一种衡重式挡土墙的主动土压力确定方法

技术领域

本发明属于岩土工程中的支挡结构设计与稳定性评价的技术领域，具体涉及一种衡重式挡土墙的主动土压力确定方法。

背景技术

衡重式挡土墙是为适应我国山区地形创新的一种重力式挡土墙结构形式。相比普通重力式挡土墙，在地面横坡较陡条件下的收坡效果好，圬工用量小，衡重台上覆土体增强墙体抗倾覆稳定性，基础应力分布较均匀，基础开挖和回填方量大大减少，另外，路肩地段采用衡重式挡土墙可避免墙身侵入路基。因此，衡重式挡土墙成为我国山区铁路和公路工程中应用较为广泛的一种挡土墙结构形式。

由于衡重台的存在，衡重式挡土墙受力特性相较于普通重力式挡土墙的平面墙背发生较大变化，墙背承受的土压力也更复杂。目前，工程中一般将衡重式挡土墙可分为上、下墙段，分别基于库伦土压力理论确定相应墙背承受的土压力。上墙背土压力通过墙顶与衡重台外缘连线的假想墙背确定，当土体中出现第二破裂面时，则按第二破裂面法确定；下墙背土压力则采用延长墙背法或力多边形法确定。但在实际工程应用中，时有发生衡重式挡土墙变形过大甚至失稳的案例，尤其是上墙与衡重台交界处易发生拉裂破坏等现象，说明按传统方法确定的衡重式挡土墙结构稳定性存在一定的安全风险。

衡重式挡土墙背土体破裂面特征及土压力试验表明，在挡土墙处于极限平衡状态下，墙背土体中仅形成过衡重台缘的上墙第二破裂面和过墙踵的下墙破裂面，而传统方法假设的上墙第一破裂面并未形成，该差异导致土压力在上、下墙背的分配发生变化，引起上墙背土压力明显增大而下墙背土压力减小，是造成衡重式挡土墙上墙与衡重台交界处易发生拉裂破坏的重要原因。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的上述不足，提供一种衡重式挡土墙的主动土压力确定方法，以解决传统方法未考虑到上墙破裂棱体的第一破裂面未形成，该差异导致土压力在上、下墙背的分配发生变化，引起上墙背土压力明显增大而下墙背土压力减小的问题。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种衡重式挡土墙的主动土压力确定方法，其包括以下步骤：

