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土压力是土力学的一个古老课题,经典的库仑(Coulomb)土压力和朗肯(Rankine)土压力理论,由于计算的简单和力学概念明确,一直为工程设计所采用。可是直到现在土压力理论仍然不是很完善,经典土压力主要存在三个明显的缺点:一是要求土体变形完全达到极限状态的临界条件;二是经典土压力理论没有考虑挡土墙的变位方式及其位移对土压力的影响;三是要求挡土墙为均匀平移;这些与挡土墙实际的变位模式和位移情况不符。由于岩土工程的复杂性,土压力问题一直以来很难用理论计算做出精确的解答;所以有必要对经典的土压力进行发展,才可以较为准确的计算刚性挡土墙的土压力分布,这也是决定挡土墙结构设计经济的一个重要因素。
本文以不同变位模式且考虑位移效应的刚性挡土墙为研究对象,首次将不同变位模式与考虑位移效应的挡土墙应用到水平薄层分析法中,对水平层分析法进行了推广,利用改进的水平层分析法推导了挡土墙各种变位模式下的土压力分布公式。墙体变位模式包括三种基本变位模式:平移(T)、绕墙底转动(RB)、绕墙顶转动(RT)。本文对T、RB和RT模式的主动和被动土压力分布进行了详细的推导,得到了相应形式下土压力的分布。在对推导RB与RT模式的侧向土压力系数时,发现侧向土压力系数不仅与土体的参数和墙土间的外摩擦角有关,而且和墙后填土的深度与薄层单元上的垂直压力有关。关于对这个侧向土压力系数的描述很复杂,要清楚土压力的真实分布必须完全弄清楚这个土压力系数与这些参数的复杂关系,文中对得到的侧向土压力系数进行了简化。不同变位模式下,随墙体位移增大,墙后土体塑性区的发展不相同,这使得填土抗剪强度的发挥和墙土接触面上摩擦力的发挥均不同,而这又将决定挡土墙上土压力的大小。因此,针对不同的变位方式采用不同函数拟合填土内摩擦角和墙土接触面上摩擦角发挥与位移之间的关系,以此反映土压力随位移的发展。并引入摩擦角正切值与位移之间的关系,得到不同墙体变位模式下任意位移时挡土墙上水平土压力强度大小、分布,水平土压力合力大小及合力作用点;本文为了计算方便,特编制了本文土压力计算的MATLAB程序,计算结果与实测结果符合很好,充分肯定了本文计算方法的可行性。