膨胀土中设置EPS缓冲层的刚性支挡结构上侧向土压力的计算方法

膨胀土中设置eps缓冲层的刚性支挡结构上侧向土压力的计算方法
技术领域
1.本发明涉及土岩土工程设计技术领域，尤其涉及膨胀土中设置eps缓冲层的刚性支挡结构上侧向土压力的计算方法。


背景技术：

2.膨胀土在我国20多个省、市、自治区广泛分布，许多岩土工程项目不可避免地会遇到膨胀土。地表大气影响深度范围内的膨胀土在降雨入渗、地表径流等外界环境作用下增湿时，会产生明显的三维体积膨胀。地表膨胀土中的刚性支挡结构(即不可移动或挠曲的支挡结构，如地下室外墙、拱形重力式挡墙、桥墩等)约束膨胀土的膨胀时，受到膨胀土作用的侧向土压力会显著增大，其值可能达到传统设计中确定的侧向土压力的数倍甚至数十倍，进而造成支挡结构出现失稳、断裂等破坏现象。
3.在刚性支挡结构和膨胀土之间设置一定厚度的eps缓冲层可起到显著的减小侧向土压力的效果。减压机理在于：eps缓冲层在土压力的作用下压缩，可允许膨胀土发生指向支挡结构外侧方向的位移，减小刚性支挡结构对膨胀土侧向膨胀变形的约束，使膨胀土的抗剪强度得到发挥，进而释放膨胀土在吸湿后产生的侧向膨胀力并使侧向土压力向极限主动土压力过渡，达到减载效果。
4.目前相关规范、技术标准中并未给出设置eps缓冲层的刚性支挡结构上侧向土压力的分布模式、计算理论、eps缓冲层的厚度和模量等因素的影响等关键设计问题的计算方法，目前也无相关文献或专利文献予以报道。工程设计中，只能由设计人员根据经验，在传统土压力计算结果基础上乘以一定的折减系数进行计算；或建立复杂有限元分析模型开展数值分析计算。相关设计是否合理、安全储备是否充足实际上仍不能确认。可见，设置eps缓冲层的刚性支挡结构在计算设计方面技术不足，迫切需要提出一种适用于该类结构的侧向土压力的计算方法。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种膨胀土中设置eps缓冲层的刚性支挡结构上侧向土压力的计算方法，用以解决现有技术中存在的无法准确计算设置eps缓冲层的刚性支挡结构上侧向土压力的问题，通过合理确定膨胀土增湿饱和时支挡结构承受膨胀土作用的侧向土压力的大小，为支挡结构设计提供依据，满足工程需要。
6.为了达到上述目的，本发明提供了膨胀土中设置eps缓冲层的刚性支挡结构上侧向土压力的计算方法，包括：
7.s1：确定工程所在地膨胀土的大气影响深度l；
8.s2：确定大气影响深度范围内膨胀土的平均有效内摩擦角φ
′
；
9.s3：确定无eps缓冲层时大气影响深度范围内的膨胀土在增湿至饱和时，对刚性支挡结构作用的侧向土压力随深度z的分布p0(z)，其中，当有相关实测或经验数据时，根据实
测或经验数据，当没有相关实测或经验数据时，按以下公式进行计算：
[0010][0011]
其中，
[0012][0013]
式中：
[0014]
pv(z)为支挡结构顶部以下深度为z处的膨胀土在等体积饱和过程中产生的竖向膨胀力，单位kpa，
[0015]
wn(z)为支挡结构顶部以下深度为z处的膨胀土的天然含水率，单位％，
[0016]
p
sp
为大气影响深度范围内的膨胀土在等体积条件下由缩限增湿至饱和时的平均竖向膨胀力，单位kpa，
[0017]ws
为大气影响深度范围内的膨胀土的缩限的平均值，单位％，
[0018]
we为大气影响深度范围内的膨胀土的胀限的平均值，单位％，
[0019]
γ
sat
为大气影响深度范围内的膨胀土的平均重度，单位kn/m3；
[0020]
s4：根据库伦土压力理论计算饱和膨胀土作用在刚性支挡结构上的极限主动土压力随深度z的分布pa(z)，单位kpa；
[0021]
s5：通过以下公式确定设置eps缓冲层的刚性支挡结构在膨胀土增湿至饱和时，在大气影响深度范围内承受膨胀土作用的侧向土压力随深度z的分布p
l
(z)，单位kpa：
[0022][0023]
其中，m、n、a为中间变量，
[0024]
m＝a[p0(z)-pa(z)]
[0025][0026][0027]
式中：
