探究土拱效應原理求解擋土墻土壓力方法的改進

王蘭 丁亞東

【摘要】本文針對土拱效應原理求解擋土墻土壓力方法的改進進行探究。對應用土拱效應基本原理對擋土墻的主動土壓力強度的分布潛存所運用的滑裂面在未能達到墻后滑裂砌體水平力等問題進行淺析，提出水平力平衡的滑裂面水平傾角的計算方法。以此按照單元水平土層的靜力均衡條件創建豎向土壓力強度、土壓力合力及其相關的計算方法與模型試驗成果作出對比，最終的結果證明，本文中使用的方法可促使最終的結果更為安全可靠。

【關鍵詞】擋土墻；土拱效應原理；土壓力強度

1、以土拱效應原理為依據對擋土墻土壓力的研究

在擋土墻土壓力的基本經典理論的基礎上，朗金壓力理論并未對墻體的摩擦作用作出綜合性的考慮，由墻背滑裂土體的應力狀態入手，將滑裂面作為其中的一個平面，土壓力強度順著墻體進行線性分布。庫倫土壓力理論就是對墻體的摩擦作用進行了相關分析.若滑裂面作為一個平面同時能夠達到土壓力的最大數值，創建起滑裂面水平傾角的計算公式。若滑裂面、墻面摩擦均勻性分布，由墻背滑動砌砌體的靜力平衡得到擋土墻土壓力強度沿墻背線性分布的土壓力解。此兩大土壓力理論，由于其計算簡單與力學概念非常明確，以成為擋土墻壓力的經典性理論，從而獲得整個建筑工程領域的廣泛推廣與使用。可是，實際的情況是，擋土墻壓力強度并不是線性分布的，全國各個國家大量的室內試驗與現場測試結果證明：擋土墻土壓力強度是以非線性進行分布的，土壓力作用點并未達到墻體高度的三分之一。

卡崗在1960年發表的《論擋土墻上非線性分布土壓力》當中對于墻面垂直、墻背填筑砂性土、填土面水平的剛性擋土墻可運用水平層分析法作出了相關的計算，最終獲得土壓力強度沿墻高呈現非線性分布，分布的圖形為曲線形。可是，其假設水平土層的豎向應力以圓形的狀態分布，但未對墻體的土拱效應作出充分的考慮；

王元戰通過庫倫滑裂面的單元水平土層的靜力平衡，對土側壓力系數作出了相關的計算，同時創建起土壓力強度的計算方式，與此同時，存在假設水平土層的豎向應力以均勻的狀態分布，同時亦沒有考慮到土拱效應的相關問題；

Handy（1985年），Paik（2003年）以土拱效應原理為依據，按朗肯滑裂面創建起土側壓力系數與土壓力強度的相關計算方式；

蔣波以土拱效應作為基本原理，按庫倫滑裂面針對平均土側壓力系數作出了相關計算，同時由單元水平土層的靜力平衡創建起土壓力強度的相關計算方式。可是，其并未兼顧到墻體的靜力平衡因素；

通過上述相關研究著作可以了解到，怎樣能夠將擋土墻墻體的應力狀態與靜力平衡進行綜合性的分析是需要進行深入探究的重點內容。

2、擋土墻土壓力方法計算存在問題分析

2.1 傳統土壓力基礎理論比較適合在重力式擋土墻中加以使用，首先進行筑墻處理，接下來在墻背后進行填土，土體破壞面假設為平面。

2.2 傳統土壓力理論是將剛塑性體作為假定基礎前提的一種極限平衡理論，然而，天然土并不是剛塑性提，并不能達到應力的基本平衡狀態、土的破壞條件與土的邊界條件，計算出土體變形以達到最佳的一種臨界條件下的土壓力。

2.3 從粘性土的角度來看，庫倫土壓力是未把土的年粘聚力融入進來，工程當中經常使用到等數值內的摩擦角進行計算，最終的結果顯示低墻保守、高墻危險。以朗肯壓力基本理論為依據進行計算，最終的結果展現為主動土壓力過大、被動土壓力過小的實際現象。

3、擋土墻土壓力方法改進方法

在計算擋土墻壓力方面，針對剛性擋土結構，比如：鋼筋混凝土或塊石砌成的擋土墻一般運用的是庫倫土壓力方法進行的計算。針對柔性的擋土墻一般運用的是朗肯土壓力進行的相關計算。

3.1 計算模型的創建

3.1.1 基本假定

在水平層分析法的基本前提下，本文采取了以下基本假定：

（1）擋土墻屬于剛性，墻背垂直，無需考慮墻體的變形情況；

（2）墻后填筑土體為均質各向同性的砂性土，填土外表保持在水平的狀態；

（3）墻體后土體土壓力的計算需考慮土拱效應，土拱形狀假定為拋物線形狀。

水平層單元右端的直角三角形單元，其水平面為大主應力面，作用有大主應力，豎直面為小主應力面，作用有小主應力，傾斜面即滑裂面上作用有正應力與剪應力，可以明顯的看出這個直角三角形單元達到了基本的靜力平衡條件，所以水平層單元的豎向靜力平衡方程中可以不考慮滑裂面上的反力。

3.1.2 墻后土體應力狀態淺析

當擋土墻平移至某種程度的情況下，墻背土體達到了一個極限性的平衡狀態，墻后土體達到極限平衡狀態，墻后土體有滑裂面的形成。可是，因墻土接觸面摩擦力的存在，促使主應力有旋轉，從而形成土拱效應。

3.2 改進方法

假定墻后填土為無粘性土，擋土墻墻背處于垂直的狀態，墻后填土外表水平，兼顧土拱效應的影響，運用水平層單元分析法，運用朗肯滑裂面與拋物線形土拱拱跡線，對沙土的主動側土壓力系數、主動土壓力分布、主動土壓力合力作用點作出求解。

不同土層擋土墻的土壓力計算要點：運用近似的計算方法。首先求出上一土層的土壓力與其作用點的實際高度，同時近似假定：上下兩土層層面平行；計算下一土層時，把上一土層看做是均布荷載，按地面為一平面的情況下庫倫公式進行計算，隨后將下一土層的土壓應力圖形進行截取轉換為其土壓力。

結束語

進行擋土墻土設計中，擋土墻壓力方法的采用是不可或缺的重要方面，擋土墻設計是路基路面工程教學中的關鍵內容。現有的土壓力計算方法與計算過程是非常復雜的，欠缺對相關擋土墻土壓力方法的相關總結與改進。為此，對土拱效應原理求解擋土墻土壓力方法的改進有著非常重要的現實性意義，有助于掌握正確的擋土墻土壓力方法，同時掌握好擋土墻的科學合理性設計。

參考文獻：

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