考慮位移影響的土壓力研究綜述

【摘要】經(jīng)典的土壓力理論如庫侖理論、朗肯理論計(jì)算的是土體在極限平衡狀態(tài)的土壓力值，且土壓力隨深度為線性分布的，這與實(shí)際不符。本文對(duì)考慮位移影響的土壓力計(jì)算研究方法現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹，并作了總結(jié)和分類，分析了現(xiàn)有的方法的不足之處，對(duì)進(jìn)一步的研究作了展望。

【關(guān)鍵詞】土壓力 位移 研究綜述

1 引言

土壓力是作用在基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)上的主要荷載，若能較正確地估計(jì)或計(jì)算土壓力，對(duì)于確保基坑工程的順利進(jìn)行具有十分重要的意義，目前工程中應(yīng)用最廣法的還是經(jīng)典土壓力理論。經(jīng)典的土壓力理論如庫侖理論（1776）、朗肯理論（1857）計(jì)算的土壓力基于以下基本假設(shè)：土體是理想剛塑性體；服從Mohr-Coulomb準(zhǔn)則；擋土結(jié)構(gòu)為理想剛性；且前提是：擋墻背后的土體處于極限平衡狀態(tài)。依照經(jīng)典土壓力理論，得到的是土體在極限平衡狀態(tài)的土壓力值，且土壓力隨深度為線性分布的。然而大量試驗(yàn)及理論研究表明：（1）作用于擋墻上的土壓力是一個(gè)漸變的屈服過程，只有當(dāng)墻后土體剪切破壞，形成滑動(dòng)破壞面時(shí)，土體才達(dá)到極限狀態(tài)。（2）作用于擋墻上的土壓力分布與墻體的變位模式有關(guān)，且土壓力分布是非線性的。（3）墻后土壓力系數(shù)與擋墻位移有關(guān)。由此可見，經(jīng)典土壓力理論在實(shí)際工程應(yīng)用中還存在著兩個(gè)方面的不足：一是要求土體變形達(dá)到極限狀態(tài)的臨界條件，而試驗(yàn)表明，土壓力達(dá)到主動(dòng)（或被動(dòng)）土壓力時(shí)的墻體變形在實(shí)際工程中是不允許的，在實(shí)際工程中需要的是得到土體變形但未達(dá)到極限時(shí)的土壓力值。二是沒有考慮擋墻的位移對(duì)土壓力的影響。在實(shí)際工程中，隨著基坑開挖的進(jìn)展和支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，土壓力的分布和大小將不斷地調(diào)整，并不是不變的。

2 研究進(jìn)展

考慮墻體位移對(duì)墻后土壓力的影響的共同變形理論按考慮線性與非線性可以分為兩類：在早期，日本學(xué)者森重龍馬[1]提出考慮土壓力與位移是線性關(guān)系的共同變形理論。近年來國內(nèi)外不少學(xué)者對(duì)共同變形理論進(jìn)行了研究，，提出了不少新的方法，可以將這些研究方法可以分為模型試驗(yàn)研究和理論研究兩大類：

2.1模型試驗(yàn)研究

即通過室內(nèi)模型試驗(yàn)研究位移對(duì)土壓力的影響，主要為定性的研究，研究成果一般難以直接應(yīng)用于實(shí)際工程。早在二十世紀(jì)三十年代， Terzaghi就對(duì)剛性擋土墻六種不同位移方式下的主動(dòng)土壓力分布作了定性研究。此外Fang and Ishibashi[2]，F(xiàn)ang，Chen and Wu[3]等對(duì)此問題也進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

國內(nèi)這方面的試驗(yàn)研究也很多，如周應(yīng)英，任美龍（1990）對(duì)砂土填料在剛性擋土墻平移情況，以及對(duì)粘性土填料在擋墻平移、繞墻底轉(zhuǎn)動(dòng)和繞墻頂轉(zhuǎn)動(dòng)情況進(jìn)行了主動(dòng)側(cè)的土壓力試驗(yàn)。徐日慶，陳頁開（2002），進(jìn)行了（砂土、剛性擋墻）被動(dòng)土壓力的模型試驗(yàn)，模型試驗(yàn)所采用的擋墻變位方式主要是墻體的平移，繞墻底下某點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)模式和繞墻頂上某點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的模式。模型試驗(yàn)結(jié)果分析表明，土壓力隨位移變化的基本規(guī)律與Terzaghi等人的試驗(yàn)結(jié)論是基本相同的。

2.2理論研究

很多學(xué)者也從理論上分析探討了土壓力與位移之間的非線性關(guān)系，提出了各種不同的方法，總結(jié)起來可分為三類如下：（1）考慮土體應(yīng)力-應(yīng)變的有限元數(shù)值分析法。（2）數(shù)學(xué)函數(shù)擬合法，即探尋土壓力與位移函數(shù)關(guān)系，直接計(jì)算非極限 狀態(tài)土壓力。這類方法又可分為：sigmoid函數(shù)擬合法、雙曲線擬合法、正弦函數(shù)和冪函數(shù)擬合法等。（3）其他的理論研究方法，如虛功原理推導(dǎo)公式等。

