孟天一,張玉,2,劉瑾,趙陽,楊倩,丁瀟,范特佳
(1.西安工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院,西安 710032; 2.西安理工大學(xué) 陜西省黃土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710048)
擋土墻、基坑開挖等問題常可簡化為平面應(yīng)變問題,在平面應(yīng)變條件下,中主應(yīng)力對土壓力有顯著影響。Rankine土壓力理論是基于Mohr-Coulomb 強(qiáng)度準(zhǔn)則提出的,二者沿用至今,但均未考慮中主應(yīng)力對土體本身強(qiáng)度的影響,與實(shí)測結(jié)果相比,計(jì)算出的主動(dòng)土壓力偏大,被動(dòng)土壓力偏小,這已被眾多試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)[1]。學(xué)者們通過不斷的試驗(yàn)和研究已取得一定成果[2-4]:通過廣義虎克定律計(jì)算出了中主應(yīng)力表達(dá)式,結(jié)合雙剪統(tǒng)一強(qiáng)度理論主應(yīng)力型表達(dá)式推導(dǎo)出了Rankine主、被動(dòng)土壓力計(jì)算式;在平面應(yīng)變條件下,結(jié)合Lade-Duncan強(qiáng)度準(zhǔn)則和等效內(nèi)摩擦角求解出了土體的主動(dòng)土壓力,提出了計(jì)算土壓力的新公式;基于SMP強(qiáng)度準(zhǔn)則中主應(yīng)力條件,計(jì)算出了各強(qiáng)度準(zhǔn)則下的主、被動(dòng)土壓力。SMP強(qiáng)度準(zhǔn)則、Lade-Duncan強(qiáng)度準(zhǔn)則、AC-SMP強(qiáng)度準(zhǔn)則、廣義Mises強(qiáng)度準(zhǔn)則等考慮到中主應(yīng)力對土強(qiáng)度的貢獻(xiàn)[5-8],在描述同一土體強(qiáng)度時(shí),各種強(qiáng)度準(zhǔn)則均能在其各自的適用范圍內(nèi)有效描述土的強(qiáng)度大小,但選取的中主應(yīng)力表達(dá)式不同,計(jì)算結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)存在一定差異[9]。根據(jù)以上研究發(fā)現(xiàn),SMP強(qiáng)度準(zhǔn)則適用于無黏性土,Lade-Duncan強(qiáng)度準(zhǔn)則是根據(jù)砂土真三軸試驗(yàn)成果的曲線擬合得到的,AC-SMP強(qiáng)度準(zhǔn)則和廣義Mises強(qiáng)度準(zhǔn)則更適用于黃土[10]。Lade-Duncan強(qiáng)度準(zhǔn)則中主應(yīng)力條件與實(shí)際情況最為相符,筆者依據(jù)Lade-Duncan強(qiáng)度準(zhǔn)則下的中主應(yīng)力條件推導(dǎo)了幾種平面應(yīng)變強(qiáng)度準(zhǔn)則,提出了無黏性土和黏性土平面應(yīng)力狀態(tài)下的主、被動(dòng)土壓力計(jì)算公式,并將其與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析,驗(yàn)證了基于各個(gè)平面應(yīng)變強(qiáng)度準(zhǔn)則所推導(dǎo)的主、被動(dòng)土壓力計(jì)算公式的適用范圍及準(zhǔn)確性。
土的強(qiáng)度準(zhǔn)則實(shí)質(zhì)上反映的是土單元在破壞時(shí)的應(yīng)力條件與土性參數(shù)之間所滿足的關(guān)系。目前,針對土建立的強(qiáng)度準(zhǔn)則包括Mohr-Coulomb準(zhǔn)則、SMP準(zhǔn)則、Lade-Duncan準(zhǔn)則、廣義Mises準(zhǔn)則、軸對稱壓縮空間滑動(dòng)面(AC-SMP)準(zhǔn)則[11]。
