一种砂土作用于坦墙土压力的评估方法及装置与流程

1.本发明涉及岩土工程技术领域，特别涉及一种砂土作用于坦墙土压力的评估方法及装置。


背景技术：

2.坦墙(又称挡土墙)是防止土体坍塌的构筑物，在房屋建筑、水利工程、铁路工程以及桥梁中得到广泛应用，由于土压力是挡土墙的主要外荷载。因此，设计挡土墙时首先要确定土压力的性质、大小、方向和作用点。土压力是指挡土墙后的填土因自重或外荷载作用对墙背产生的侧向压力。
3.土压力的计算是个比较复杂的问题。它随挡土墙可能位移的方向分为主动土压力、被动土压力和静止土压力。土压力的大小还与墙后填土的性质、墙背倾斜方向等因素有关。
4.常用坦墙上土压力的计算有朗肯理论、库伦理论经典方法。现有的土压力的计算比较复杂，本发明通过砂土破坏楔体极限平衡、应用作用力与反作用力原理，提出了一种砂土作用于坦墙土压力的评估方法及装置，在满足本方法计算条件时可供选用。


技术实现要素：

5.针对上述问题，本发明提供一种砂土作用于坦墙土压力的评估方法及装置，用于解决坦墙上土压力的评估或计算的问题。
6.一种砂土作用于坦墙土压力的评估方法，所述评估方法包括：
7.当采用坦墙作为挡土结构，墙后填土为砂土时，根据土体强度理论确定土压力的第一破裂面的位置；
8.根据《铁路工程设计技术手册
·
路基》中的第二破裂面数解公式确定土压力的第二破裂面；
9.基于第一破裂面和第二破裂面的静力平衡分析，得到作用于坦墙墙背上的土压力。
10.进一步的，所述根据土体强度理论确定土压力的第一破裂面的位置，包括：
11.根据土体的强度理论，砂土第一破裂面与水平面的夹角为其中为砂土内摩擦角，即可确定砂土第一破裂面位置。
12.进一步的，所述根据《铁路工程设计技术手册
·
路基》中的第二破裂面数解公式确定土压力的第二破裂面，包括：
13.通过《铁路工程设计技术手册
·
路基》中的数解公式求得第二破裂面与水平面的夹角，即可确定第二破裂面位置。
14.进一步的，所述基于第一破裂面和第二破裂面的静力平衡分析，得到作用于坦墙墙背上的土压力，包括：
15.土体达到稳定状态时，以第二破裂面作为假想墙背；第一破裂面和第二破裂面形
成滑动楔体，对滑动楔体进行静力平衡分析，求解出滑动楔体作用在假想墙背上的土压力，滑动楔体再与土体的重力进行力的合成，求出作用于坦墙墙背上的土压力。
16.进一步的，所述对滑动楔体进行静力平衡分析，求解出滑动楔体作用在假想墙背上的土压力，包括：
17.依据滑动楔体受力分析，及力的闭合三角形，根据几何关系可以得出如下等式：
[0018][0019]
变换得到：
[0020][0021]
其中：g为滑动楔体的重力；
[0022]
ea
′
为滑动楔体在第二破裂面所受的力；
[0023]
θ为第一破裂面与水平面的夹角；
[0024]
θ
′
为第二破裂面与水平面的夹角；
[0025]
为砂土内摩擦角。
[0026]
进一步的，所述滑动楔体再与土体的重力进行力的合成，求出作用于坦墙墙背上的土压力，包括：
[0027]
将ea
′
与g1进行力的合成得：
[0028][0029]
将ea
′
代入得：
[0030][0031]
其中：g1为土体的重力；
[0032]
ea为砂土作用于挡土墙墙背上的土压力。
[0033]
一种砂土作用于坦墙土压力的评估装置，包括：确定单元和评估单元；
[0034]
当采用坦墙作为挡土结构，墙后填土为砂土时，
[0035]
确定单元，用于根据土体强度理论确定土压力的第一破裂面的位置；
[0036]
确定单元，还用于根据《铁路工程设计技术手册
·
路基》中的第二破裂面数解公式确定土压力的第二破裂面；
[0037]
评估单元，用于基于第一破裂面和第二破裂面的静力平衡分析，得到作用于坦墙墙背上的土压力。
[0038]
进一步的，确定单元，具体用于：
[0039]
根据土体的强度理论，砂土第一破裂面与水平面的夹角为其中为砂土内摩擦角，即可确定砂土第一破裂面位置。
[0040]
进一步的，所述第二破裂面，具体用于：
[0041]
通过《铁路工程设计技术手册
·
路基》中的数解公式求得第二破裂面与水平面的夹角，即可确定第二破裂面位置。
[0042]
进一步的，所述评估单元，具体用于：
[0043]
