探究土拱效应原理求解挡土墙土压力方法的改进

王兰 丁亚东

【摘要】本文针对土拱效应原理求解挡土墙土压力方法的改进进行探究。对应用土拱效应基本原理对挡土墙的主动土压力强度的分布潜存所运用的滑裂面在未能达到墙后滑裂砌体水平力等问题进行浅析，提出水平力平衡的滑裂面水平倾角的计算方法。以此按照单元水平土层的静力均衡条件创建竖向土压力强度、土压力合力及其相关的计算方法与模型试验成果作出对比，最终的结果证明，本文中使用的方法可促使最终的结果更为安全可靠。

【关键词】挡土墙；土拱效应原理；土压力强度

1、以土拱效应原理为依据对挡土墙土压力的研究

在挡土墙土压力的基本经典理论的基础上，朗金压力理论并未对墙体的摩擦作用作出综合性的考虑，由墙背滑裂土体的应力状态入手，将滑裂面作为其中的一个平面，土压力强度顺着墙体进行线性分布。库伦土压力理论就是对墙体的摩擦作用进行了相关分析.若滑裂面作为一个平面同时能够达到土压力的最大数值，创建起滑裂面水平倾角的计算公式。若滑裂面、墙面摩擦均匀性分布，由墙背滑动砌砌体的静力平衡得到挡土墙土压力强度沿墙背线性分布的土压力解。此两大土压力理论，由于其计算简单与力学概念非常明确，以成为挡土墙压力的经典性理论，从而获得整个建筑工程领域的广泛推广与使用。可是，实际的情况是，挡土墙压力强度并不是线性分布的，全国各个国家大量的室内试验与现场测试结果证明：挡土墙土压力强度是以非线性进行分布的，土压力作用点并未达到墙体高度的三分之一。

卡岗在1960年发表的《论挡土墙上非线性分布土压力》当中对于墙面垂直、墙背填筑砂性土、填土面水平的刚性挡土墙可运用水平层分析法作出了相关的计算，最终获得土压力强度沿墙高呈现非线性分布，分布的图形为曲线形。可是，其假设水平土层的竖向应力以圆形的状态分布，但未对墙体的土拱效应作出充分的考虑；

王元战通过库伦滑裂面的单元水平土层的静力平衡，对土侧压力系数作出了相关的计算，同时创建起土压力强度的计算方式，与此同时，存在假设水平土层的竖向应力以均匀的状态分布，同时亦没有考虑到土拱效应的相关问题；

Handy（1985年），Paik（2003年）以土拱效应原理为依据，按朗肯滑裂面创建起土侧压力系数与土压力强度的相关计算方式；

蒋波以土拱效应作为基本原理，按库伦滑裂面针对平均土侧压力系数作出了相关计算，同时由单元水平土层的静力平衡创建起土压力强度的相关计算方式。可是，其并未兼顾到墙体的静力平衡因素；

通过上述相关研究著作可以了解到，怎样能够将挡土墙墙体的应力状态与静力平衡进行综合性的分析是需要进行深入探究的重点内容。

2、挡土墙土压力方法计算存在问题分析

2.1 传统土压力基础理论比较适合在重力式挡土墙中加以使用，首先进行筑墙处理，接下来在墙背后进行填土，土体破坏面假设为平面。

2.2 传统土压力理论是将刚塑性体作为假定基础前提的一种极限平衡理论，然而，天然土并不是刚塑性提，并不能达到应力的基本平衡状态、土的破坏条件与土的边界条件，计算出土体变形以达到最佳的一种临界条件下的土压力。

2.3 从粘性土的角度来看，库伦土压力是未把土的年粘聚力融入进来，工程当中经常使用到等数值内的摩擦角进行计算，最终的结果显示低墙保守、高墙危险。以朗肯压力基本理论为依据进行计算，最终的结果展现为主动土压力过大、被动土压力过小的实际现象。

3、挡土墙土压力方法改进方法

在计算挡土墙压力方面，针对刚性挡土结构，比如：钢筋混凝土或块石砌成的挡土墙一般运用的是库伦土压力方法进行的计算。针对柔性的挡土墙一般运用的是朗肯土压力进行的相关计算。

3.1 计算模型的创建

3.1.1 基本假定

在水平层分析法的基本前提下，本文采取了以下基本假定：

（1）挡土墙属于刚性，墙背垂直，无需考虑墙体的变形情况；

（2）墙后填筑土体为均质各向同性的砂性土，填土外表保持在水平的状态；

（3）墙体后土体土压力的计算需考虑土拱效应，土拱形状假定为抛物线形状。

水平层单元右端的直角三角形单元，其水平面为大主应力面，作用有大主应力，竖直面为小主应力面，作用有小主应力，倾斜面即滑裂面上作用有正应力与剪应力，可以明显的看出这个直角三角形单元达到了基本的静力平衡条件，所以水平层单元的竖向静力平衡方程中可以不考虑滑裂面上的反力。

3.1.2 墙后土体应力状态浅析

当挡土墙平移至某种程度的情况下，墙背土体达到了一个极限性的平衡状态，墙后土体达到极限平衡状态，墙后土体有滑裂面的形成。可是，因墙土接触面摩擦力的存在，促使主应力有旋转，从而形成土拱效应。

3.2 改进方法

假定墙后填土为无粘性土，挡土墙墙背处于垂直的状态，墙后填土外表水平，兼顾土拱效应的影响，运用水平层单元分析法，运用朗肯滑裂面与抛物线形土拱拱迹线，对沙土的主动侧土压力系数、主动土压力分布、主动土压力合力作用点作出求解。

不同土层挡土墙的土压力计算要点：运用近似的计算方法。首先求出上一土层的土压力与其作用点的实际高度，同时近似假定：上下两土层层面平行；计算下一土层时，把上一土层看做是均布荷载，按地面为一平面的情况下库伦公式进行计算，随后将下一土层的土压应力图形进行截取转换为其土压力。

结束语

进行挡土墙土设计中，挡土墙压力方法的采用是不可或缺的重要方面，挡土墙设计是路基路面工程教学中的关键内容。现有的土压力计算方法与计算过程是非常复杂的，欠缺对相关挡土墙土压力方法的相关总结与改进。为此，对土拱效應原理求解挡土墙土压力方法的改进有着非常重要的现实性意义，有助于掌握正确的挡土墙土压力方法，同时掌握好挡土墙的科学合理性设计。

参考文献：

[1] 赵永富，于洪丽，任雪松.挡土墙与土压力计算理论[J].黑龙江水利科技，2008，36（2）：93.

[2] 张平，田红花，李日运.挡土墙被动土压力计算方法的探讨[J].沈阳大学学报，2006，18（2）：54-57.

[3] 花丽坤，孔亮.土压力计算中几个问题的探讨[J].宁夏工程技术，2004，4（3）：303-307.