膨胀土中刚性挡墙上最大侧向压力计算方法
阅读说明：本技术 膨胀土中刚性挡墙上最大侧向压力计算方法 (Method for calculating maximum lateral pressure on rigid retaining wall in expansive soil ) 是由 韩仲 邹维列 樊科伟 赵贵涛 应镇谦 徐永福 于 2021-08-20 设计创作，主要内容包括：本发明提供了膨胀土中刚性挡墙上最大侧向压力计算方法,为膨胀土地区相关支挡结构的设计提供依据,满足实际工程需要,保证支挡结构的安全性。该方法包括以下步骤:①通过现场或室内试验确定墙背不同深度处膨胀土的天然含水率w-(n)(Z),单位％；墙后膨胀土的缩限w-(s),单位％；墙后膨胀土的胀限w-(e),单位％；②通过室内试验确定恒定体积条件下墙后膨胀土由缩限增湿至饱和时产生的竖向膨胀力p-(sp),单位kPa；③通过现场调查实测或相关技术标准,确定工程所在地区膨胀土大气影响急剧层深度L,单位m；④通过以具体公式确定膨胀土中挡土墙墙背不同深度处的最大侧向压力。(The invention provides a method for calculating the maximum lateral pressure on a rigid retaining wall in expansive soil, provides a basis for designing a related retaining structure in an expansive soil area, meets the actual engineering requirement, and ensures the safety of the retaining structure. The method comprises determining natural water content w of expansive soil at different depths of wall back by field or indoor test n (Z), unit%; shrinkage w of expansive soil behind wall s In units%; expansion limit w of wall rear expansive soil e In units%; secondly, determining the vertical expansion force p generated when the wall rear expansion soil is humidified from the contraction limit to saturation under the condition of constant volume through an indoor test sp In kPa; thirdly, determining the depth L of a sharp layer affected by the expansive soil atmosphere in the area of the project in unit m through field survey actual measurement or related technical standards; fourthly, determining the expansive soil by a specific formulaAnd the maximum lateral pressure at different depths of the middle retaining wall back.)
技术领域
本发明涉及土木工程设计技术领域，尤其涉及膨胀土中刚性挡墙上最大侧向压力计算方法。
背景技术
刚性抗滑挡墙是防治膨胀土边坡浅层滑动的主要措施之一。由于刚性支挡结构的变形能力较差，墙后膨胀土在地表水下渗而产生膨胀变形时受到约束，使作用在挡墙上的侧压力显著增大，其增幅甚至超过静止土压力，常造成刚性挡墙出现失稳、断裂等破坏现象。当刚性挡墙墙后的膨胀土增湿达到完全饱和状态时，作用在挡墙上的侧压力达到最大值。
