支擋結構土壓力的解析算法
【專利摘要】本發明公開了一種支擋結構土壓力的解析算法，可以較為準確的得出剛性支擋結構的被動土壓力，包括下述步驟：假設支擋結構后土體滑動土楔；對滑動土楔劃分水平層，取水平微單元體；水平微單元體作用力分析；水平微單元體水平方向受力平衡分析；水平微單元體豎直方向受力平衡分析；聯立方程求解未知量；推求被動土壓力強度、被動土壓力系數、被動土壓力合力和被動土壓力合力作用點。本發明的優點和效果在于：綜合考慮了支擋結構后填土的物理力學性質、支擋結構形狀和支擋結構與填土之間界面摩擦特性，公式推導嚴密，不需過多假設，精確滿足力學平衡條件，方程簡潔明晰，計算結果精確可靠，屬于土壓力的解析算法，根據本方法思路同時可以方便地應用于支擋結構主動土壓力的求解，可為支擋結構的土壓力準確計算提供依據。
【專利說明】支擋結構土壓力的解析算法 【技術領域】
[〇〇〇1] 本發明屬于巖土工程【技術領域】，特別涉及巖土工程中支擋結構被動土壓力的解析 算法。 【背景技術】
[0002] 在土木、水利、交通、市政、電力等工程領域中，經常會遇到修建擋土結構物的問 題，它是用來支撐天然或人工土坡不致坍塌，以保持土體穩定性的一種建筑物，俗稱擋土 墻。無論哪種形式的擋土墻，都要承受來自墻后填土的側向壓力-土壓力。因此，土壓力是 設計擋土結構物斷面及驗算其穩定性的主要荷載。
[0003] 土壓力的計算是個比較復雜的問題，影響因素很多。土壓力的大小和分布，除了 與土的性質有關外，還和支擋結構的位移方向、位移量、土體與結構物之間的相互作用以及 擋土結構物類型有關。目前設計中最常用的土壓力理論是Rankine和Coulomb 土壓力理 論。Rankine 土壓力理論是從彈性半空間的應力狀態出發，由土的極限平衡理論推導得到。 Rankine理論的基本假定為：（1)擋土墻背堅直，墻面為光滑，不計墻面和土體之間的摩擦 力；（2)擋土墻后填土的表面為水平面，為半無限空間；（3)擋土墻后填土處于極限平衡狀 態。Coulomb 土壓力理論根據墻后土楔體處于極限平衡時的力系平衡條件得到的，基本假定 為：（1)擋土墻后土體為均質各向同性的無黏性土；（2)擋土墻是剛性的且長度很長，屬于 平面應變問題；（3)擋土墻后土體產生主動土壓力或被動土壓力時，土體形成滑動楔體，滑 裂面為通過墻踵的平面；(4)墻頂處土體表面可以是水平面，也可以為傾斜面；（5)在滑裂 面和墻背面上的切向力分別滿足極限平衡條件。
[0004] 以上經典土壓力公式均不能全面考慮土壓力的各種影響因素，由Rankine和 Coulomb 土壓力理論得到的土壓力分布沿支擋結構總是線性分布的，土壓力的合力作用 點總是作用在支擋結構1/3處，這些都是與大量的室內試驗和現場觀測資料有差異的。 Rankine 土壓力理論假定墻背與土無摩擦，因此計算得到的主動土壓力系數偏大，被動土壓 力系數偏小。Coulomb 土壓力理論算得的主動土壓力偏小，被動土壓力偏高，特別當土體摩 擦角及擋土墻背和土體摩擦角都較大時，計算出的被動土壓力存在很大誤差。因此，急需一 種可以全面考慮各種影響因素而又不采取過多假設、滿足受力平衡、計算結果又相對準確， 符合實際情況的支擋結構土壓力計算方法。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的在于提供一種可以綜合考慮支擋結構后填土的物理力學性質、支擋 結構形狀和支擋結構與填土之間界面摩擦特性，而且不需過多假設，精確滿足力學平衡條 件的支擋結構土壓力的解析算法。
[0006] 為了實現上述目的，本發明的技術方案如下：一種支擋結構土壓力的解析算法，其 特征在于該解析算法包括以下步驟：
[0007] 支擋結構土壓力的解析算法，其特征在：包括下述步驟：
[0008] A、假設支擋結構后土體的滑動土楔范圍；
[〇〇〇9] B、對支擋結構后土體滑動土楔劃分水平層，取微單元體；
[0010] C、水平微單元體上作用力分析；
[0011] D、水平微單元體水平方向受力平衡分析；
[0012] E、水平微單元體堅直方向受力平衡分析；
[0013] F、聯立方程求解未知量滑動土楔破裂角Θ ;