S1、确定衡重式挡土墙结构和墙背填土参数；

S2、根据衡重式挡土墙结构，计算衡重式挡土墙上墙破裂棱体的第一破裂面剪切角；

S3、根据衡重式挡土墙结构、墙背填土参数和第一破裂面剪切角，构建力多边形闭合的静力平衡方程，并计算得到衡重式挡土墙上墙破裂棱体的第一破裂面倾角和第二破裂面倾角；

S4、基于计算所得的衡重式挡土墙上墙破裂棱体的第一破裂面倾角和第二破裂面倾角，计算得到第一破裂面土压力和第二破裂面土压力；

S5、根据第二破裂面与上墙背间的衡重台上土体的自重，计算衡重式挡土墙上墙背土压力和衡重台土压力；

S6、根据下墙破裂棱体的自重，计算衡重式挡土墙下墙破裂面倾角及下墙背土压力。

进一步地，步骤S1中确定衡重式挡土墙结构和墙背填土参数，包括：

量测确定的衡重式挡土墙的上墙高度H

以及采用土工试验获得的墙背土体容重γ、综合内摩擦角

进一步地，步骤S2中计算衡重式挡土墙上墙破裂棱体的第一破裂面剪切角，包括：

根据墙顶以上路堤边坡高度h，计算上墙破裂棱体的第一破裂面剪切角发挥系数η：

η＝0.841-0.478e

根据综合内摩擦角

且h≤8m。

进一步地，步骤S3中构建力多边形闭合的静力平衡方程，并计算得到衡重式挡土墙上墙破裂棱体的第一破裂面倾角和第二破裂面倾角，包括：

构建力多边形闭合的静力平衡方程：

其中，W′为基于破裂棱体自重，R

将静力平衡方程对β、α求导，得到极限方程，求解极限方程以求解得到β、α。

进一步地，步骤S5中计算衡重式挡土墙上墙背土压力和衡重台土压力，包括：

根据第二破裂面与上墙背间的衡重台上土体的自重W、第二破裂面土压力E′及与法线夹角

求解该力多边形闭合的静力平衡方程组，以得到上墙背土压力E

进一步地，步骤S6中计算衡重式挡土墙下墙破裂面倾角θ和下墙背土压力E

根据下墙破裂棱体的自重W″、第一破裂面土压力R

对该力多边形闭合的静力平衡方程组的θ求导，以得到极限方程，求解极限方程得到下墙破裂面倾角θ，将下墙破裂面倾角θ代入该静力平衡方程组，以得到下墙背土压力E

本发明提供的衡重式挡土墙的主动土压力确定方法，具有以下有益效果：

本发明提出一种考虑上墙破裂棱体的第一破裂面剪切角ζ不大于墙背土体综合内摩擦角

本发明考虑到上墙破裂棱体的第一破裂面未形成，对传统方法进行修正，为完善衡重式挡土墙结构设计与稳定性评价奠定基础。

本发明方法的衡重式挡土墙墙背土体破坏模式更符合工程实际，土压力计算精度更高，且能考虑墙顶以上路堤高度的影响，完善了衡重式挡土墙结构设计方法和稳定性评价技术。

附图说明

图1为衡重式挡土墙的主动土压力确定方法的力学模型图。

图2为衡重式挡土墙的主动土压力确定方法的力多边形图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

根据本申请的实施例1，参考图1和图2，本方案的衡重式挡土墙的主动土压力确定方法，包括以下步骤：

步骤S1、确定衡重式挡土墙结构和墙背填土参数，其具体包括：

通过量测确定衡重式挡土墙的上墙高度H

以及由土工试验获得墙背土体容重γ(kN/m

步骤S2、根据衡重式挡土墙结构，计算衡重式挡土墙上墙破裂棱体的第一破裂面剪切角，其具体包括：

根据墙顶以上路堤边坡高度h，计算上墙破裂棱体的第一破裂面剪切角发挥系数η：

η＝0.841-0.478e

根据综合内摩擦角

确定上墙第一破裂面剪切角ζ的适用条件为墙顶以上边坡高度h≤8m。

步骤S3、根据衡重式挡土墙结构、墙背填土参数和第一破裂面剪切角，构建力多边形闭合的静力平衡方程，并计算得到衡重式挡土墙上墙破裂棱体的第一破裂面倾角和第二破裂面倾角，其具体包括：

根据步骤S1确定的衡重式挡土墙结构和墙背填土参数，以及步骤S2获得的上墙破裂棱体的第一破裂面剪切角ζ，基于破裂棱体自重W′、第一破裂面土压力R

将该方程组对第一、二破裂面倾角β、α求导得到极限方程，求解极限方程得上墙第一、二破裂面倾角β、α。

第一破裂面倾角β：

H′＝H

其中，h"为衡重台边缘至边坡面或路基面的垂直距离(m)；α'为假想墙背倾角(°)；H′为上墙高H

第二破裂面倾角α：

步骤S4、基于计算所得的衡重式挡土墙上墙破裂棱体的第一破裂面倾角和第二破裂面倾角，将第一破裂面倾角和第二破裂面倾角代入步骤S3建立的方程组，计算得到第一破裂面土压力和第二破裂面土压力；

第二破裂面土压力E'：

步骤S5、根据第二破裂面与上墙背间的衡重台上土体的自重，计算衡重式挡土墙上墙背土压力和衡重台土压力，其具体包括：

根据第二破裂面与上墙背间的衡重台上土体的自重W、第二破裂面土压力E′及与法线夹角

上墙背土压力E

衡重台土压力P：

步骤S6、根据下墙破裂棱体的自重，计算衡重式挡土墙下墙破裂面倾角及下墙背土压力，其具体包括：

根据下墙破裂棱体的自重W″、第一破裂面土压力R

将该方程组对θ求导得到极限方程，求解极限方程得下墙破裂面倾角θ，然后将下墙破裂面倾角θ代入静力平衡方程得下墙背土压力E

下墙破裂面倾角θ：

下墙背土压力E

其中，ψ、B

根据本申请的实施例2，本实施例的上墙破裂棱体的第一破裂面剪切角发挥系数η回归公式根据多因素正交试验和回归分析而建立，下面对其过程进行介绍：

首先，根据衡重式挡土墙特点，从路堤边坡形式、填料性质和挡土墙结构形式三个方面，选取影响墙背主动土压力的六个主要因素包括：①边坡高度、②边坡坡率、③填土内摩擦角、④衡重台宽度、⑤挡土墙高度、⑥上墙高占比，每个因素取三水平，见表1。

表1正交试验因素水平表

然后，基于正交试验设计，确定正交试验方案L

表2多因素正交试验L

最后，通过极差和方差分析得因素①边坡高度h(m)对第一破裂面剪切角发挥系数η影响显著，其余因素影响均不显著，见表3表和表4。根据多元回归分析建立主要影响因素边坡高度h(m)与第一破裂面剪切角发挥系数η的回归公式η＝0.841-0.478e

表3极差分析

表4方差分析

本发明通过模型试验和有限元计算发现，衡重式挡土墙处于主动极限平衡状态时，墙背土体中仅形成上墙第二破裂面和下墙破裂面，而上墙第一破裂面未形成；通过正交试验方法，得到第一破裂面剪切角发挥程度与路堤边坡高度密切相关，而边坡坡度、内摩擦角、衡重台宽度、挡土墙高度及上墙高占比影响不大；通过多元回归分析，得到第一破裂面剪切角发挥系数η与边坡高度h(m)满足以自然对数e为底的指数函数关系式η＝0.841-0.478e

因此，在确定衡重式挡土墙的主动土压力时，首先根据边坡高度确定η值，从而得到剪切角ζ，再由本发明提供的一种衡重式挡土墙主动土压力确定方法得到墙背土压力值。该方法提高了衡重式挡土墙土压力确定精度，完善了土压力计算方法，降低了上墙结构的开裂风险，增强了挡土墙结构安全性。

虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。