2.2.1有限元數(shù)值分析法

數(shù)值分析的目的與模型實(shí)驗(yàn)研究相同，是對(duì)作用于擋墻的土壓力的大小和分布規(guī)律進(jìn)行定性研究，目前一般用有限單元法進(jìn)行數(shù)值分析。Clough，Duncan采用非線彈性的土本構(gòu)關(guān)系來分析擋墻上的土壓力問題；Simpson，Wroth采用臨界狀態(tài)土本構(gòu)模型對(duì)被動(dòng)土壓力進(jìn)行了研究。國內(nèi)在這方面進(jìn)行了比較全面研究的是陳頁開，汪益敏（2002）等，他們進(jìn)行了剛性擋土墻的被動(dòng)土壓力數(shù)值分析，擋墻變位模式分別為前述三種模式所得結(jié)論可與模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩者所得結(jié)果相當(dāng)接近，這從試驗(yàn)和理論上說明，目前對(duì)土壓力隨位移變化的基本規(guī)律的認(rèn)識(shí)是可信的。

2.2.2數(shù)學(xué)函數(shù)擬合法

該法認(rèn)為土壓力是位移和深度的非線性函數(shù)，可以用一個(gè)公式來表達(dá)它們之間的關(guān)系，這方面主要是國內(nèi)的一些學(xué)者在進(jìn)行研究，這些方法如： sigmoid函數(shù)擬合法、雙曲線擬合法和正弦函數(shù)和冪函數(shù)擬合法等

2.2.3其他研究方法

對(duì)位移對(duì)土壓力影響的理論研究除了上述的有限單元法數(shù)值分析和數(shù)學(xué)函數(shù)擬合法外，還有許多學(xué)者從不同的角度進(jìn)行了理論研究，有些還給出了理論計(jì)算公式并進(jìn)行了一些計(jì)算實(shí)例或工程驗(yàn)證，如：李蓓，趙錫宏（2004）根據(jù)墻后主動(dòng)區(qū)土體應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，建立考慮擋土墻變形的非線性土壓力的計(jì)算公式，并用算例驗(yàn)證。

3 結(jié)語與展望

（一）關(guān)于模型試驗(yàn)研究

模型研究定性地得出了土壓力分布同位移之間的非線性關(guān)系的基本規(guī)律，這些規(guī)律是進(jìn)一步進(jìn)行定量研究的基礎(chǔ)。由于為定性研究，并未精確給出土壓力與位移之間的函數(shù)關(guān)系，不能用于實(shí)際工程中的土壓力計(jì)算。目前缺乏對(duì)柔性擋土墻土壓力隨位移變化的模型試驗(yàn)研究也是不足。

（二）關(guān)于理論分析研究

數(shù)值分析與模型試驗(yàn)研究是相輔相成的，相比較而言，數(shù)值分析省時(shí)省力，但缺點(diǎn)很明顯就是理想化的模型與實(shí)際情況還是有比較大的差別。數(shù)學(xué)函數(shù)擬合法主要考慮到如何在工程中實(shí)用，各種方法有待更多工程實(shí)例的驗(yàn)證。

考慮位移的土壓力計(jì)算方法，用以計(jì)算非極限狀態(tài)下的土壓力，并應(yīng)用到基坑工程設(shè)計(jì)計(jì)算中，與傳統(tǒng)方法相比，將更為經(jīng)濟(jì)，對(duì)此進(jìn)行研究具有非常大的工程實(shí)際意義，以下是對(duì)進(jìn)一步研究的幾點(diǎn)展望：

1.開展完善系統(tǒng)的模型試驗(yàn)。目前的模型試驗(yàn)研究大多只是研究某一方面，如剛性墻體情況下主動(dòng)土壓力、被動(dòng)土壓力，對(duì)柔性擋土墻情況下的研究還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，但在實(shí)際施工中地下連續(xù)墻的內(nèi)力計(jì)算等都要涉及到柔性擋土墻下土壓力隨位移變化的問題，因此在這方面還有待完善。

2.完善數(shù)學(xué)函數(shù)模型以用于實(shí)際工程實(shí)際計(jì)算。目前數(shù)學(xué)函數(shù)模型計(jì)算土壓力并不是很完善，離用于實(shí)際工程還有較大的差距，如何完善模型，減少復(fù)雜性以用于工程中應(yīng)是今后的方向。

3.結(jié)合模型試驗(yàn)和數(shù)學(xué)模型進(jìn)行有限元數(shù)值分析。有限元數(shù)值分析與模型試驗(yàn)相結(jié)合這方面的研究做的還不多，結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn)才能更加清晰、全面地揭示出土壓力隨位移變化的規(guī)律。

4.加強(qiáng)原位測試方面的工作。

參考文獻(xiàn)

【1】錢家歡.土力學(xué)[M].南京：河海大學(xué)出版社，1995.139-140。

【2】Fang Y S，Ishibashi I.Static earth pressures with various wall movement[J].Journal of Geotechnical Engineering，ASCE，1986，112（317）-333.

【3】Fang Y S，Chen T J，Wu B F.Passive earth pressure with various wall movements[J].Journal of Geotechnical Engineering，ASCE.1994.120（8）：1307-1323.