基于路基施工工艺对挡土结构物土压力的影响研究
河海大学硕士学位论文路基施工工艺对挡土结构物土压力的影响研究姓名：叶建东申请学位级别：硕士专业：岩土工程指导教师：王保田20060601n摘要经典的库仑和朗金土压力理论，因其计算简单和力学概念明确，一直为工程设计所采用。但由于经典土压力理论存在明显的弱点：要求土体变形达到极限状态的临界条件，并没有考虑到土体没有达到极限状态下的土压力计算问题。所以，在实际中，当挡土结构物发生远离填土时，土压力设计值通常使用主动土压力，小于实际的土压力，这样可能造成结构物不安全。对于桥台工程，土压力过太可能造成梁板因为桥台发生过大的位移而无法安装。本文通过总结以往对土压力计算的研究，在基于位移～土压力理论的基础上，针对先修结构物后填土的施工工艺的填土位移特点，对土压力计算进行了改进。结合实际测量的土压力，发现在这种施工工艺下土压力大于主动土压力，并且在试验中还发现常规的碾压方式对士压力将造成增大的影响。针对这一实际工程问题，在现场试验采用了在桥台过渡区土体内分层铺设土工格栅、改变碾压方式两种方法来减小土压力和控制桥台桩位移的措腌。本文研究工程，主要得到如下结论：(1)在先修结构物后填土的施工工艺下，填土土压力大于设计的主动土压力(2)提出了使用增量百分比的概念表示土压力的发展，这样很好的解决了现场试验普遍存在的测量土压力数据存在误差的问题，根据现场对比试验发现，铺设土工格栅能够很有效的控制土压力的增长和减小位移。(3)在现场采用两种横向碾压方式和纵向碾压方式三种碾压方式对桥台过渡区土体进行碾压，发现纵向碾压会增大土压力，而从桥台处远离桥台横向碾压能有效的减小土压力值。关键词：旌工工艺填土施工土压力侧向位移土工格栅碾压方式nABSTRACTThedesigncodesusuallyusetheclassicalCoulomb’SorRankine’Searthpressuretheorybecausetheyareeasytobeusedandtheirmechanicsconceptionaredefinitely．Butbothofthemhaveobviousshortage：thedistortionofsoilmustarrivelimitcondition．Whentheretainingwallhasdisplacementawayfromthesoil，thedesignedearthpressurewillbelowerthantherealearthpressure，Thiswillmaketheretainingwallunsafe．Astothebridgeabutment，toomuchdisplacementwillmakeitdifficulttoassemblethebean—slab．Inthispaper,thecalculationoftheearthpressurewillbesummarizedandbeimprovedbasedontheearthpressuresVS．1ateraldisplacementstheoryaimatconstructingbeforefillingsoil，Foundtherealearthpressurelargerthandesignedearthpressureandfoundroutinewayofrollingwillmakeearthpressurelarger．pavinggeo—gridintheearthtolowertheearthpressuremaddisplacementoftheabutment．