1)Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則
σ1=Kpσ3
(1)
式中:Kp=tan2(45°+φ/2)。
2)SMP強(qiáng)度準(zhǔn)則
(2)
3)Lade-Duncan強(qiáng)度準(zhǔn)則
(3)
4)廣義Mises準(zhǔn)則
(4)
5)AC-SMP強(qiáng)度準(zhǔn)則
(5)
各強(qiáng)度準(zhǔn)則在描述同一種土體強(qiáng)度時(shí)存在差異,本質(zhì)上是各強(qiáng)度準(zhǔn)則條件所隱含的中主應(yīng)力發(fā)揮程度的差別。平面應(yīng)變條件下的中主應(yīng)力表達(dá)式及適用性研究已取得了眾多成果[12-14]。平面應(yīng)變條件下,基于各種理論得到的中主應(yīng)力表達(dá)式計(jì)算結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)的對比分析表明,基于Lade-Duncan強(qiáng)度準(zhǔn)則的中主應(yīng)力表達(dá)式能較為準(zhǔn)確地描述土體破壞時(shí)的中主應(yīng)力變化情況[10],其表達(dá)式為
(6)
因此,將Lade-Duncan強(qiáng)度準(zhǔn)則下的中主應(yīng)力 表達(dá)式(6)代入式(2)~式(5)中,即可得到基于不同強(qiáng)度準(zhǔn)則的大、小主應(yīng)力關(guān)系表達(dá)式。計(jì)算主動(dòng)土壓力時(shí),令σ1=γz(式中γ為土的容重,z為水平地面到單元的深度),并代入不同強(qiáng)度準(zhǔn)則下大、小主應(yīng)力的關(guān)系表達(dá)式中,解得主動(dòng)土壓力Pa=σ3=σ1/Kp。同理,令σ3=γz,求解出被動(dòng)土壓力Pp=σ1=Kpσ3。平面應(yīng)變條件下,基于不同強(qiáng)度準(zhǔn)則得到的主、被動(dòng)土壓力表達(dá)式如式(7)~式(20)所示。
主動(dòng)土壓力
Pa=σ3=σ1/Kp=γz/Kp
(7)
被動(dòng)土壓力
Pp=σ1=Kpσ3=Kpγz
(8)
將式(6)代入式(2)中可得
(9)
式中:KSMP=(2Kp+1)(Kp+2)/Kp。
同理,可以得到基于SMP強(qiáng)度準(zhǔn)則的平面應(yīng)變土壓力。
主動(dòng)土壓力
Pa=σ3=σ1/Kp-SMP=γz/Kp-SMP
(10)
被動(dòng)土壓力
Pp=σ1=Kp-SMPσ3=Kp-SMPγz
(11)
將式(6)代入式(3)中可得
(12)
式中:KLD=(Kp+2)3/Kp。
主動(dòng)土壓力
Pa=σ3=σ1/Kp-LD=γz/Kp-LD
(13)
被動(dòng)土壓力
Pp=σ1=Kp-LDσ3=Kp-LDγz
(14)
將式(6)代入式(4)中可得
(15)
式中:KMIS=2(Kp-1)2/(Kp+2)2。
主動(dòng)土壓力
Pa=σ3=σ1/Kp-MIS=γz/Kp-MIS
(16)
被動(dòng)土壓力
Pp=σ1=Kp-MISσ3=Kp-MISγz
(17)
將式(6)代入式(5)中可得
(18)
主動(dòng)土壓力
Pa=σ3=σ1/Kp-AC=γz/Kp-AC
(19)
被動(dòng)土壓力
Pp=σ1=Kp-ACσ3=Kp-ACγz
(20)
依據(jù)將Lade-Duncan強(qiáng)度準(zhǔn)則下的中主應(yīng)力代入不同強(qiáng)度準(zhǔn)則得到的大、小主應(yīng)力關(guān)系,可以得出基于各強(qiáng)度準(zhǔn)則的主動(dòng)土壓力系數(shù)Ka。整理各強(qiáng)度準(zhǔn)則得到的主動(dòng)土壓力系數(shù)Ka隨內(nèi)摩擦角φ的變化規(guī)律,如圖1所示。
