法国科学家库仑(C.A.Coulumb)于1776年根据极限平衡概念,分析了墙后楔形土体力系平衡,提出了库仑土压力计算理论。
1.主动土压力计算
对无黏性土,其墙背上总主动土压力Ea为:
式中:Ka——库仑主动土压力系数;
φ——墙后土内摩擦角(°);
α——墙背与铅直线的夹角(°),俯斜时取正号,仰斜时取负号;
β——墙后填土面与水平面夹角(°);
δ——墙背与土体间摩擦角(°)。
δ按墙背粗糙程度及排水条件确定:
当墙背平滑及排水不良时:δ=(0~1/3)φ;
当墙背粗糙及排水不良时:δ=(1/3~1/2)φ;
当墙背很粗糙及排水良好时:δ=(1/2~2/3)φ;
当墙背与填土间不可能滑动时:δ=(2/3~1.0)φ。
无黏性土中离墙顶任意深度z处主动土压力强度paz可将式(5-15)对z取导数得出:
由此可得到主动土压力强度图形为三角形(图5-6),由土力学可知,一般情况下,墙背土压力合力作用方向与水平面夹角为α+β,作用点离墙底H/3处。
图5-6 主动土压力计算简图
(a)土楔体ABC上的作用力;(b)力三角形;(c)主动土压力分布图
当墙后为黏性土或粉土时,由于需要考虑土体的黏聚力,不能直接按式(5-17)计算主动土压力。国内以前采用增大土体内摩擦角的方法替代黏聚力的作用,增加后的内摩擦角称为综合内摩擦角(或称等效内摩擦角)φ′,一般都采用经验值,如地下水位以上的一般黏土、粉土φ′=30°~35°,地下水位以下的一般黏土、粉土φ′=25°~30°。该法计算结果与实际情况差异较大,使得低墙的土压力计算结果偏于安全,而对高墙则偏于不安全。
图5-7 按规范求土压力示意图
《建筑地基基础设计规范》(GB 50007—2011)推荐了按平面滑动假定计算黏土、粉土主动土压力的计算式,是库仑理论的一种改进方法。计算时,考虑了土的黏聚力、墙后土的倾斜面及其上所受均布荷载q等情况。(www.xing528.com)
式中:Ka——黏土、粉土主动土压力系数;
α——墙背面与水平面夹角(°);
kq——考虑墙后土体表面均布荷载的影响所采用的系数;
q——地表均布荷载(kPa),以单位水平投影面上的荷载强度计。
按式(5-18)计算主动土压力时,破裂面与水平面的夹角为:
《建筑地基基础设计规范》(GB 50007—2011)根据土类别列出了系数Ka的图表,按土类别由图表可查出相应的系数Ka值。
2.被动土压力计算
计算挡墙后被动土压力时,若土体为非黏性土,可按下式计算:
式中:Kp——库仑被动土压力系数。
其余符号意义同前。
当α=0、δ=0、β=0时,式(5-24)同样转化为朗肯公式。
将式(5-24)对深度z取导数,可得任意深度z处被动土压力强度:
ppz随墙高呈三角形分布,如图5-8所示,合力作用点在三角形形心处。
图5-8 被动土压力计算简图
(a)土楔体ABC的作用力;(b)力三角形;(c)被动土压力分布图
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