Someworkshavebeendoneinthispaper．Theresultsaremainlysummarizedasfollows：(1)thefillingsoilpressureisbiggerthanthedesignedpressure,whenthefillingbeforeconstruction．(2)(3)Usetheincreasingpercentagetoshowthedevelopmentoftheearthpressuretosolvethedataerrorinfieldtest．foandthatusegeo．gridtocontr01thepressureanddisplacementofabutment．Comparethewaysofrollingwhichincludetwowaysoflandscapeorientationrollingandonewayofportraitrolling，foundtheportraitrollingwillincreasetheearthpressure，andthelandscapeorientationrollingfromfartotheabutmentwitjdecreasetheearthpressure．Keywords：constructionprogram，fillingconstruction，earthpressure，lateraldisplacement，geo-grid，wayofrollingn誊亳善喜垂薹誊蓁霎萋辜蠹羹攀垂露薹孽薹善耋3．4霉r套引秦§疆3．411矍囊霎姜羹雾鐾矍姜耋童塞薹莺氢鋈蓁薹薹蓥奏磊墅羹荔萎薹耋薹：羹蠢霎雾话墨鐾塞囊霎鬟耄薹篓蜜霎萋奏霎霎蓁彳墨=善P囊薹蓉囊鬻塑÷蠹篓i霎荔塞奏妻粪篓莲薹冀塑薹萋。薹币圭矍囊薹萎雾霪冀囊鼋型霉萋霎；萋羹蒿霎薹奏嚣雕二饕薹篓荔墓幕薹主鋈同晕囊茎j群髓鉴萋奏薹窆囊薹霪羹塞鐾薹翼萋蓉茎萋雾鎏霪蠢些奏i薹霎鐾露曼霎彳囊嘤囊蔷型偏ilg鲤；。耄fl+I门墓饕囊鋈鬓薹薹篓茎鐾薹耄：篷萋蕹=璧囊萋霪美萋圣蚕霎萋嚣饕霎霎篓羹篓奏蓁葑甜羹仆羹薹霪蠢萋霎[32-33}；篱羹囊蓁薹蚕蒿蹬；霆喜饕萎蚕耄耻醣蕊霎霎主萋：奏墓要蠢篓矍。翼薹蠹引塞蒜墅薹鎏誉P虱墓l萎薹囊量2；誊薷誊囊鐾囊鬻氟兰喜羹薹羹蓥薹薹蓁蓁萋鞠萎i矍奏菱囊萋嚣蠢冀委鍪蘩耄姜的薹羹刈蠹塞薹I霸墓妻室墓。羹荔幕氅雾囊囊雾佰翼囊葡墨蠢冀霎蒌囊蓁羹鋈。雾篓蓥錾；i爱。薹錾萎妻妻耋二雾型妻毫囊鬻奏雾吲囊蓁荔蠹霎篓霆耋|姜酢靠些翼蠢妻蠢霞囊篓薹鋈j蠢鋈翼磊型霆薹翼菱薹琴童奏霎参蓁娄奏萋薹；釜雾萋葡羔霪蓁薹蒿；￡i!墓薹萎塞鑫翼垂墓塑囊丽兰篓晌塞蕈翥二嘉薹鋈雾蚕耄蓁。娶蒌荔冀羹薹萋塞蚕妻鏊蠢委篓墓霉蒌藿器蠢茎妻=錾善雾釜冀器噻羲矍霎鬟蓄吼耋旧0iijj0●0一000n绪论第一章绪论1．1引言在土力学中，计算土体作用于结构物上的土压力是一个古老的课题。经典的库仑和朗金士压力理论，因其计算简单和力学概念明确，一直为工程设计所采用。依照经典土压力理论，得到的结果是极限平衡状态下的土压力值，土压力呈线性分布。但是经典土压力理论存在着两个明显的弱点：一是要求土体变形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墙的变位方式对土压力的影响⋯。因此，用静力平衡求解土压力的极限平衡理论在很大程度上不符合实际情况，存在一定的问题，还有持进一步研究解决”1。