圖1 主動(dòng)土壓力系數(shù)與內(nèi)摩擦角的關(guān)系
由圖1可以看出,依據(jù)平面應(yīng)變條件下各強(qiáng)度準(zhǔn)則得到的主動(dòng)土壓力系數(shù)隨著內(nèi)摩擦角的增大呈非線性減小趨勢,主動(dòng)土壓力系數(shù)從小到大依次為AC-SMP強(qiáng)度準(zhǔn)則、廣義Mises強(qiáng)度準(zhǔn)則、Lade-Duncan 強(qiáng)度準(zhǔn)則、 SMP強(qiáng)度準(zhǔn)則、Mohr-Coulomb 強(qiáng)度準(zhǔn)則,基于各強(qiáng)度準(zhǔn)則得到的主動(dòng)土壓力系數(shù)均小于 Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則計(jì)算得到的主動(dòng)土壓力系數(shù)。當(dāng)φ>40°時(shí),廣義Mises強(qiáng)度準(zhǔn)則所計(jì)算出的主動(dòng)土壓力系數(shù)趨近于0,且隨著內(nèi)摩擦角的增大,主動(dòng)土壓力系數(shù)會(huì)有小于0的情況出現(xiàn),此時(shí)該強(qiáng)度準(zhǔn)則不適用于計(jì)算土壓力。當(dāng)0<φ<20°時(shí),AC-SMP強(qiáng)度準(zhǔn)則能夠有效描述土壓力大小。當(dāng)φ>20°時(shí),AC-SMP強(qiáng)度準(zhǔn)則所計(jì)算出的主動(dòng)土壓力系數(shù)變化速率較大,且隨著內(nèi)摩擦角的增大,主動(dòng)土壓力系數(shù)會(huì)有趨于0的情況出現(xiàn),此時(shí)該強(qiáng)度準(zhǔn)則不適用于計(jì)算土壓力。由此可以看出,各強(qiáng)度準(zhǔn)則在考慮了中主應(yīng)力影響的條件下計(jì)算出的主動(dòng)土壓力系數(shù)均小于Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則。這表明Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則在應(yīng)用中趨于保守,未完全發(fā)揮出土體自身的強(qiáng)度特性。其余準(zhǔn)則在其各自的適用范圍內(nèi)更趨近于實(shí)際情況,土體自身強(qiáng)度得到了有效的發(fā)揮。
與主動(dòng)土壓力系數(shù)計(jì)算方法相同,可得出基于各強(qiáng)度準(zhǔn)則的被動(dòng)土壓力系數(shù)Kp。整理各強(qiáng)度準(zhǔn)則得到的被動(dòng)土壓力系數(shù)Kp隨內(nèi)摩擦角φ的變化規(guī)律,如圖2所示。
圖2 被動(dòng)土壓力系數(shù)與內(nèi)摩擦角的關(guān)系
由圖2可以看出,依據(jù)平面應(yīng)變條件下各強(qiáng)度準(zhǔn)則得到的被動(dòng)土壓力系數(shù)隨著內(nèi)摩擦角的增大呈非線性增大趨勢,基于各強(qiáng)度準(zhǔn)則得到的被動(dòng)土壓力系數(shù)均大于Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則計(jì)算的被動(dòng)土壓力系數(shù),被動(dòng)土壓力系數(shù)從小到大依次為Mohr-Coulomb 強(qiáng)度準(zhǔn)則、SMP強(qiáng)度準(zhǔn)則、Lade-Duncan強(qiáng)度準(zhǔn)則、廣義Mises強(qiáng)度準(zhǔn)則、AC-SMP強(qiáng)度準(zhǔn)則。