柔性挡土结构土压力问题探讨

柔性挡土结构土压力问题探讨
龚丽飞
(南京水利科学研究院岩土工程所，江苏南京 210098)
摘要：根据国内外学者采用不同的研究方式，参考大量文献，对柔性挡土结构土压力及土压力计算的一些因素进行探讨，为工程的设计和施工提供一些参考依据。

关键词：柔性挡墙，土压力，R形分布，土压力计算方法
Study on the problem of Earth pressure of Flexible
retaining walls
Abstract: Based on the different research methods used by domestic and oversea researchers and some factors affected on Earth pressure of Flexible retaining walls are discussed so as to make referrence for design and construction.
Keywords: Flexible retaining walls, Earth pressure, “R” distribution, Computing method of Earth pressure.
1 前言
挡土结构是一种常见的岩土工程建筑物，按其刚度和位移方式分为刚性挡土墙、柔性挡土墙和临时支撑三类。

其中柔性挡土墙广泛应用于工程实践，多为板桩式挡土结构，例如边坡工程中锚定板，码头工程的板桩墙或地下连续墙，基坑工程的支护结构等等。

与刚性挡土墙不同，柔性挡墙自身结构在受到土压力作用时发生挠曲变形，土压力重新分布，因而挡墙前后的土压力的计算分析就显得十分的复杂，此外柔性挡墙施工不同于重力式或刚性挡墙，往往面临开挖、回填带来的结构变形、回填土的性质对结构影响等问题，还涉及挡墙结构的稳定以及结构与土体相互作用等诸多问题。

国内外众多学者对柔性挡土墙的土压力分析计算展开了深入的研究，本文在前人对柔性挡墙土压力问题研究工作的基础上,进行探讨总结，以期有所裨益。

2 实验分析
2.1 室内模型试验
Terzaghi（1934）[1]曾用砂土作为填土进行了挡土墙的模型试验，研究了作用在墙背上的土压力与墙的位移之间的关系。

当墙体离开填土移动时，位移量很小，即发生主动土压力E a。

当墙体从静止位置被外力推向土体，只有当位移量大到相当值后，才达到稳定的被动土压力值E p。

验证了朗肯与库伦土压力经典理论是计算土体达到极限平衡状态时的土压力，这种极限状态要求挡墙的位移使土体抗剪应力达到抗剪强度，土压力的分布形式为三角形直线分布。

刘晓立、严驰等[2]对柔性挡墙在砂性填土中的土压力试验研究指出，对于悬臂板桩以失稳状态作为板桩的破坏形式来计算时，土压力状态与线性分布的朗肯土压力不同，总主动土压力、总被动土压力均分别小于朗肯总主动土压力、总被动土压力；对于单锚板桩实测土压力与朗肯土压力的差异在于，随开挖面深度增加锚拉力增大，板后土体对板的反作用力增大。

因此，出现局部土压力值大于主动土压力值的现象，尤其在拉锚附近，出现峰值，使土压力 作者简介：龚丽飞（1981—），男，江苏海门人，硕士研究生，主要从事软土力学和码头现场监测方面的研究，Email:lifeigong@。

出现“R”形分布状态。

岳祖润等[3]采用离心模型试验对压实粘性填土挡土墙进行主动土压力研究，墙体无位移时土压力最大，但由于墙体本身的微小变形，土压力值略小于静止土压力，随挡墙的位移的增加，土压力向主动状态发展，但各点达到主动状态所需的位移不同，说明土体发生塑性变形，一点达到主动状态，位移增加土压力并无减小；土压力极值点和合力作用点不受墙体位移影响，但沿深度土压力呈中间大两端小的曲线分布，不同经典朗肯土压力值。

在码头工程的板桩墙以及基坑支护结构中，墙后土体出现竖拱现象，土压力为“R”形分布[4]、[5]，Rowe(1957)首次用土拱效应来解释锚桩墙土压力的重分布现象。

因此在对连续墙等柔性挡墙的土压力研究，要充分考虑好入土深度以及开挖深度等因素对土体达到的状态、土压力的计算及分布的影响。

2.2 原型观测
柔性挡墙形式各异有锚和无锚、单锚和多锚等等，应用于各种基坑、码头、边坡工程，对不同的情况下影响因素也不同，而原型观测能很好地检测各种实际因素影响下结构、土体以及地下水等变化过程，是检验土压力计算理论的最好方法，因而显得十分的重要和有意义。

文献[6]对软土地基上地下连续墙进行原型观测，对实测土压力结果进行分析表明：压力的分布比较复杂，与支撑约束，墙体变形，开挖顺序等有关。

墙体的变位导致主动区土压力减小，被动区土压力增大；开挖面以上的朗肯计算值与实测值比较吻合。

但开挖面以下主动区土压力小于朗肯值土压力呈“R”形分布，被动区则大于朗肯值。

土压力是柔性挡墙的主要荷载，文献[7]对新型预应力锚拉式板桩墙土压力进行原型观测，墙后土压力大小受填土高度，桩板刚度及锚索限位的影响。

土压力在墙后的分布呈现特殊的规律：土压力随填土增加而增加，土压力值在大部分墙段较朗肯主动土压力值大，而在靠近原地面3 m左右由于地基的固定界面和摩阻力作用的影响在开始迅速减小。

3 数模分析
柔性挡墙在发挥挡土过程中存在自身墙体变形，文献[8]指出柔性墙与刚性挡土墙不同的是，在荷载作用下，其工作状态一般为弹性嵌固，由于内支撑系统及人土段土体的约束，在墙后土体的压力下，墙体产生挠曲变形，引起土压力重新分布。