土压力是土与挡土结构之间相互作用的结果，挡墙的不同变位方式，墙后填土的变形与强度特性都对挡土结构所受侧土压力的大小和分布规律产生影响。随着现在施工工艺的不断发展，挡墙结构变形以及土体的变形特点与研究经典土压力时有较大的区别，研究挡墙的不同变位方式、土体的变形特性对土压力的大小和分布规律以及墙后土体的破坏形式对工程建设具有重要的意义。随着土工合成材料的发展，加筋土与土之间相互作用及理论和施工技术得到了长足进步”1。加筋土体的特性和强度也不单独取决于纯粹的自然土体本身，还和添加的土工合成材料有关。目前，加筋已经应用于大量的工程建设当中，但是由于加筋土出现的时间比较晚，正如黄文熙在《土工合成材料工程应用手册》一书序言中指出的那样，“(由于土工合成)材料的特殊性和它们与土相互作用机理的复杂性，许多作用机制有待揭示”。虽然国内外对土工合成材料与土的界面作用特性开展了大量的研究工作，但至今界面特性的试验方法还很不成熟，人们对于土工合成材料与土相互作用机制的认识还很不够，实验室得出的加筋效果评价和现场实际得出的结果并不十分吻合，对加筋土的工程评价还停留在定性分析阶段，因此，迫切需要对加筋的现场应用效果进行定量评价。1．2国内外位移～土压力关系研究概述国内外许多学者对经典土压力作了更符合工程实际的修正或者提出了新的概念和新的计算公式。为了确定挡土结构不同变位方式下土压力的大小和分布形式，许多学者进行了大量不同规模的模型试验和计算，通过试验研究和计算，取n绪沦得了丰富的成果⋯“”1。位移～土压力理论由于其符合工程实际，考虑到挡土结构物的位变模式，能合理的解释在非极限状态下主被动土压力的形成和分布，近年来受到了许多学者的关注并得到了较大的发展。下面介绍几种典型的模型：土压力与支护结构位移呈非线性关系，静止土压力与主动土压力之间，静止土压力与被动土压力之间均存在“过渡”的土压力。如图1一l所示。图1．1土压力与位移的关系由表1．1可知，产生被动土压力所需的位移量远大于产生主动土压力所需的位移量，且两者位移的方向相反，前者朝向土体，后者背离土体。表卜1发生主动与被动土压力所需的位移141土类s／H*(主动)s／H*(被动)密实无粘性土0．OOI0．02松散无粘性土(】．004O．06密实粘性土、O，010．02松软粘性土0．020．04陈书申‘51指出了朗肯土压力理论的两点不足，引入Reimbert提出的与位移和强度相关的土压力计算公式，将不同强度土层土压力与位移的关系画在同一坐标系内，认为正常固结土的土压力与位移和强度两个因素有关，且在小变形范围内，力与位移问基本成线性关系。Ka=r／a1．r／a2Ko(1—1)KD=‰1刀p2'K。(1—2)n绪论其中，仉，，仉2：位移对主动土压力系数的影响系数及强度对主动土压力系数的影响系数；饰，·仉z：位移对被动土压力系数的影响系数及强度对被动土压力系数的影响系数；Ko：静止土压力系数。作者对于以上几个系数给出了一定的取值方式，在此基础上，提出了一个与超固结比OCR相关的系数‰。，认为r／pa=OCR加，但作者的这些取值方式有待实测资料加咀实证。陈页开‘61在对挡土墙试验研究的基础上，提出了土压力随位移变化的计算公式：被动土压力：Ⅷ竹吲c∥川一考㈨，，主动土压力：只：只+(匕，一R)(毒l_)．。叫1一寺’(1．4)其中：Ppcr：极限平衡状态下的被动土压力：Pacr：极限平衡状态下的主动土压力；6一：墙离开土体时的极限状态位移；6pcr：墙挤向土体时的极限状态位移；占：挡墙实际位移；aha2：与土性等因素相关的参数。张文慧‘7】在土压力与位移之间成双曲线关系这一假定的前提下，提出了自己的土压力与墙体位移的关系式。n绪论F萼蠹毒卜萼螽]p-1『一i岛而硐孺产丁寺’卜哪一而丽两!L—■一l岛下丽砺酉——丁一每叫旷刚一面丽雨犷—-1—硒i蒿酽一+万砥ii二翮5l—两i声矿山再画≮i碉％．。’一。’=2·c。s(45“一詈)·。·el”“’J确定，。为桩体的深度；≈sss0