當(dāng)φ>30°時(shí),廣義Mises強(qiáng)度準(zhǔn)則所計(jì)算出的被動(dòng)土壓力系數(shù)隨著內(nèi)摩擦角的增大而快速增大,此時(shí)該強(qiáng)度準(zhǔn)則不適用于計(jì)算土壓力。當(dāng)0<φ<20°時(shí),AC-SMP強(qiáng)度準(zhǔn)則能夠有效描述土壓力大小。當(dāng)φ>20°時(shí),AC-SMP強(qiáng)度準(zhǔn)則所計(jì)算出的被動(dòng)土壓力系數(shù)隨著內(nèi)摩擦角的增大而快速增大,顯然,AC-SMP強(qiáng)度準(zhǔn)則在φ>20°時(shí)不適用于計(jì)算土壓力。其余各強(qiáng)度準(zhǔn)則的被動(dòng)土壓力系數(shù)計(jì)算結(jié)果增長速度均較為平緩,且未出現(xiàn)明顯偏差,能較好地反映出被動(dòng)土壓力。
根據(jù)主、被動(dòng)土壓力系數(shù)與內(nèi)摩擦角的關(guān)系可以看出,Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則、SMP強(qiáng)度準(zhǔn)則、Lade-Duncan強(qiáng)度準(zhǔn)則均能較好地描述擋土結(jié)構(gòu)上土壓力的大??;當(dāng)φ>30°時(shí),廣義Mises準(zhǔn)則所計(jì)算的主、被動(dòng)土壓力系數(shù)已出現(xiàn)較大偏差,不再適用于文中條件下的土壓力計(jì)算;當(dāng)φ>20°時(shí),AC-SMP強(qiáng)度準(zhǔn)則所計(jì)算出的主動(dòng)土壓力系數(shù)已出現(xiàn)較大偏差,且被動(dòng)土壓力系數(shù)隨著內(nèi)摩擦角變化的斜率發(fā)生轉(zhuǎn)折,顯然已偏離實(shí)際情況,不再能準(zhǔn)確反映該條件下的土壓力。
基于以上各強(qiáng)度準(zhǔn)則得到的無黏性土的平面應(yīng)變主、被動(dòng)土壓力公式,其主應(yīng)力狀態(tài)經(jīng)式(21)的變換,即可將不同平面應(yīng)變土壓力從無黏性土推廣至黏性土,建立黏性土的土壓力計(jì)算公式。
(21)
主動(dòng)土壓力
Pa=σ3=[σ1-ccotφ(Kp-1)]/Kp=
[γz-ccotφ(Kp-1)]/Kp
(22)
被動(dòng)土壓力
Pp=σ1=Kpσ3+ccotφ(Kp-1)=
Kpγz+ccotφ(Kp-1)
(23)
主動(dòng)土壓力
Pa=σ3=[σ1-ccotφ(Kp-SMP-1)]/Kp-SMP=
[γz-ccotφ(Kp-SMP-1)]/Kp-SMP
(24)
被動(dòng)土壓力
Pp=σ1=Kp-SMPσ3+ccotφ(Kp-SMP-1)=
Kp-SMPγz+ccotφ(Kp-SMP-1)
(25)
主動(dòng)土壓力
Pa=σ3=[σ1-ccotφ(Kp-LD-1)]/Kp-LD=
[γz-ccotφ(Kp-LD-1)]/Kp-LD
(26)
被動(dòng)土壓力
Pp=σ1=Kp-LDσ3+ccotφ(Kp-LD-1)=
Kp-LDγz+ccotφ(Kp-LD-1)
(27)
主動(dòng)土壓力
Pa=σ3=[σ1-ccotφ(Kp-MIS-1)]/Kp-MIS=
[γz-ccotφ(Kp-MIS-1)]/Kp-MIS
(28)
被動(dòng)土壓力
Pp=σ1=Kp-MISσ3+ccotφ(Kp-MIS-1)=
Kp-MISγz+ccotφ(Kp-MIS-1)
(29)
主動(dòng)土壓力
Pa=σ3=[σ1-ccotφ(Kp-AC-1)]/Kp-AC=
[γz-ccotφ(Kp-AC-1)]/Kp-AC
(30)
被動(dòng)土壓力
Pp=σ1=Kp-ACσ3+ccotφ(Kp-AC-1)=