土体达到稳定状态时，以第二破裂面作为假想墙背；第一破裂面和第二破裂面形成滑动楔体，对滑动楔体进行静力平衡分析，求解出滑动楔体作用在假想墙背上的土压力，滑动楔体再与土体的重力进行力的合成，求出作用于坦墙墙背上的土压力。
[0044]
本发明当采用坦墙作为挡土结构，墙后填土为砂土时，可以根据土体强度理论确定第一破裂面的位置，根据《铁路工程设计技术手册
·
路基》中的第二破裂面数解公式确定第二破裂面。其他数据可以根据试验、测量确定，确定这些数据后可以采用上述公式直接求得砂土作用于坦墙上的土压力。
[0045]
在使用坦墙结构作为挡土构筑物，并且墙后回填砂土时，除了运用朗肯理论和库伦理论计算作用于墙背的土压力外，还可选择本方法来计算砂土作用于坦墙墙背上的土压力，为挡土墙的结构设计提供了新的依据。
[0046]
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
[0047]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0048]
图1本发明实施例评估方法流程图；
[0049]
图2本发明实施例评估模型示意图；
[0050]
图3为本发明实施例挡土墙(坦墙)示意图；
[0051]
图4为滑动楔体受力图；
[0052]
图5为滑动楔体力的合成图；
[0053]
图6为土体acb
′
受力图；
[0054]
图7为土体acb
′
力合成图。
具体实施方式
[0055]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0056]
土压力的计算是个比较复杂的问题。它随挡土墙可能位移的方向分为主动土压力、被动土压力和静止土压力。土压力的大小还与墙后填土的性质、墙背倾斜方向等因素有关。
[0057]
常用坦墙(挡土墙)上土压力的计算有朗肯理论、库伦理论经典方法。该发明通过砂土破坏楔体极限平衡、应用作用力与反作用力原理，提出了一种新的砂土作用于坦墙的土压力计算方法，在满足本方法计算条件时可供选用。
[0058]
在使用坦墙结构作为挡土构筑物，并且墙后回填砂土时，除了运用朗肯理论和库伦理论计算作用于墙背的土压力外，还可选择本方法来计算砂土作用于坦墙墙背上的土压力，为挡土墙的结构设计提供依据。
[0059]
主要技术方案：
[0060]
坦墙墙后回填砂土，在发生主动土压力状态时，如附图3所示，产生第一破裂面bd的同时，还会产生第二破裂面b
′
d。当挡土墙达到稳定状态时，滑动后楔体b
′
db处于极限平衡状态。根据土体的强度理论，此时砂土第一破裂面与水平面的夹角为已知，即第二破裂面与水平面的夹角可以通过《铁路工程设计技术手册
·
路基》中的数解公式求得。在破裂土体达到稳定状态时，以第二破裂面作为假想墙背，对滑动楔体b
′
db进行静力平衡分析，求解出滑动楔体作用在假想墙背上的土压力，再与土体acb
′
的重力进行力的合成，这样就求出来作用于坦墙墙背上的土压力。本发明基于滑动楔体极限平衡，应用力的作用与反作用力原理，提出一种坦墙墙后回填砂土墙背土压力评估方法及模型。
[0061]
滑动楔体受力图如图4所示，滑动楔体力的合成图如图5所示，根据滑动楔体受力分析，及力的闭合三角形，根据几何关系可以得出如下等式：
[0062][0063][0064]
土体acb
′
受力图如图6所示，土体acb
′
力合成图如图7所示，将ea
′
与g1进行力的合成得：
[0065][0066]
将
②
式代入
③
式得：
[0067][0068]
以上各式中字母含义：
[0069]
g为滑动楔体b
′
cb的重力；
[0070]
g1为土体acb
′
的重力；
[0071]
ea
′
为滑动楔体在第二破裂面所受的力；
[0072]
θ为第一破裂面与水平面的夹角；
[0073]
θ
′
为第二破裂面与水平面的夹角；
[0074]
为砂土内摩擦角；
[0075]
ea为砂土作用于挡土墙墙背上的土压力。
[0076]
综上所述：
[0077]
当采用坦墙作为挡土结构，墙后填土为砂土时，可以根据土体强度理论确定第一破裂面的位置，根据《铁路工程设计技术手册
·
