挡墙位移是引起土压力改变,使墙后填土进入极限状态的根本原因。无论采用何种土压力理论和方法,都不能忽视位移这一前提条件。 挡墙位移是引起土压力改变,使墙后填土进入极限状态的根本原因。无论采用何种土压力理论和方法,都不能忽视位移这一前提条件。 在本科土力学教学中,通常通过应力分析视角来求解土压力分布,而对引发极限状态的位移条件未能予以充分强调,以致初学者对位移与土压力分布关系及非极限状态下不同位移形式引起的土压力分布认识不够清晰。
挡墙位移是引起土压力改变,使墙后填土进入极限状态的根本原因。无论采用何种土压力理论和方法,都不能忽视位移这一前提条件。
挡墙位移是引起土压力改变,使墙后填土进入极限状态的根本原因。无论采用何种土压力理论和方法,都不能忽视位移这一前提条件。
在本科土力学教学中,通常通过应力分析视角来求解土压力分布,而对引发极限状态的位移条件未能予以充分强调,以致初学者对位移与土压力分布关系及非极限状态下不同位移形式引起的土压力分布认识不够清晰。
例如,当支挡结构物的变形使得一部分土体进入了极限状态,而其他某些部分土体仍处于稳定状态,那么此种情形下土压力分布形式又将如何呢?
在朗肯理论框架内,墙后填土达到极限状态时,需要土体各处同时达到某一塑性应变状态,
按其最初假设——墙背和基底均光滑,土体中可谓到处都是滑动面,无确定的楔形体,即此假设条件下位移应是整体水平移动;
而若考虑基底摩擦,墙后填土将会出现楔形体滑动,相应的挡墙位移也应是相应的楔形状。
基于朗肯理论,日本著名土力学家松冈元教授在其著作《土力学》中,对挡土墙发生各种形式位移时对应的土压力分布规律进行了定性描述(图1),通过对比挡墙不同形式的位移与朗肯极限状态位移之间的关系,得出了不同位移形式下的挡墙土压力分布形式。
如图1所示,将各挡墙位移形式与朗肯主动土压力、朗肯被动土压力和静止土压力相应的挡墙位移对比分析可得:
图1(a)——中挡土墙上下两端不移动,中间向外突出,顶部位移接近静止土压力相应的位移,中部位移小于主动土压力相应的位移,底部位移接近主动土压力相应的位移,因此,相应的土压力分布形式如图1(a)中预测土压力分布线所示,顶端土压力接近静止土压力,中间段土压力小于主动土压力,底端土压力接近主动土压力;
图1(b)——中挡土墙上端不移动,下端移动,上端土压力接近静止土压力,下端土压力小于主动土压力;
图1(c)——中挡土墙背向填土方向平移,上端土压力位于静止土压力和主动土压力之间,下端土压力小于主动土压力;
图1(d)——中挡土墙上端挤压土体,下端外移,上端土压力接近被动土压力,下端土压力小于主动土压力。
图1 各种位移形式相应的土压力分布
以上分析有一定合理性,但似乎也存在一个与朗肯理论基本立论相悖之处。朗肯土压力理论中,主动土压力、被动土压力是极限土压力,而图1中有些挡墙位移形式下部分区段的土压力分布却超越了所界定的极值。
墙后土体一部分超越极限状态,另一部分仍处于稳定状态,这种状态符合物理学的逻辑吗?这些困惑究竟能在朗肯土压力理论框架内解释,还是需要更深层次地剖析其他因素呢?笔者认为释疑此困惑的核心要点在于对土体极限状态的理解。
土力学教材中,对于不同问题的研究,采用不同的本构模型,例如解决土压力、边坡等实际问题时,多把土体作为理想弹塑性或刚塑性材料,进入塑性状态后其应力不随应变增加而变化,因此当土体进入塑性状态后,变形无法控制,继而达到破坏状态,故而应力只能保持为极限值却不能超越它。
而现实中,土体是硬化弹塑性材料,当土体内某一连续面上各处均达到一定程度的塑性状态时,土体处于极限平衡状态,滑面上的变形不可控制,随着塑性变形的继续开展土体发生破坏。
但若这一连续面上仅有部分区域处于塑性状态(即土中塑性区尚未贯通),土体不会发生破坏,达到塑性状态的部分土体还能继续发生硬化,其应力可随应变的增加而继续增大。这就是为何会出现上文所述的部分区域土压力超越了极限土压力的原因。
举例而言,当以轴向应变达到15%作为临界应变来判定土体极限状态时,从定义上说一旦某处土体轴向应变开展超过15%,即达到了极限状态。但实际中,只有当大部分区域土体的轴向应变均达到15%,土体才会发生整体破坏,而若仅局部区域中土体轴向应变达到15%时,那么整个土体还不会发生破坏,且少部分区域中的土体应变还能继续开展,从而出现应力状态超越极限土压力的现象。
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