目前刚性支挡结构相关规范、规程、标准以及文献中均未就膨胀土中刚性挡墙在膨胀土膨胀时墙背上最大侧向压力的大小、分布模式以及缓冲层对膨胀力的影响等给出明确、统一的计算方法。工程实践中多依靠设计人员的经验，基于常规库仑土压力乘以一定放大系数以确定膨胀土作用在挡墙上的侧压力。此种方法在确定挡墙侧压力上具有很大主观性和不确定性，常造成因设计抗力不足而导致的挡墙倾覆、断裂等破坏，或因设计过于保守而导致的造价过高以及资源和材料的浪费。可见，膨胀土工程中改方面存在明显的技术不足，工程实践迫切需要刚性挡墙上最大侧向压力计算方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种膨胀土中刚性挡墙上最大侧向压力的计算方法，以合理确定膨胀土刚性挡墙墙背不同深度处最大侧向压力的大小，为膨胀土中支挡结构设计提供依据，满足实际工程需要。
为了达到上述目的，本发明提供了一种膨胀土中刚性挡墙上最大侧向压力计算方法，包括：
S1：确定墙背不同深度处膨胀土的天然含水率wn(Z)、墙后膨胀土的缩限ws以及墙后膨胀土的胀限we；
S2：确定恒定体积条件下墙后膨胀土由缩限增湿至饱和时产生的竖向膨胀力psp；
S3：确定工程所在地区膨胀土大气影响急剧层深度L；
S4：通过以下公式计算膨胀土挡土墙墙背不同深度处的最大侧向压力：
其中：
式中：
p(Z)为挡墙墙顶以下深度为Z处墙背承受的最大侧向压力，单位kPa；
pep(Z)为墙顶以下深度为Z处墙背承受的库仑土压力，单位kPa；
k1为缓冲层修正系数，k2为膨胀力修正系数，k3为第一膨胀力比例系数，k4为第二膨胀力比例系数；
pv(Z)为墙顶以下深度为Z处的膨胀土在等体积条件下从天然含水率开始增湿到饱和时产生的竖向膨胀力，单位kPa；
wn(Z)为墙顶以下深度为Z处的膨胀土的天然含水率；
ws为墙后膨胀土的缩限，单位％；
we为墙后膨胀土的胀限，单位％；
psp为墙后膨胀土在恒定体积条件下由缩限增湿至饱和时产生的竖向膨胀力，单位kPa；
γsat为墙后膨胀土的平均饱和重度，单位kN/m3；
L为大气影响急剧层深度，单位m。
在一种实施方式中，缓冲层修正系数与墙体和膨胀土边坡间的缓冲层的设置情况相关，当设置0.3-0.5m厚的非膨胀土缓冲层时，k1＝0.7-0.75；当设置0.3-0.5m厚的土工泡沫缓冲层时，k1＝0.4-0.6；当没有设置缓冲层时，k1＝1.0。
本申请实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下一种或多种技术效果：
本发明提供的一种膨胀土中刚性挡墙上最大侧向压力计算方法，考虑了膨胀土在大气降水、地表水、地下水浸入而产生膨胀时对刚性挡墙产生的最大侧向压力，采用分段函数形式，考虑挡墙后膨胀土的天然含水率的分布以及缓冲减胀层的影响，给出了刚性支挡结构设计中最大侧向压力的计算公式，为支挡结构设计提供科学依据。该方法操作快捷，计算简便，满足工程需要，解决了现有技术的中计算方法不合理，无法准确计算的问题。
附图说明
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。
图1为南京某刚性挡墙后实测最大侧向压力随深度分布与由本发明方法预测的侧压力对比示意图。
具体实施方式
本发明给出了墙后填筑膨胀土的刚性挡墙在膨胀土增湿膨胀时墙背上可能承受的最大侧向压力的计算方法，为膨胀土地区相关支挡结构的设计提供依据，满足实际工程需要，保证支挡结构的安全性。该方法包括以下步骤：①通过现场或室内试验确定墙背不同深度处膨胀土的天然含水率wn(Z)，单位％；墙后膨胀土的缩限ws，单位％；墙后膨胀土的胀限we，单位％；②通过室内试验确定恒定体积条件下墙后膨胀土由缩限增湿至饱和时产生的竖向膨胀力psp，单位kPa；③通过现场调查实测或相关技术标准，确定工程所在地区膨胀土大气影响急剧层深度L，单位m；④通过以下公式确定膨胀土中挡土墙墙背不同深度处的最大侧向压力：
其中：