路基》中的第二破裂面数解公式确定第二破裂面。其他数据可以根据试验、测量确定，确定这些数据后可以采用上述公式直接求得砂土
作用于坦墙上的土压力。
[0078]
在挡土墙设计中，有时会遇到墙背俯斜很缓，墙背倾角较大的情况，如衡重式挡土墙的上墙或者大俯角墙背挡土墙，这时容易形成坦墙，出现上述滑动破坏情况，这时可以选择上述总结公式计算砂土作用于坦墙上的土压力，为挡土墙的结构设计提供依据。
[0079]
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种砂土作用于坦墙土压力的评估方法，其特征在于，所述评估方法包括：当采用坦墙作为挡土结构，墙后填土为砂土时，根据土体强度理论确定土压力的第一破裂面的位置；根据第二破裂面数解公式确定土压力的第二破裂面；基于第一破裂面和第二破裂面的静力平衡分析，得到作用于坦墙墙背上的土压力。2.根据权利要求1所述的一种砂土作用于坦墙土压力的评估方法，其特征在于，所述根据土体强度理论确定土压力的第一破裂面的位置，包括：根据土体的强度理论，确定砂土第一破裂面位置，砂土第一破裂面与水平面的夹角为其中为砂土内摩擦角。3.根据权利要求1所述的一种砂土作用于坦墙土压力的评估方法，其特征在于，所述根据第二破裂面数解公式确定土压力的第二破裂面，包括：通过数解公式求得第二破裂面与水平面的夹角，即可确定第二破裂面位置。4.根据权利要求1所述的一种砂土作用于坦墙土压力的评估方法，其特征在于，所述基于第一破裂面和第二破裂面的静力平衡分析，得到作用于坦墙墙背上的土压力，包括：土体达到稳定状态时，以第二破裂面作为假想墙背；第一破裂面和第二破裂面形成滑动楔体，对滑动楔体进行静力平衡分析，求解出滑动楔体作用在假想墙背上的土压力，滑动楔体再与土体的重力进行力的合成，求出作用于坦墙墙背上的土压力。5.根据权利要求4所述的一种砂土作用于坦墙土压力的评估方法，其特征在于，所述对滑动楔体进行静力平衡分析，求解出滑动楔体作用在假想墙背上的土压力，包括：依据滑动楔体受力分析，及力的闭合三角形，根据几何关系可以得出如下等式：变换得到：其中：g为滑动楔体的重力；ea
′
为滑动楔体在第二破裂面所受的力；θ为第一破裂面与水平面的夹角；θ
′
为第二破裂面与水平面的夹角；为砂土内摩擦角。6.根据权利要求5所述的一种砂土作用于坦墙土压力的评估方法，其特征在于，所述滑动楔体再与土体的重力进行力的合成，求出作用于坦墙墙背上的土压力，包括：将ea
′
与g1进行力的合成得：将ea
′
代入得：
其中：g1为土体的重力；ea为砂土作用于挡土墙墙背上的土压力。7.一种砂土作用于坦墙土压力的评估装置，其特征在于，包括：确定单元和评估单元；当采用坦墙作为挡土结构，墙后填土为砂土时，确定单元，用于根据土体强度理论确定土压力的第一破裂面的位置；确定单元，还用于根据第二破裂面数解公式确定土压力的第二破裂面；评估单元，用于基于第一破裂面和第二破裂面的静力平衡分析，得到作用于坦墙墙背上的土压力。8.根据权利要求7所述的一种砂土作用于坦墙土压力的评估装置，其特征在于，确定单元，具体包括：根据土体的强度理论，砂土第一破裂面与水平面的夹角为其中为砂土内摩擦角，即可确定砂土第一破裂面位置。9.根据权利要求7所述的一种砂土作用于坦墙土压力的评估装置，其特征在于，第二破裂面，具体包括：通过第二破裂面数解公式求得第二破裂面与水平面的夹角，即可确定第二破裂面位置。10.根据权利要求7-9中任意一项所述的一种砂土作用于坦墙土压力的评估装置，其特征在于，评估单元，具体用于：土体达到稳定状态时，以第二破裂面作为假想墙背；第一破裂面和第二破裂面形成滑动楔体，对滑动楔体进行静力平衡分析，求解出滑动楔体作用在假想墙背上的土压力，滑动楔体再与土体的重力进行力的合成，求出作用于坦墙墙背上的土压力。

技术总结
本发明涉及岩土工程技术领域，特别涉及一种砂土作用于坦墙土压力的评估方法及装置。当采用坦墙作为挡土结构，墙后填土为砂土时，可以根据土体强度理论确定第一破裂面的位置，根据《铁路工程设计技术手册


技术研发人员：张少军 蔡涛 万道春 庞鑫 何惠兰 殷德慧 胡键
受保护的技术使用者：攀钢集团矿业有限公司
技术研发日：2023.06.05
技术公布日：2023/9/12