K。>K0>K。>K。。K。为静止土压力系数。将土压力系数与支护结构位移化为无量纲表示。令：％，=F，(肋o≤z≤1(1．8)％=厅(鼢o≤二≤1(1．9)这里K矿畿，X。=1--÷。(1-1o)Ⅳ，=嚣㈡斗毒(1-11)若假定土压力系数与位移满足抛物线函数关系，则容易看出所有的原始曲线均通过(0，0)、(1，1)点，故抛物线方程中不含有常数项，拟合函数可以设成以下形式：K。，=口lⅣ：。+(1一d1)x：。(1一I2)K肿；a2爿；+(1一C12)x多(I一13)综合以上各式可得土压力系数与位移之问的关系如下：弘K。郴。吨牛愕卜啊愕川一，㈦⋯铲％，郴尸吨枇一--％-，，1‘+(i-a：㈦门⋯，，㈤㈣由上两式可见，要确定土压力系数与位移之间的关系至少需定出n绪论q、包、c．、啦、b2、c2这六个参数。徐日庆“。3提出将土压力与位移的关系用三角正弦关系模拟。引入松弛应力P。和挤压应力P。，记p，。Po—p，p、5pn—po记：当土体处于主动极限平衡时，最大松弛应力为：p⋯=pn—p。，(1·18)当土体处于被动极限平衡时，最大挤压应力为：p⋯2p。，一po(1一l9)式中P。、P。、P。、P。，、P。含义同上文。为了考虑位移与松弛应力和挤压应力的关系，引入K。、K。均为位移的函数p，=K。p⋯。n=K。p⋯如图(卜3)，为了定量表示出K。和R，若把松弛应力和挤压应力与位移的关系用正弦函数模拟，则有P／一一PP⋯。。、r6⋯／6⋯、一艮⋯I／—J一一7图l一3松弛应力和挤压应力与位移的关系曲线6(1—22))67一．(珊Ⅲn绪论综上可得铲sin[舞]P，=K。(Po—P。，)(1．23)(1．24)P．=K。(，。一Po)(1—25)由此得到考虑位移时的土压力计算公式：主动土压力：胪¨sin[菱卜咄，㈤：s，被动土压力：驴”sin[嚣](Ppcr--PO)㈤：，，上两式可以统一为一个表达式，即：p：Po“nf要j(儿-Po、)(1．28)胪+8ml西严㈠。¨其中，6。，为达到极限状态土压力所需位移；P。，为极限状态土压力，当用朗肯理论来计算时，即为朗肯土压力。殷德顺“”利用有限元方法，进行了土压力位移关系的研究，得出了在主动土压力区域即基坑支护外侧，当水平位移增加到h'／100(爿为支护长度)之前，土压力与支护位移基本呈线性关系：还分析了支护结构上水平压力和坑底竖向压力分别卸载对支护水平位移的影响，发现可以用只考虑支护内侧上的水平压力消除的有限元方法估计到支护上出现最大水平位移的位置。这些都是近期比较有特点的考虑位移的位移～土压力模型。1．3加筋土的发展历史和研究现状1．3．1加筋土的发展历史土体具有一定的抗压强度和抗剪强度，但是抗拉强度却很低。在土体内掺入纤维或铺设加筋材料，可以不同程度地改善土体的强度和变形性态，形成加筋土。因此，凡是土中加入筋材而提高了强度改善了变形特性的复合土均称为加筋土n绪论““。对加筋土的感性认识早为古代劳动人民所掌握，并应用于实践。在国外，公元前3000年以前，英国人曾在沼泽地带采用木排修筑道路：公元前2500年古罗马人就采用编织的芦苇在软基上筑路；公元前2000至1000年，巴比伦人曾利用土中加筋修筑庙塔；到二十世纪20～30年代美国还试用棉织品加强路面；在第二次世界大战中，英国曾在软基土中铺设梢辊和帆布，以便装甲车通过。