非極限狀態擋土墻主動土壓力探討

劉紅巖

【摘要】隨著現代科技的不斷進步，我國的各行各業都有了極快的發展。建筑業作為我國經濟發展的基礎行業之一，其相關技術也隨著現代科技的發展而不斷進步，進而提升了我國建筑業的整體發展。本文即是對非極限狀態擋土墻動土壓力進行的探討，利用薄層單元法對其進行研究，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下會發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下的受力情況，得到相應壓力的計算公式。同時經過分析后了解到，在平動模式下的剛性擋土墻在非極限狀態時，其自身抗傾覆能力較差，具有著極大的不穩定性，需要相關人員進行著重注意。

【關鍵詞】擋土墻；非極限狀態；主動土壓力；薄層單元法

擋土墻指的是在建設道路的過程中制成路基的填土結構或山坡土體的加固結構，其可以起到保持周圍土體不變形，維持土體穩定的作用。在擋土墻的橫斷面中，與被支撐土體相接觸的結構被稱為墻背，與其相對應的被稱為墻面，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，與基底對應的是墻頂。根據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；而如果根據其所處環境的不同，也可以被分為3大類，分別是一般區域、浸水區域以及地震區域擋土墻。

一、在非極限狀態下的主動土壓力計算

從擋土墻本身建筑完成的初始靜止狀態開始計算，到擋土墻開始位移，并達到了極限主動狀態的臨界點，將這兩個時間點之間的狀態稱為準主動狀態，也就是非極限狀態。而在這種狀態之下填土所產生的土壓力就被稱為非極限土壓力。在本文的分析當中，排除了研究中擋土墻中含有粘性土質，并假定其土質理想均勻化，并且對填土坡面所產生的超載情況不予考慮。當擋土墻處在非極限狀態下時，形成了一種楔形土體。同時假定擋土墻的準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 擋土墻非極限狀態圖

（一）相關參數的計算公式

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 是處于垂直狀態的，而微單元體本身所受到的重力受力大小可以用 來進行表示。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

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

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

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據帶入上述公式當中，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據和 值公式帶入上述公式當中，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：

將平衡參數帶入上述公式當中，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擋土墻所受到的側面土壓力具體如下：

并將擋土墻所受到的豎向應力、水平應力、墻背反應力以及在非極限狀態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位置用以下公式來進行表示：

二、 和 對非極限狀態下主動土壓力變化的影響

在非極限狀態之下，擋土墻所受到的側面壓力、土壓力的合理以及土壓力的作用點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 和 也能夠對擋土墻所受的外力產生影響。同時，從研究中可以看出，代表剛度系數的 和 的數值大小是與擋土墻本身在極限狀態之下其背側的填土層所產生的內摩擦角 和擋土墻本身的位移比值 有著重要的關系。

由此可見，在對擋土墻本身在非極限狀態下所能夠承受的主動土壓力進行計算的過程中，一定要著重考慮到 、 、 、 這四個數值。并且在考慮擋土墻發生為以后處在非極限狀態下，在移動過程中所承受的主動土壓力，其擋土墻背側的剛度系數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 本身是不產生任何變化的。由此可見，在理想狀態之下，在土質中不含有黏性土質，并且其是呈現絕對均勻分布的情況時，擋土墻所產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

在擋土墻的建設和應用過程中，最需要注意的就是防止擋土墻本身產生傾覆，這樣會對其周圍的擋土墻結構造成較大的損害，并且很可能影響整個路段的路基的穩定性，進而影響整體道路的施工質量和使用壽命。因此，在對非極限狀態下擋土墻主動土壓力進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，以及能夠對其傾覆造成影響的相關因素。

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

結語：

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

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