影响土压力分布的几种因素

作用在挡土墙上的土压力分布通常大于主动土压 力 ,因此设计挡土墙时考虑挡土墙位移是十分重要 的. 墙**移的方式和大小对土压力的影响已为许 多数值分析所证实[ 1 ] . 传统的挡土墙设计没有考虑 填土或基土的变形参数 , 也未考虑施工过程 , 因而忽 略了墙体变形的影响 、复杂的初始条件以及具有不 同应力 - 应变特性的材料之间的相互作用. 本研究 中 , 笔者利用有限元法的独特优点 , 对影响悬臂式挡 土墙性能的各种因素进行了分析和计算.

1 方法

对图 1 所示的挡土结构和填土条件 , 如果采用 现行设计规范进行计算 , 其抗滑和抗倾覆安全系数 分别为 2. 37 和 4 . 18[ 2 , 3 ] . 现以平面应变问题的有限 元法进行分析 , 计算程序采用“初始应力”有限元公 式. 土与墙体单元以 8 节点等参元来模拟[ 4 ] , 假定土 体为线弹性 - 完全塑性 , 变形受限于摩尔 - 库伦屈 服面并服从相关的流动法则. 土与墙体的交界面以 6 节点等参元模拟 , 其剪应力 - 位移本构关系符合 Clough- D unca n 模型[ 5 ] . 为了防止相邻二维固体单 元相交 , 在接触面正交单元中设置随机高值. 切线刚 度以下式表示 :k st   =  k s (1 -   Rf S l) 2 .式中 : k s 为初始切线刚度 ; Rf 为破坏比 ; S l 为接触面 上的应力水平 , 它**接触面上抗剪强度的发挥能 力.

有限元网格和位移边界条件如图 2 所示. 计算 共分 12 级增量进行 , 每一级增量需进行 3 ～ 10 次迭 代. 在迭代结束之前采用位移变化临界准则[ 5 ] 来保 证计算精度.

2 计算结果

2. 1 墙**移

计算结果表明 , 墙基中墙踵处的沉降大于墙趾 处的沉降 , 这是由于接近墙踵的基土沉降大于墙趾 处的基土沉降所致. 除墙体向前倾斜之外 , 墙基也向 前转动. 另外 , 在墙后填土的初期 , 墙踵上方的填土 重量引起了底板的沉降并导致墙顶向后面填土方向 移动. 随着填土的不断增加 , 由此引起的水平土压力 使墙体沿水平方向不断变形 , 从而导致墙顶转动并 向外倾斜.

2. 2 土压力

图 3 所示为墙背及假想墙背(见图 1) 上的水平 土压力分布情况. 墙体的水平位移使得作用在墙背 上的水平土压力几乎沿整个墙身都小于静止土压 力. 墙身上段 (约三分之二墙高) 的水平土压力接近 主动土压力 , 下段 (约三分之一墙高) 的水平土压力 则远远超过主动土压力 , 这可能是受基板的影响及 墙体的水平变形不足所致.

假想墙背上段 ( 约三分之二墙高) 的水平土压

力比墙背土压力稍大 , 这是墙体水平位移的影响不 断减小所致. 因为离墙体越远 , 填土的水平位移就越 小. 计算所得的水平土压力*在上段 (约三分之一墙 高) 接近主动土压力.

2. 3 应力水平 墙后填土中的高应力水平区域如图 4 所示. 根据应力水平 ( Sl) 为 0. 9 以上的单元体分布以

及应力水平大于或等于 0. 99 的范围 , 可以基本上确 定填土的破坏区域. 这一区域要比朗金或库伦滑动 楔体复杂很多 , 它延伸的水平距离可达墙高的 0. 8 倍.

3 几种参数对土压力的影响

3. 1 墙体刚度的影响

刚度较大的墙体会在墙背及假想墙背的下半段 产生较大的水平土压力 , 而上半段的水平土压力仍 然接近朗金主动土压力. 对于墙身开裂的情况 , 刚度 的减小只对水平土压力产生微小的影响 , 因为墙身 此时仍然具有较大的刚度 , 并且多数情况下都不低 于填土刚度的 60 倍.

3 . 2 基土及墙基接触面特性的影响

刚度较大的基土会在墙趾处产生很小的水平位 移 , 墙基和基土之间也产生较小的相对水平位移 , 这 将**地影响墙体下段的应力分布. 减少墙背接触 面处的剪切刚度 ks 将会产生较大的墙基水平位移 , 使墙基与基土之间产生较大的相对位移 , 这同样会 **地影响墙体下段的应力分布. 因此 , 在这种情况 下计算所得的墙背及假想墙背处的水平土压力均会 有所减小 , 但仍然大于朗金主动土压力.

3. 3 墙背粗糙度的影响

计算结果表明 : 粗糙墙背上的水平土压力要比 光滑墙背小 , 但通常都超过主动土压力; 而在假想墙 背上 , 水平土压力几乎不受墙背精糙度影响.

3. 4 墙基宽度的影响

由前面的分析可知 , 如果将墙踵缩短 (比如减少 b 值和保持墙体其它尺寸不变) , 则计算所得墙背及 假想墙背上的水平土压力将会减小 , 这是由于墙趾 与墙踵之间的沉降差及墙踵的沉降均会减小的缘 故. 这样会使墙体向前的倾斜更大 , 从而使得水平土 压力得以减小.

4 水平土压力设计值

在进行墙体的结构设计时可将从所得 的数值乘以一个适当的荷载系数作为上限来进行计。

5 结 论

与常规设计方法相比 , 有限元法能真实考虑更 多的土与结构物的共同作用 、施工过程以及初始条 件等问题. 本研究针对影响水平土压力的一些主要 因素 , 包括墙体刚度 、墙与土的接触面性质 、填土及 基土特性等 , 作了具体的研究和分析. 结果表明 , 在 计算水平土压力时考虑墙体和填土的位移是至关重 要的. 因此 , 设计挡土墙的任何方法都应对墙体和填 土的位移情况加以考虑并作出可靠的估算.

根据有限元分析结果 , 笔者提出了作用在墙背 和假想墙背上的水平土压力设计值的确定方法 , 并 指出 :作用在挡土墙上的土压力只在墙身上段约三 分之二墙高处接近主动土压力分布. 但这些数值*供类 似条件的挡土墙设计时参考.