Kp-ACγz+ccotφ(Kp-AC-1)
試驗(yàn)采用無黏性的松散砂土[15],內(nèi)摩擦角φ=34°,容重γ=19.56 kN/m3。擋墻由雜木板制成,厚5 cm、高1 m、寬1 m,并用兩肋加強(qiáng),以滿足剛度要求。圖3給出了試驗(yàn)時(shí)測得的主動(dòng)土壓力值,其中,h為墻高,Pa為墻體水平土壓力。將砂土土性參數(shù)帶入基于各個(gè)強(qiáng)度準(zhǔn)則得到的主動(dòng)土壓力表達(dá)式,即可計(jì)算出各強(qiáng)度準(zhǔn)則條件下?lián)鯄Σ煌疃忍幍闹鲃?dòng)土壓力值,其與實(shí)測土壓力曲線的比較如圖3所示。
圖3 砂土的主動(dòng)土壓力
從圖3可以看出,依據(jù)平面應(yīng)變條件下各強(qiáng)度準(zhǔn)則計(jì)算的主動(dòng)土壓力值隨著深度的增加均線性增大,主動(dòng)土壓力計(jì)算結(jié)果從小到大依次為廣義Mises強(qiáng)度準(zhǔn)則、Lade-Duncan強(qiáng)度準(zhǔn)則、SMP強(qiáng)度準(zhǔn)則、Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則,規(guī)律明顯。
實(shí)測主動(dòng)土壓力值遠(yuǎn)小于基于Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則的計(jì)算值,說明Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則的計(jì)算結(jié)果過于保守,不利于提高工程經(jīng)濟(jì)性。開挖深度越深,基于各強(qiáng)度準(zhǔn)則的主動(dòng)土壓力值差異越大,當(dāng)開挖深度小于0.5 m時(shí),Lade-Duncan強(qiáng)度準(zhǔn)則、SMP強(qiáng)度準(zhǔn)則的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測值較為吻合;隨著開挖深度繼續(xù)增大,SMP強(qiáng)度準(zhǔn)則的計(jì)算結(jié)果和實(shí)測值較為接近。基于廣義Mises強(qiáng)度準(zhǔn)則的計(jì)算結(jié)果在整體上和實(shí)測值最為接近;基于Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則計(jì)算的主動(dòng)土壓力值最大,在應(yīng)用于設(shè)計(jì)時(shí)過于保守,未能充分發(fā)揮土的自身強(qiáng)度;基于Lade-Duncan強(qiáng)度準(zhǔn)則、SMP強(qiáng)度準(zhǔn)則、廣義Mises強(qiáng)度準(zhǔn)則得到的主動(dòng)土壓力均體現(xiàn)了平面應(yīng)變條件下中主應(yīng)力對土強(qiáng)度的貢獻(xiàn),能較好地反映擋墻上的應(yīng)力狀態(tài),與實(shí)測土壓力值更為接近,其中基于廣義Mises強(qiáng)度準(zhǔn)則得到的主動(dòng)土壓力與實(shí)測土壓力值最為接近。
某基坑深7.1 m,采用樁徑為800 mm的懸臂樁支護(hù),樁長12.70 m??由顑?nèi)土層分布及各土層的土性指標(biāo)見圖4[16]。
圖4 土體土層示意圖
依據(jù)黏性土的主動(dòng)土壓力計(jì)算公式和各個(gè)土層的土性參數(shù),可計(jì)算出基于各強(qiáng)度準(zhǔn)則的不同土層深度處的主動(dòng)土壓力,將其整理后列于表1,沿基坑各土層上、下界面的土壓力變化曲線見圖5。
表1 不同強(qiáng)度準(zhǔn)則條件下各點(diǎn)土壓力值