[0014] G、推求被動土壓力強度、被動土壓力系數、被動土壓力合力和被動土壓力合力作 用點。
[0015] 本發明綜合考慮了支擋結構的各種形式，可以同時適用支擋結構堅直、仰斜和俯 斜情況。本發明可以同時考慮土體內摩擦角φ和土體與支擋結構摩擦角δ對支擋結構土壓 力的影響。本發明得到的作用在支擋結構上的被動土壓力是非線性分布的。本發明得到的 作用在支擋結構上的被動土壓力合力不總是作用在1/3支擋結構高處。
[0016] 本發明的優點和效果在于：綜合考慮了支擋結構后填土的物理力學性質、支擋結 構形狀和支擋結構與填土之間界面摩擦特性，公式推導嚴密，不需過多假設，精確滿足力學 平衡條件，方程簡潔明晰，計算結果精確可靠，屬于土壓力的解析算法，根據本方法思路同 時可以方便地應用于支擋結構主動土壓力的求解，可為支擋結構的土壓力準確計算提供依 據。 【專利附圖】
【附圖說明】
[0017] 圖1是本發明支擋結構破壞土楔和水平層劃分。
[0018] 圖2是本發明靜力條件下被動狀態水平微單元體受力分析。
[0019] 圖3是本發明動力條件下被動狀態水平微單元體受力分析。
[0020] 圖4是靜力條件下被動土壓力分布與經典Coulomb 土壓力理論的對比。
[0021] 圖5是動力條件下被動土壓力分布與經典動土壓力Mononobe-Okabe理論的對比。 【具體實施方式】
[0022] 以下結合具體實例和附圖詳細敘述本發明的【具體實施方式】，如圖1，圖2,圖3,表 1，表2,表3,圖4,圖5所示。本發明的保護范圍并不僅僅局限于本實施方式的描述。
[0023] 支擋結構的土壓力解析算法，其實施步驟為：
[0024] 第一步，假設一高為Η的支擋結構后土體的滑動土楔范圍：圖1中的ABC。ABC為 支擋結構后達到極限狀態時的滑動土楔，其中A點為支擋結構墻背頂點，B為支擋結構的墻 踵，C點為達到極限狀態時滑動土楔的范圍，為任意一點，由BC與水平線的夾角Θ確定；
[0025] 第二步，對支擋結構后土體滑動土楔劃分水平層，取微單元體：圖2及圖3中的 DEFG ；
[0026] 第三步，水平微單元體上作用力分析：靜力條件下的各單元體上的作用力有圖2 中的單元體上垂直壓力p y，垂直反力py+dpy,傾斜支擋結構上的法向反力px，傾斜支擋結 構與土的摩擦力p xtan δ，垂直于滑動面的不動土體反力r,不動土體對滑動土楔的摩擦力 rtarnp，水平單元體的重力dw ;動力條件下的各單元體上的作用力有圖3中的單元體上垂 直壓力Py，垂直反力Py +dpy，傾斜支擋結構上的法向反力px，傾斜支擋結構與土的摩擦力 pxtan δ，垂直于滑動面的不動土體反力r，不動土體對滑動土楔的摩擦力rtamp，水平單元體 的重力dw，水平方向的地震力dwkh和垂直方向的地震力dwkv;i述受力分析中δ為支擋結 構與土之間的摩擦角，Φ為支擋結構后土體的摩擦角，α為支擋結構與堅直方向的夾角，Θ 為破壞土楔與水平方向的夾角；
[0027] 第四步，水平微單元體水平方向受力平衡分析：
[〇〇28]圖2中靜力條件下水平方向力的平衡條件有
【權利要求】
1. 支擋結構土壓力的解析算法，其特征在：包括下述步驟： A、 假設支擋結構后土體的滑動土楔范圍； B、 對支擋結構后土體滑動土楔劃分水平層，取微單元體； C、 水平微單元體上作用力分析； D、 水平微單元體水平方向受力平衡分析； E、 水平微單元體堅直方向受力平衡分析； F、 聯立方程求解未知量滑動土楔破裂角Θ ; G、 推求被動土壓力強度、被動土壓力系數、被動土壓力合力和被動土壓力合力作用點。
2. 根據權利要求1所述的支擋結構土壓力的解析算法，其特征在于：支擋結構為堅直、 仰斜和俯斜。
3. 根據權利要求1所述的支擋結構土壓力的解析算法，其特征在于：作用在支擋結構 上的被動土壓力是非線性分布的。
【文檔編號】E02D29/02GK104060597SQ201410283568
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年6月23日 優先權日:2014年6月23日
【發明者】楊劍 申請人:上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司