因此利用数值模型分析计算柔性挡墙、土体及锚杆或支撑这一整体结构时，可以充分考虑结构与土体相互作用、土体特性、上部荷载的各种自然和人为因素，这对各种柔性挡土结构设计优化具有重要的指导作用和现实意义。

Coyle, Sulaiman等（1967）[9]考虑了挡墙与土体之间的摩擦，分析了结构的变形；Halliburton（1968）[10]利用有限元分析了柔性挡墙土压力大小及沿深分布； Clough，Duncan(1971) [11]利用非线性弹性应力应变模型和节点单元原理分析墙后土压力；Vaziri （1994）[12]利用边界单元考虑结构与土体之间接触问题编写柔性挡墙通用程序，建立了柔性挡墙预测模型，并且模拟了软土和砂土地基中板墙开挖问题：在软粘土地基中，最后开挖面以下挡墙两侧土体均发生“拱效应”，主动土压力减小，被动土压力增大；在砂土中，摩擦角的变化对墙体的位移影响比较大，摩擦角减小20％墙体弯矩大幅增加（超达100％），而对主动和被动土压力影响不大。

在两种地基土中，模型预测与实测结果基本一致。

文献[13]指出采用数值模型分析土与结构相互影响(如土压力问题)时，最重要的则是除利用能准确描绘土的变形与强度特征的本构模型外，还要能正确评价土与结构之间界面上的力学特性。

应宏伟，谢永利等（1998）[14]对基坑中板式柔性支挡结构进行了数值模拟，并在挡土墙与土体之间设置Desai摩擦单元，研究开挖施工条件下悬臂式挡墙和支挡式挡墙的土压力：悬臂式墙后无土拱现象，土压力介于静止和主动土压力之间；同时分析土压力的时间效
应，空隙水压、挡墙的刚度和入土深度等因素的影响。

4 土压力计算方法
对土压力计算方法得研究，关键在于解决土压力大小分布以及合力作用点位置。

目前主要的计算方法一为极限平衡理论，二为考虑结构与土体变形协调的位移计算法，三为有限元等其他计算方法。

朗肯与库伦土压力理论为极限方法，分别有Rankine（1776）和Coulomb（1857）提出，它们都以一些基本假定，土体达到极限平衡状态为前提，通过极限平衡分析得到。

所不同的是朗肯土压力是以半空间应力空间内土单元体达到极限平衡状态，库伦土压力理论是以土体沿平面滑动破坏假定为基础，考虑墙后整个滑动楔体的极限平衡。

由于前提假设的限制，因此在许多实际柔性挡墙结构中，经典土压力计算理论存在不足,首先墙后土体并非只是干的无粘性土，墙体并非光滑，其次土体并非刚塑性体，土体不可能在满足各种条件下达到极限状态，。

对于基坑、码头或地下工程的挡墙或地连墙等柔性挡墙而言，土压力计算的影响因素十分的复杂，柔性墙体自身变形变位、墙后土体强度变形特性、开挖等施工因素以及地下水等等,文献即对柔性挡墙非极限平衡条件下土压力计算各种影响因素作出了分析。

Bros（1972）[15]考虑砂土中墙体位移情况下，主动和被动土压力计算问题；Yung-shou Fang等（1994）[16]、[17]提出了墙体不同变位下土压力计算问题，给出了T模式（水平移动）、RT模式（绕顶转动）和RB模式（绕地转动），指出土压力计算还与墙体变位模式有关；徐日庆（2000）[18]考虑位移和时间，引入松弛和积压应力的概念，构造三角函数和指数函数，给出位移和时间耦合作用下的土压力计算公式，同时对基坑开挖问题可利用参数反分析方法反演各种力学参数的变化。

杨斌，胡立强（2000）[19]利用双曲线拟合实测粘质粉土和砂土侧土压力强度随挡板向外平移的位移量变化的规律提出了考虑位移的简化计算方式；陈页开，徐日庆，龚晓南等（2001）[8]对基坑工程柔性围护挡土结构土压力计算，考虑围护墙位移与土压力非线性关系，引入指数函数，给出了计算模型；梅国雄，宰金珉（2001）[20]提出了考虑位移的土压力模型，推导考虑位移的朗肯土压力理论。

对柔性墙体后的地下水对土压力计算的影响，尤其是基坑工程中的柔性支护结构，魏汝龙[21]对采用总应力法计算土压力进行相关的讨论，尤其是总应力法粘性土计算土压力往往偏高或偏低水压力在主动和被动情况的影响，也给出了固结不排水和不排水抗剪强度指标下的土压力计算公式， 指出利用固结不排水强度指标计算主动土压力时夸大了水压力，计算被动土压力则相反；同样对于采用不排水强度则夸大和缩小了凝聚力作用，建议采用水、土分算。

李广信，周顺和（1999）[22]也对超静孔压与土压力的关系进行了研究，表明由于超静孔压的存在，总的土压力大小会改变，土压力并非直线分布，土体滑裂面的位置也将改变。

而在考虑结构土体相互作用情况下对土压力的计算，我们往往借助于有限元、边界元等杂的计算方法，随着计算理论与数学工具的进步（诸如遗传算法等），土压力计算研究将更为深入、更加完善。

5 结语
柔性挡墙作为挡墙的一种形式，其土压力问题的研究尤其是土压力计算对实际柔性挡墙结构的设计、施工起着指导和决定作用。

本文从我们研究的方式入手，结合柔性挡自身的特点，综合了这种结构所受土压力变化、分布形式规律以及考虑影响因素下土压力计算的研究现状，对工程实际有所参考利用。

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