圖5 各強(qiáng)度準(zhǔn)則條件下主動(dòng)土壓力分布圖
由表1和圖5可知,基于廣義Mises強(qiáng)度準(zhǔn)則 計(jì)算出的主動(dòng)土壓力值與實(shí)測結(jié)果最為接近,基于Lade-Duncan強(qiáng)度準(zhǔn)則、SMP強(qiáng)度準(zhǔn)則計(jì)算的主動(dòng)土壓力值在整體上與實(shí)測結(jié)果較為接近,并均小于基于Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則計(jì)算的主動(dòng)土壓力值。以3.8 m處不同強(qiáng)度準(zhǔn)則條件下土壓力計(jì)算值與實(shí)測值為例,如表2所示,廣義Mises強(qiáng)度準(zhǔn)則土壓力計(jì)算值與實(shí)測值的比值為1.306、Lade-Duncan強(qiáng)度準(zhǔn)則土壓力計(jì)算值與實(shí)測值的比值為1.933、SMP強(qiáng)度準(zhǔn)則土壓力計(jì)算值與實(shí)測值的比值為2.241、Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則土壓力計(jì)算值與實(shí)測值的比值為2.815。計(jì)算結(jié)果表明,廣義Mises強(qiáng)度準(zhǔn)則、Lade-Duncan強(qiáng)度準(zhǔn)則、SMP強(qiáng)度準(zhǔn)則均能表現(xiàn)出中主應(yīng)力對土體強(qiáng)度的影響,其中,廣義Mises強(qiáng)度準(zhǔn)則更能體現(xiàn)中主應(yīng)力對土強(qiáng)度的貢獻(xiàn)。
表2 3.8 m處不同強(qiáng)度準(zhǔn)則條件下土壓力計(jì)算值與實(shí)測值
1)在平面應(yīng)變條件下,依據(jù)Lade-Duncan強(qiáng)度準(zhǔn)則中主應(yīng)力條件,得到基于不同強(qiáng)度準(zhǔn)則下大、小主應(yīng)力關(guān)系,推導(dǎo)出不同強(qiáng)度準(zhǔn)則下主、被動(dòng)土壓力計(jì)算公式,并推廣至黏性土。
2)各強(qiáng)度準(zhǔn)則均有其適用范圍,Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則、SMP強(qiáng)度準(zhǔn)則、Lade-Duncan強(qiáng)度準(zhǔn)則在不同的內(nèi)摩擦角條件下均能很好地描述擋土結(jié)構(gòu)主、被動(dòng)土壓力;廣義Mises強(qiáng)度準(zhǔn)則適用于內(nèi)摩擦角小于30°時(shí)的土壓力計(jì)算;AC-SMP準(zhǔn)則適用于內(nèi)摩擦角小于20°時(shí)的土壓力計(jì)算。
3)Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則計(jì)算時(shí)未考慮中主應(yīng)力的影響,導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果偏于保守;基于廣義Mises強(qiáng)度準(zhǔn)則計(jì)算的主、被動(dòng)土壓力值與實(shí)測值最為接近。在考慮中主應(yīng)力的條件下,各強(qiáng)度準(zhǔn)則在其各自的適用范圍內(nèi)均能有效地描述土的主、被動(dòng)土壓力。
4)針對實(shí)際情況,在確保安全的前提下,選擇合適的強(qiáng)度準(zhǔn)則進(jìn)行土壓力計(jì)算,可充分發(fā)揮土的強(qiáng)度,達(dá)到節(jié)約成本、提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。