豎向土壓力

在地鐵設(shè)計中，豎向土壓力是主要的設(shè)計荷載之一，豎向土壓力的設(shè)計值與其他各荷載的設(shè)計值進(jìn)行不同的內(nèi)力組合，以此來計算結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，進(jìn)行地鐵結(jié)構(gòu)的設(shè)計。所以，豎向土壓力的取值會對地鐵結(jié)構(gòu)的設(shè)計產(chǎn)生直接的影響。而土的強(qiáng)度指標(biāo)則是其中重要的計算參數(shù)，對土壓力的計算存在程度不同的影響。 2100433B

豎向土壓力是作用于土中地下結(jié)構(gòu)的頂蓋上的土壓力。通常由地層自重產(chǎn)生，方向垂直向下。地層非常松軟，地下結(jié)構(gòu)埋置較淺時，可認(rèn)為等于全部覆土的自重；地層整體性較好，地下結(jié)構(gòu)埋置較深時，則僅相鄰覆土的自重起作用。前者屬于淺埋地下結(jié)構(gòu)，后者則為深埋地下結(jié)構(gòu)。工程設(shè)計中，后者常由淺埋深埋界限區(qū)分。

一、朗肯與庫倫土壓力理論均屬于極限狀態(tài)土壓力理論。用這兩種理論計算出的土壓力都是墻后土體處于極限平衡狀態(tài)下的主動與被動土壓力。

二、兩種分析方法上存在的較大差別，主要表現(xiàn)在研究的出發(fā)點(diǎn)和途徑的不同。朗肯理論是從研究土中一點(diǎn)的極限平衡應(yīng)力狀態(tài)出發(fā)，首先求出的是作用在土中豎直面上的土壓力強(qiáng)度sa或sp及其分布形式，然后再計算出作用在墻背上的總土壓力Ea和Ep，因而朗肯理論屬于極限應(yīng)力法。庫倫理論則是根據(jù)墻背和滑裂面之間的土楔，整體處于極限平衡狀態(tài)，用靜力平衡條件，先求出作用在墻背上的總土壓力Ea或Ep，需要時再算出土壓力強(qiáng)度sa或sp及其分布形式，因而庫倫理論屬于滑動楔體法。

三、上述兩種研究途徑中，朗肯理論在理論上比較嚴(yán)密，但只能得到理想簡單邊界條件下的解答，在應(yīng)用上受到限制。庫倫理論顯然是一種簡化理論，但由于其能適用于較為復(fù)雜的各種實際邊界條件，且在一定范圍內(nèi)能得出比較滿意的結(jié)果，因而應(yīng)用廣泛。

四、朗肯理論的應(yīng)用范圍：墻背垂直、光滑、墻后填土面水平，即a= 0，b= 0，d= 0。無粘性土與粘性土均可用。庫倫理論的應(yīng)用范圍：用于包括朗肯條件在內(nèi)的各種傾斜墻背的陡墻，填土面不限，即a，b，d可以不為零或等于零，故較朗肯公式應(yīng)用范圍更廣。數(shù)解法一般只用于無粘性土，圖解法則對于無粘性土或粘性土均可方便應(yīng)用。

五、計算誤差

朗肯和庫倫土壓力理論都是建立在某些人為假定的基礎(chǔ)上，朗肯假定墻背為理想的光滑面，忽略了墻與土之間的摩擦對土壓力的影響，庫倫理論雖計及墻背與填土的摩擦作用，但卻假定土中的滑裂面是通過墻鍾的平面，與比較嚴(yán)格的擋土墻土壓力解（按極限平衡理論，考慮d，土體內(nèi)的滑裂面是由一段平面和一段對數(shù)螺線曲面所組成的復(fù)合滑動面求得），計算結(jié)果都有一定的誤差。