早期的加筋土完全依靠经验来指导实践，直到1963年，才由法国工程师HenriVidal提出现代加筋土的概念并给出了土的加筋方法和理论。应用此理论，1965年在法国的比利牛斯山的普拉聂耳斯修建了世界上第一座加筋挡土墙““。金属加筋的应用才得到迅速推广，以后又发展到利用钢筋混凝土构件作为加筋材料。在我国，远在新石器时代，我们的祖先就利用茅草作为土的加筋材料。在陕西半坡村的仰韶遗址，发现很多简单房屋的墙壁和屋顶利用草泥修筑而成，距今约有五六千年：汉武帝时代采用草枝混杂在土内修筑长城，在玉门一带仍有将红柳或芦苇与砂、砾石压叠而成的汉长城遗址；劳动人民将草、麻拌和在土内夯造土墙的技术甚至沿用至今。我国现代加筋土技术的研究和应用始于二十世纪70年代中期，加筋土技术首先应用于挡土墙。1979年在云南省田坝矿区煤场修建了我国第一座试验性条带式加筋挡土墙，1980年又在该矿区建成了～座长57m，高18．3m的加筋挡土墙。最初条带就是打包带，之后出现了聚丙烯土工带和钢条带。1981年在山西晋城——陵川公路线上建成了一座长72m，高达12m的路肩式加筋土挡墙“⋯。迄今，我国已建成数千的加筋土工程，大部分应用于公路和城市建设、水运和水利工程。与传统的天然植物和金属加筋材料相比，土工合成材料有其固有的优点：(1)能够抗一般的盐、酸、碱作用，在土中或水下不易腐蚀，即具有较好的耐久性；(2)与周围土体界面的相互摩擦作用强，界面摩阻力较大：(3)透水的土工合成材料具有排水作用，缩短排水固结时间，直接提高土体的抗剪强度”⋯：随着生产技术和效率的提高，土工合成材料成本非常低廉。所以土工合成材料作为加筋材料，已经基本取代天然植物和金属，出现土工台成材料加筋土。1．3．2加筋对土压力影响的研究现状以下是近期使用土工织物加筋对土压力的影响方面的研究：廖红建⋯1等针对土工织物的加筋土试样进行了～系列单轴和三轴K。固结试9n绪论验，从静止土压力系数的变化，探讨了土中埋置土工织物加筋层对土压力的减轻作用。得出无土工织物‰值为一固定值，加了土工织物后K。值也为一定值。且随土工织物设置层数增加即设置间隔减小，K。值明显减小，相应的水平土压力也减小。可见土工织物加筋对于减小土压力有明显的作用。随着设置层数的增多，K。值的减少幅度变小。并且破坏时的偏应力也明显增加，加筋土的有效内摩擦角中增大，相应的K。值减小。黄英“”通过分析碎石土加筋前后高压大三轴饱和固结排水试验结果，研究碎石土加筋的抗剪强度特性。得出了加筋碎石土复合体的应力、应变～体变关系仍然表现出不加筋碎石土的基本特性，其本构关系可用邓旨一张双曲线模型来描述。碎石土加筋后的应力、应变～体变曲线比不加筋前显著提高，说明加筋可以提高碎石土抵抗变形和破坏的能力，碎石土加筋的作用相当于提高了碎石土的凝聚力，而对内摩擦角的影响很小等结论。保华富““对土工格栅加筋碎石土进行了系统的试验研究。结果表明：加筋可以有效地改善碎石土的强度及变形特性。在一定条件下，聚合物土工格栅加筋材料的加筋层间距越小，加筋效果越好。将加筋作用分为格肋阻力及格栅对界面碎石土的咬合摩擦力两部分。加筋碎石内摩擦角中值基本不变，但粘聚力C值则有明显提高。冯光乐””在对现场埋设了土工格栅的高填方桥台台背回填路基土压力进行监测后发现，土工格栅能有效地减小侧向土压力。根据实测的侧向土压力与理论计算的比较，说明土工格栅加筋桥台过渡段路基确实能起到约束土体，减小了土体中侧向压力，增加复合土体刚度的作用。并且随深度的不同，由于土工格栅的拉伸程度不I司，侧向土压力的改变程度也不同。。『-K．