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、完整地描述，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。
本发明实施例提供了膨胀土中刚性挡墙上最大侧向压力计算方法，其特征在于，包括：
S1：确定墙背不同深度处膨胀土的天然含水率wn(Z)、墙后膨胀土的缩限ws以及墙后膨胀土的胀限we；
S2：确定恒定体积条件下墙后膨胀土由缩限增湿至饱和时产生的竖向膨胀力psp；
S3：确定工程所在地区膨胀土大气影响急剧层深度L；
S4：通过以下公式计算膨胀土挡土墙墙背不同深度处的最大侧向压力：
其中：
式中：
p(Z)为挡墙墙顶以下深度为Z处墙背承受的最大侧向压力，单位kPa；
pep(Z)为墙顶以下深度为Z处墙背承受的库仑土压力，单位kPa；
k1为缓冲层修正系数，k2为膨胀力修正系数，k3为第一膨胀力比例系数，k4为第二膨胀力比例系数；
pv(Z)为墙顶以下深度为Z处的膨胀土在等体积条件下从天然含水率开始增湿到饱和时产生的竖向膨胀力，单位kPa；
wn(Z)为墙顶以下深度为Z处的膨胀土的天然含水率；
ws为墙后膨胀土的缩限，单位％；
we为墙后膨胀土的胀限，单位％；
psp为墙后膨胀土在恒定体积条件下由缩限增湿至饱和时产生的竖向膨胀力，单位kPa；
γsat为墙后膨胀土的平均饱和重度，单位kN/m3；
L为大气影响急剧层深度，单位m。
本发明的方法与已有的类似方法相比具有如下优点：1.可以反映大气影响急剧层深度范围内土体天然含水率的分布对于墙背承受的最大侧向压力的影响；2.可以反映大气影响急剧层深度范围内土体的埋深，即竖向应力，对于墙背承受的最大侧向压力的影响；3.可以计算铺设土工泡沫缓冲层时墙背承受的最大侧向压力。该方法操作快捷，计算简便，满足工程需要，解决了现有技术的中计算方法不合理，无法准确计算的问题。
具体实施过程中，步骤S1中，墙背不同深度处，膨胀土的天然含水率wn(Z)，缩限ws(Z)和胀限we(Z)可以通过现场和室内试验得到。
步骤S2中，恒定体积条件下，墙后膨胀土由缩限增湿至饱和时产生的竖向膨胀力psp可以通过室内试验得到。
步骤S3中，工程所在地区膨胀土大气影响急剧层深度可以通过现场调查实测或相关技术标准得到。
其中，k2取0.4；k3由当地经验或试验确定，无经验时可取0.5；k4由当地经验或试验确定，无经验时可取3.0；为大气影响急剧层深度，无经验时可取3m。
在一种实施方式中，缓冲层修正系数与墙体和膨胀土边坡间的缓冲层的设置情况相关，当设置0.3-0.5m厚的非膨胀土缓冲层时，k1＝0.7-0.75；当设置0.3-0.5m厚的土工泡沫缓冲层时，k1＝0.4-0.6；当没有设置缓冲层时，k1＝1.0。
设置0.3-0.5m厚的非膨胀土缓冲层，包括砂石、无粘性土等，k1无经验时可取0.75；设置0.3-0.5m厚的土工泡沫(EPS)缓冲层时，k1无经验时可取0.6。
下面通过具体的示例对本发明提供的膨胀土中刚性挡墙上最大侧向压力计算方法进行说明，请参见图1，为南京某刚性挡墙后实测最大侧向压力随深度分布与由本发明方法预测的侧压力对比示意图。
南京某墙后填筑膨胀土的刚性挡墙工程，墙高4m，其后填筑了南京当地的强膨胀土。为研究墙后最大侧向压力的分布，从墙顶到3.5m深的范围内埋置了多个土压力盒。在降雨入渗作用下，墙后膨胀土逐渐达到完全饱和，此时作用于墙背的侧向压力为最大侧向压力，如图1中实测数据所示。按照本方法所提方法对最大侧向压力进行预测，预测结果如如图1的实线所示。可见，预测结果在0-1m深度范围内较实测结果稍高，其原因在于表层膨胀土在吸湿后开裂以及竖向膨胀作用使侧向压力减小。在1-3.5m深度范围内与实测结果非常接近，较实测结果偏高5％-10％左右，是偏于安全的。由此可见，本发明方法能够准确计算膨胀土中刚性挡墙后最大侧向压力的实际值及其分布模式。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；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。
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