黏性土土壓力計算

劉 敏,王世強

(黑龍江省龍建路橋第四工程有限公司)

1 等效內摩阻角法

這種方法在設計黏性土填料的擋土墻時,將內摩阻角曲單位黏聚力c,換算成較實有 φ值大的“等效內摩阻角”φD來代替,然后按砂性土的庫侖土壓力公式計算土壓力。

φD值可以按換算前后土的抗剪強度相等或土壓力相等的原則來計算,一般是把黏性土的內摩阻角值增大 5°～10°,或取等效內摩阻角 φD為 30°～35°。

由于影響土壓力數值的因素是多方面的,包括墻高、墻型、墻后填料的表面以及荷載的情況等,不可能用上述方法為之確定一個固定的換算關系或固定的換算值。用上述方法換算的內摩阻角只與某一特定的墻高相適應,一般對于矮墻偏于安全,對于高墻則偏于危險。因此,在設計高墻時,應按墻高酌情降低φD值。最好按實測的 c、φ值,用力多邊形法計算黏性土的主動土壓力。

2 力多邊形法(數解法)

當擋土墻向外有足夠位移時,黏性土層頂面將出現拉應力,使土層產生豎向裂縫,裂縫從表面向下延伸到拉應力趨于零處。裂縫深度可以按式(1)計算

式中:c為填料的單位黏聚力,kPa。

在垂直裂縫區hc范圍內,豎直面上的側壓力等于零,因此在此范圍內不計土壓力。

根據庫侖理論,假設破裂面為一平面,沿破裂面上土的抗剪強度由土的內摩阻力σtanφ黏聚力c組成。墻背和土之間的黏聚力c′,由于影響因素很多,為簡化計算,可以忽略不計,偏于安全。

現以路堤墻后破裂面交于荷載內的情況為例,介紹力多邊形法計算黏性土壓力公式的推導。

路堤式擋土墻,填土表面有局部荷載,裂縫深度假定從荷載作用面以下產生。BD為破裂面,破裂棱體為 ABDEFMN。在主動極限平衡狀態下,棱體在自重G、墻背反力Ea、破裂面反力R和破裂面黏聚力四個力的作用下保持靜力平衡,這 4個力構成力矢量多邊形。從力多邊形可知,作用于墻背的主動土壓力為

式中:E′為當c=0時的土壓力,根據式(1)得

G為棱體ABDEFMN的自重,在邊界條件下

其中

式(1)中的Ec是由于黏聚力

將上式整理化簡即可得到破裂角θ的計算公式:

其中

將 θ代入Ea的表達式,即可求得主動土壓力 Ea。