Mitchell“⋯利用有限元计算和现场监测的方法得出土工织物的现场刚度为无约束大宽度抗拉试验所获得的刚度值的2-4倍：对墙背填土水平的情况，可利用朗金主动土压力系数来粗略地估算最大加筋拉力。以上是近来加筋对于土压力影响的研究成果。用不同的方法、从不同的角度都说明了加筋能够有效的减小土压力。1．4本文研究的目的和意义在挡土墙土压力计算中，当挡土墙离开填土移动，墙后填土达到极限平衡(或n绪论破坏)状态时，作用在挡土墙的土压力称为主动土压力，它是土压力的最小值；当挡土墙向填土挤压时，墙后的填土达到极限平衡(或破坏)状态，作用在挡土墙上的土压力称为被动土压力，它是压力的最大值：挡土墙完全没有侧向移动时的土压力，称之为静止土压力“⋯。但是，当挡土墙发生远离土体的位移是由于±体向挡土墙产生挤压作用而造成的时候，可以认为挡墙相对向土体发生了挤压，作用在挡土墙上的土压力应该为被动土压力。这种情况在先修结构物后填土的情况下常常发生，并且会给结构物带来负面的影响，为此正确计算填土施工下的土压力大小显得十分重要。桥台台背和穿堤建筑物侧墙背土压力设计常用主动土压力，计算公式为：E=K。yz一2c√足。(1—29)式中：E一设计计算的土压力强度；y一桥头区填土重度，高速公路一般取，，=19～20kN／m3；z一计算点到地面的深度；c一粘性土凝聚力K。一主动土压力系数。经常采用的朗肯理论的主动土压力系数为：K。=tan2(45。一罢)(1—30)而实际上，在旌工过程中由于填土向挡土结构挤压并且挡土结构不能发生较大侧向变形，填土和挡土结构物发生相对挤压，土压力向被动土压力发展，结构物受到的土压力比设计时得主动土压力要大，甚至达到被动土压力状态。朗肯理论的被动土压力的计算公式为：E=Kp7z+2c√足P(I一31)K。一为被动土压力系数：KP=tan2(45。+罢)(1-32)n绪论以上两式中：妒为填土的内摩擦角。随着妒不同，K。／K。值见表l一2。表1—2朗肯理论主动土压力系数与被动土压力系数之比土的内摩擦角K，}K4Ko／K。∞(deg．)0101．0102．01．2204．21．3309．01．5若能够通过改变碾压工艺和铺设土工格栅等填土施工工艺，限制填土向挡土结构方向的变形，可将挡土结构后所受土压力降低到静止土压力左右，则有利于挡土结构物的安全。由于过大的土压力将会使桥台桩发生过大的水平位移，这将使得桥台桩受到偏心的竖向压力，和桥梁板不易安装。减小土压力可以减小桥台桩发生的过大的水平位移。粘性土的静止土压力系数为Ko=1一sin妒’E=K．理(1—33)这时，挡土结构(如桥台台背)所受土压力与设计常用的主动土压力之比为Ⅳo／彭。，数值见表I。若能够将土压力控制在静止土压力以下，则更有利于桥台结构的安全稳定。并且加筋后，由于土工格栅增加了土体的凝聚力，c值将增加为c+c，t]3j，土压力计算公式将变为：E‘=K。yZ一2(c+c，)√Ka(1—34)式中：E。一加筋后设计计算的土压力强度；c，一准凝聚力；很显然E’要小于E，土压力减小，桥台结构物安全性增加。本文通过现场试验，研究在先施工桥台桩和穿堤建筑物，后进行填土施工的施工工艺条件下，穿堤建筑物侧墙背的土压力的计算方法和分布特性：通过铺设土工格栅获得减小台背土压力和减小桥台桩位移的措施：比较不同的碾压方式对n绪论土压力的影响程度；校核已建工程的安全性。为加快高速公路建设提供理论基础，为高速公路设计提供技术支撑。1．5本文主要研究内容本章针对由于先施工桥台桩和桥台，后填土的施工工艺条件下，造成的过大的土压力和桥台桩的水平位移的问题，通过总结和改进已有的位移～土压力理论对此工艺的土压力进行分析计算，并且在现场试验中，采用了以下措施改善工程质量。