支擋結(jié)構(gòu)土壓力的解析算法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種支擋結(jié)構(gòu)土壓力的解析算法，可以較為準確的得出剛性支擋結(jié)構(gòu)的被動土壓力，包括下述步驟：假設支擋結(jié)構(gòu)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(lián)立方程求解未知量；推求被動土壓力強度、被動土壓力系數(shù)、被動土壓力合力和被動土壓力合力作用點。本發(fā)明的優(yōu)點和效果在于：綜合考慮了支擋結(jié)構(gòu)后填土的物理力學性質(zhì)、支擋結(jié)構(gòu)形狀和支擋結(jié)構(gòu)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(jié)果精確可靠，屬于土壓力的解析算法，根據(jù)本方法思路同時可以方便地應用于支擋結(jié)構(gòu)主動土壓力的求解，可為支擋結(jié)構(gòu)的土壓力準確計算提供依據(jù)。
【專利說明】支擋結(jié)構(gòu)土壓力的解析算法 【技術(shù)領(lǐng)域】
[〇〇〇1] 本發(fā)明屬于巖土工程【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及巖土工程中支擋結(jié)構(gòu)被動土壓力的解析 算法。 【背景技術(shù)】
[0002] 在土木、水利、交通、市政、電力等工程領(lǐng)域中，經(jīng)常會遇到修建擋土結(jié)構(gòu)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(wěn)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(cè)向壓力-土壓力。因此，土壓力是 設計擋土結(jié)構(gòu)物斷面及驗算其穩(wěn)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(zhì)有關(guān)外，還和支擋結(jié)構(gòu)的位移方向、位移量、土體與結(jié)構(gòu)物之間的相互作用以及 擋土結(jié)構(gòu)物類型有關(guān)。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(tài)出發(fā)，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(tài)。Coulomb 土壓力理論根據(jù)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(zhì)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(chǎn)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(jīng)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(jié)構(gòu)總是線性分布的，土壓力的合力作用 點總是作用在支擋結(jié)構(gòu)1/3處，這些都是與大量的室內(nèi)試驗和現(xiàn)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(shù)偏大，被動土壓 力系數(shù)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(jié)果又相對準確， 符合實際情況的支擋結(jié)構(gòu)土壓力計算方法。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種可以綜合考慮支擋結(jié)構(gòu)后填土的物理力學性質(zhì)、支擋 結(jié)構(gòu)形狀和支擋結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)土壓力的解析算法。
[0006] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：一種支擋結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)后土體的滑動土楔范圍；
[〇〇〇9] B、對支擋結(jié)構(gòu)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(lián)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(shù)、被動土壓力合力和被動土壓力合力作 用點。
[0015] 本發(fā)明綜合考慮了支擋結(jié)構(gòu)的各種形式，可以同時適用支擋結(jié)構(gòu)堅直、仰斜和俯 斜情況。本發(fā)明可以同時考慮土體內(nèi)摩擦角φ和土體與支擋結(jié)構(gòu)摩擦角δ對支擋結(jié)構(gòu)土壓 力的影響。本發(fā)明得到的作用在支擋結(jié)構(gòu)上的被動土壓力是非線性分布的。本發(fā)明得到的 作用在支擋結(jié)構(gòu)上的被動土壓力合力不總是作用在1/3支擋結(jié)構(gòu)高處。
[0016] 本發(fā)明的優(yōu)點和效果在于：綜合考慮了支擋結(jié)構(gòu)后填土的物理力學性質(zhì)、支擋結(jié) 構(gòu)形狀和支擋結(jié)構(gòu)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(jié)果精確可靠，屬于土壓力的解析算法，根據(jù)本方法思路同 時可以方便地應用于支擋結(jié)構(gòu)主動土壓力的求解，可為支擋結(jié)構(gòu)的土壓力準確計算提供依 據(jù)。 【專利附圖】

【附圖說明】
[0017] 圖1是本發(fā)明支擋結(jié)構(gòu)破壞土楔和水平層劃分。
[0018] 圖2是本發(fā)明靜力條件下被動狀態(tài)水平微單元體受力分析。
[0019] 圖3是本發(fā)明動力條件下被動狀態(tài)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(jīng)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(jīng)典動土壓力Mononobe-Okabe理論的對比。 【具體實施方式】
[0022] 以下結(jié)合具體實例和附圖詳細敘述本發(fā)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(fā)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)后土體的滑動土楔范圍：圖1中的ABC。ABC為 支擋結(jié)構(gòu)后達到極限狀態(tài)時的滑動土楔，其中A點為支擋結(jié)構(gòu)墻背頂點，B為支擋結(jié)構(gòu)的墻 踵，C點為達到極限狀態(tài)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)上的法向反力px，傾斜支擋結(jié) 構(gòu)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(jié)構(gòu)上的法向反力px，傾斜支擋結(jié)構(gòu)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(jié) 構(gòu)與土之間的摩擦角，Φ為支擋結(jié)構(gòu)后土體的摩擦角，α為支擋結(jié)構(gòu)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(quán)利要求】
1. 支擋結(jié)構(gòu)土壓力的解析算法，其特征在：包括下述步驟： A、 假設支擋結(jié)構(gòu)后土體的滑動土楔范圍； B、 對支擋結(jié)構(gòu)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(lián)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(shù)、被動土壓力合力和被動土壓力合力作用點。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的支擋結(jié)構(gòu)土壓力的解析算法，其特征在于：支擋結(jié)構(gòu)為堅直、 仰斜和俯斜。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的支擋結(jié)構(gòu)土壓力的解析算法，其特征在于：作用在支擋結(jié)構(gòu) 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(yōu)先權(quán)日:2014年6月23日
【發(fā)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