墻背傾角a很大的情況,如折線(xiàn)形擋土墻上墻墻背,衡重式擋土墻的上墻假想墻背(見(jiàn)圖 1)。當(dāng)墻后土體達(dá)到主動(dòng)極限平衡狀態(tài)時(shí),破裂棱體并不沿墻背或假想墻背 CA滑動(dòng),而是沿著土體的另一裂面CD滑動(dòng),CD即稱(chēng)為第二破裂面,αi和θi只為相應(yīng)的破裂角,而遠(yuǎn)離墻的破裂面CF稱(chēng)為第一破裂面。這時(shí),擋土墻承受作用于第二破裂面上的土壓力Ea,Ea是αi和θi的函數(shù),而Ex是Ea的水平分力,因此可以列出以下函數(shù)關(guān)系

為了確定最不利的破裂角αi和θi及相應(yīng)的主動(dòng)土壓力值,可以求解下列偏微分方程組

并滿(mǎn)足下列條件

出現(xiàn)第二破裂面的條件如下。

圖1 出現(xiàn)第二破裂面的土壓力計(jì)算

(1)墻背或假想墻背的傾角 α或α大于第二破裂面傾角。

(2)在墻背或假想墻背上產(chǎn)生的抗滑力 NR大于其下滑力Ns,使破裂棱體不會(huì)沿墻背或假想墻背下滑。

第二個(gè)條件的又一個(gè)表達(dá)方式為:作用于墻背或假想墻背上的土壓力對(duì)墻背法線(xiàn)的傾角δ′小于或等于墻背摩擦角δ。

一般地,為避免土壓力過(guò)大,俯斜式擋土墻很少采用平緩式背坡,故不易出現(xiàn)第二破裂面。衡重式的上墻或懸臂式擋土墻,因是假想墻背,只要滿(mǎn)足第一個(gè)條件,即出現(xiàn)第二破裂面,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)首先加以判別,然后再用相應(yīng)的公式計(jì)算土壓力。其做法是先擬定兩組破裂面,按相應(yīng)公式算出島,以確定第一破裂面的位置;如與假定相符,再按與此邊界條件相對(duì)應(yīng)的公式計(jì)算 αi;如果 αi＞α′,表明不會(huì)出現(xiàn)第二破裂面,應(yīng)按一般庫(kù)侖公式計(jì)算土壓力;如果 αi＜α′,表明有第二破裂面出現(xiàn),應(yīng)按出現(xiàn)第二破裂面的庫(kù)侖公式計(jì)算土壓力。