具体内容包括：1．5．1在已有的位移～土压力研究的基础上，结合工程实测资料，得出先修结构物后填土的施工工艺下土压力的计算公式和±压力分布图形。1．5．2针对先修结构物后填土的施工工艺下土压力过大的情况，在现场采用在桥头过渡区土体内铺设土工格栅和改变碾压工艺的施工工艺来减小桥台台背土压力。利用现场实测结果来验证和评价改进施工工艺的效果。l_5．3通过观测桥头区填土中铺设土工格栅的桥台和没有铺设土工格栅的桥台的位移，分析桥台工作性态，分析、定量评价加筋效果，提出控制桥台桩水平位移的措施。1．5．4通过现场试验，研究土压力大小与碾压方式的关系，并寻找出有利于降低土压力的碾压方式。给设计人员在先进行建筑物施工后填土的施工工艺条件下提供设计数据进行结构优化设计和优化施工措施提供技术保障。n分层填土的主动土压力计算第二章分层填土的主动土压力计算2．1引言土压力理论是土力学基础理论的重要组成部分，当前大量的深基坑开挖、填筑挡土结构物、地铁隧道和地下空间开发利用等工程中都普遍遇到土压力计算的问题。正确确定土压力是进行上述工程合理设计和顺利施工的前提，也是确保工程项目安全和经济合理的基础。经典的库仑和朗金土压力理论计算主动土压力是以土体达到极限状态为基础的。正如第一章中提到的，目前许多研究发现，在土体没有达到极限平衡状态时，挡土结构物上的土压力分布随着不同深度位移量的不同而呈非线性分布。只有当土体的水平位移达到一定量之后，土体发生破坏，库仑和朗金土压力理论才是正确的。但是，在许多重要的工程中，挡土结构不允许发生过大的位移，土体的位移量远远小于其破坏时所需要的位移量，实际的土压力往往都是处于非极限平衡状态，土压力大小界于静止土压力和主动土压力或被动土压力之间。位移～土压力模型能够很好的解决土体位移量没有达到极限状态下的土压力计算问题，但是目前出现的计算模型大多是基于开挖模型建立的，填土的位移～土压力计算模型并不多见。随着社会对高速公路和铁路等基础建设需求的增加，要求工程施工进度快、质量高。在此背景下，在实际施工中大量的桥梁、箱通和跨线建筑等结构物所采用的施工方式都是先修结构物后填土的旌工方式。正确的计算出在此旖工工艺下土压力的大小和分布，对于校验建筑物的安全，给后续的减小土压力的工程措施提供理论依据都具有十分重要的指导意义。因此研究此种施工方式下土压力的大小和分布有重要意义。由于填土和开挖施工方式不同，所以填土时土体的应力～应变模型和开挖施工时土体的应力一应变模型有着比较大的区别。常用的基于开挖的位移～土压力计算模型不能够直接应用于填土的土压力计算，需要得出针对于填土施工的土压力计算模型。本章作者以宁淮高速公路洪会段跨线桥桥台填土旌工为研究背景，结合分层填筑施工的实际状况，考虑位移～土压力效应，分析了在先筑挡土结构物，后填土的情况下土压力的特点、大小和分布情况。n分层填土的主动土压力计算2．2开挖与填筑模型对比2．2．1典型土压力模型特点土压力是土与结构之问相互作用的结果，其大小不仅与挡土结构物的高度、填土的性质有关，而且与挡土结构的刚度和位移有关。”。当挡土结构离开填土移动，填土达到极限平衡(或破坏)状态时，作用在挡土墙上的土压力称为主动土压力，它是土压力的最小值{当挡土墙向填土挤压时，墙后填土达到极限平衡(或破坏)状态时，作用在挡土墙上的土压力为被动土压力，它是土压力的最大值：当挡土墙完全没有侧向移动时的土压力为静止土压力¨9I，如图2—1所示。PI)c，Po厂．Zpacr6／＼厂～jo一￡图2—2弹塑性体应力应变关系图图2—2是弹塑性体应力应变图，可以看出图2—1和图2—2中土体的应力～应变关系曲线形状非常相似。