對于主動土壓力計算，各種理論的差別都不大。朗肯土壓力公式簡單，且能建立起土體處于極限平衡狀態(tài)時理論破裂面形狀和概念。在具體實用中，要注意邊界條件是否符合朗肯理論的規(guī)定，以免得到錯誤的結(jié)果。庫倫理論可適用于比較廣泛的邊界條件，包括各種墻背傾角、填土面傾角和墻背與土的摩擦角等，在工程中應(yīng)用更廣。被動土壓力的計算、當(dāng)d和j較小時，這兩種古典土壓力理論尚可應(yīng)用；而當(dāng)d和j較大時，誤差都很大，均不宜采用。

靜止土壓力定義

靜止土壓力系數(shù)是巖土工程領(lǐng)域中一個至關(guān)重要的參數(shù)，是確定水平場地的應(yīng)力狀態(tài)和計算靜止土壓力的基礎(chǔ)。但對靜止土壓力系數(shù)的研究還不夠。對自然堆積而成處于臨界狀態(tài)的砂堆內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析，推導(dǎo)出自然固結(jié)土的靜止土壓力系數(shù)的理論表達(dá)式，并與砂性土靜止土壓力系數(shù)表達(dá)式 k₀ =0.95-sinψ和黏性土靜止土壓力系數(shù)表達(dá)式 k₀=1-sinψ進(jìn)行對比結(jié)果表明，靜止土壓力公式砂性土公式十分吻合，粘性土公式存在一定偏差。文中給出的靜止土壓力系數(shù)公式和推導(dǎo)，較為科學(xué)合理地闡述了常用靜止土壓力系數(shù)的由來，有效彌補(bǔ)了當(dāng)前這塊研究的空白，為靜止土壓力系數(shù)的室內(nèi)、現(xiàn)場試驗和經(jīng)驗公式的推導(dǎo)提供了理論支撐，起到了一定的推進(jìn)作用。

靜止土壓力計算

設(shè)斜墻墻背傾斜角為α，其后是重度為γ的半無限土體，土體表面傾斜角為 β，在距土體表面深度 z 處緊靠墻背取三角形單元體 abc，頂面 ab 與土體表面平行，側(cè)面 bc 為豎直面，斜截面 ac 平行于墻背。沿 ab 水平投影方向上取單位長度則ab=1。設(shè)單元體頂面 ab 沿斜向上單位1/cosβ。長度的荷載為p，正應(yīng)力為σβ及剪應(yīng)力為τβ，其值分別為：

p = γzcosβ

σ_β =γzcos2β

τ =γzsinβcosβ

并交圓C于點(diǎn)V的直線PV，則OV為豎直面的應(yīng)力，因OV線(亦即下β線)與β線對稱，所以 ，bc面上的應(yīng)力傾斜角β₀=β。過點(diǎn)P作與PV成墻背傾斜角α并交圓C于點(diǎn)U，則OU為△abc 斜截面bc(亦即墻背方向)的應(yīng)力。連接OU線成βq 線，βq線與σ軸的夾角βq即為斜截面上的應(yīng)力傾斜角，也即作用于墻背上的土壓力傾斜角。由上可知，點(diǎn)U是βq線與線PU的交點(diǎn)，同時又是與應(yīng)力圓的C的交點(diǎn)。OV、OU及βq均與應(yīng)力圓的參數(shù)( 圓心位置及半徑)有關(guān)，圓心O_c是任意設(shè)定的，對于準(zhǔn)靜土壓力，要求圓心位置應(yīng)滿足墻背后土體不產(chǎn)生線應(yīng)變的要求。

擋土墻側(cè)向壓力的大小與巖土力學(xué)性質(zhì)、墻高、支護(hù)結(jié)構(gòu)形式及位移方向和大小等因素有關(guān)。由于錨桿擋土墻構(gòu)造特殊，側(cè)向壓力的影響因素更為復(fù)雜 。

在理論上還沒有準(zhǔn)確的計算方法能如實地反映各種因素對錨桿擋土墻側(cè)向核動力的影響。

現(xiàn)行的一些規(guī)范中采用土壓力增大系數(shù)來反映錨桿擋土墻側(cè)向壓力的增大。由于是否考慮土壓力增大和土壓力增大系數(shù)都帶有一定的經(jīng)驗性，因此，該領(lǐng)域還需要做進(jìn)一步的研究。