因为土体本身是弹塑性体，其应力～应变关系是遵循弹塑性体的应力～应变关系，由挡土结构物位移所产生的土压力的改变是由于挡土结构位移造成了土体自身横向发生了应变，从而引起了应力的改变。而土压力～位移的关系本质上是用另一种相对直观的方式反映出来的土体的应力～应变关系。因此，在研究土压力一位移关系的时候更应该注重土体自身的应力～应变状态，分析清楚挡土墙位移和土体应变之间的关系。通过对比可以发现，填筑施工和开挖施工两者土体应变状态有比较大的区别，开挖施工时，土体的变形量等于挡土墙的位移量：填筑施工时，土体的变形还和施工工艺(如碾压方式)、每层填土厚度等有关，土体的变形量不等于挡土墙的位移量。所以在计算的时候，开挖条件的土压力计算模型不能直接应用于填筑施工土压力的计算，需分析填筑施工的土体变形特点后进一步改进。n分层填土的主动土压力计算2．2．1开挖时土体的应力～应变关系通常情况下，位移～土压力原理主要是应用于开挖状态下计算土压力。基坑开挖过程中。坑底以上的基坑内侧，原作用于墙上的静止土压力，因土体挖除而消失，而作用于墙后的静止土压力，将因墙前移而减小，随着位移的增大，±压力将逐渐降低，当墙后土体达到极限平衡状态时，土压力达到最小值，此时的土压力为主动土压力忡I，如图2—3所示。开挖区I区图2-3(a)挡墙位移s挡墙位t爹s飞l!／一-／／开挖区¨／＼＼／＼＼I区图2—3(b)开挖过程挡土墙位移示意图由于墙后f区二卜体紧贴着挡土结构物，当挡土结构在允许范围内发生位移时，土体紧贴着挡墙发生变形，所产生的变形可以认为和挡土结构物的位移是相同的，如图2—3(b)，一般在研究开挖时所用的位移一土压力模型中常常直接使用挡土结构物的位移。在开挖情况下，当发生刚性较大的挡土结构物绕墙底以下某一点转动(RBT模式1位移模型时，墙后土压力为非线性，由于挡土结构物上部位移大于下部位移，浅层土体发生的变形量大于下部土体发生的位移量，浅层土体土压力减小程度大于下部土体的土压力减小程度，所阻浅层土体先于深层土体达到极限平衡状态，土体顶部首先发生破坏旧l，如图2—4所示。n分层填土的主动土压力计算2．2．2填筑时土体的应力应变关系表2—1达到主动破坏时砂土、秸土所需的位移量。土类应力状态位移形式所需的位移量主动平移(O．001—0，005)H砂土主动绕前趾转动(0．001．0．005)H粘土主动平移(0．004—0．010)日注：肛一围护结构的高度(m)．s—。．对于填土工程，挡土结构物后填土变形方式与-●●，●口-^dt—j，日一⋯—_一上述相比有明显的差别。这将造成其土压力分布和≥Iji：|I土体破坏模式和开挖情况下有很大的不同。i．：ilt}|如在淮安洪金段跨线桥项目桥台区填土施工——⋯二"中发现，跨线桥桥台桩后的填土高H=7．36m，施工、!完成时桥台顶处累计位移已经达到了45nun，根据一——表2—1t”J，这个位移量已经远远超过了达到极限状图2--4RBT位变模式态所需要的理论水平位移0．004×7360=29．44turn，土体本来应该发生破坏，但是我们在现场试验中发现填土在上部并没有发现有任何破坏的痕迹。这更证明了使用传统的位移～土压力理论来计算分层填筑情况下的土压力存在着较大的缺陷。—』l|燮墼堡』—下／lf原地面／^Ln／／||／／填筑高租1，／／挡墙位移S，，p·于——／／填筑高程H．／／挡墙位移S，』叫————一填筑区|／原地面／／
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