[0028]
φ
′
为大气影响深度范围内膨胀土饱和状态下的平均有效内摩擦角，单位
°
，
[0029]
h为挡土结构的高度，单位m，
[0030]
e为eps缓冲层的弹性模量，单位mpa，
[0031]
t为eps缓冲层的厚度，单位m。
[0032]
在一种实施方式中，s2包括：
[0033]
从现场地表下1m处开始，每隔1m采取原状膨胀土样直至大气影响深度，通过三轴试验确定膨胀土的有效内摩擦角，将不同深度处原状膨胀土样的有效内摩擦角求平均值，得到大气影响深度范围内膨胀土的平均有效内摩擦角φ
′
。
[0034]
本发明提供的一种膨胀土中设置eps缓冲层的刚性支挡结构上侧向土压力的计算方法，考虑了膨胀土在大气降水、地表径流等自然环境作用而产生膨胀时对设置eps缓冲层
的刚性支挡结构产生的侧向土压力。本发明的方法首次给出了该类刚性支挡结构设计中侧向土压力的计算公式，为该类支挡结构设计提供科学依据，具有如下优点：
[0035]
1、可以反映具有不同土性参数的膨胀土对于支挡结构承受的侧向土压力的影响；2、可以反映大气影响深度范围内土体天然含水率的分布对于支挡结构承受的侧向土压力的影响；3、可以反映eps缓冲层厚度和弹性模量对于支挡结构承受的侧向土压力的影响。该方法操作快捷，计算简便，满足工程需要，解决了现有技术无法准确计算的问题。
附图说明
[0036]
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。
[0037]
图1为南阳膨胀土中某设置eps缓冲层的刚性挡墙侧向土压力的实际值与本发明方法预测值对比示意图。
具体实施方式
[0038]
本发明公开了膨胀土中设置eps(聚苯乙烯土工泡沫)缓冲层的不可移动或挠曲的刚性支挡结构在膨胀土增湿至饱和时承受膨胀土作用的侧向土压力的计算方法，为膨胀土中该类支挡结构的合理设计提供依据。eps缓冲层通体深度一般应大于或等于工程所在地膨胀土的大气影响深度。本发明公开的计算方法包括以下步骤:
①
通过现场调查、实测或依据相关技术标准，确定工程所在地膨胀土大气影响深度l，单位m；
②
在现场取原状膨胀土样，通过三轴试验确定大气影响深度内膨胀土的平均有效内摩擦角φ
′
，单位
°
；
③
通过现场实测或依据工程所在地设计经验，确定无eps缓冲层时大气影响深度范围内的膨胀土在增湿至饱和时对刚性支挡结构作用的侧向土压力随深度z的分布p0(z)，单位kpa；
④
根据库伦土压力理论计算饱和膨胀土作用在刚性支挡结构上的极限主动土压力随深度z的分布pa(z)，单位kpa；
⑤
通过具体公式确定设置eps缓冲层的刚性支挡结构在膨胀土增湿至饱和时，在大气影响深度范围内承受膨胀土作用的侧向土压力随深度z的分布p
l
(z)，单位kpa。
[0039]
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。
[0040]
本发明实施例提供了膨胀土中设置eps缓冲层的刚性支挡结构上侧向土压力的计算方法，包括：
[0041]
s1：确定工程所在地膨胀土的大气影响深度l；
[0042]
s2：确定大气影响深度范围内膨胀土的平均有效内摩擦角φ
′
；
[0043]
s3：确定无eps缓冲层时大气影响深度范围内的膨胀土在增湿至饱和时，对刚性支挡结构作用的侧向土压力随深度z的分布p0(z)，其中，当有相关实测或经验数据时，根据实测或经验数据，当没有相关实测或经验数据时，按以下公式进行计算：
[0044][0045]
其中，
[0046][0047]
式中：
[0048]
pv(z)为支挡结构顶部以下深度为z处的膨胀土在等体积饱和过程中产生的竖向膨胀力，单位kpa，
[0049]
wn(z)为支挡结构顶部以下深度为z处的膨胀土的天然含水率，单位％，
[0050]
p
sp
为大气影响深度范围内的膨胀土在等体积条件下由缩限增湿至饱和时的平均竖向膨胀力，单位kpa，
[0051]ws
为大气影响深度范围内的膨胀土的缩限的平均值，单位％，
[0052]
we为大气影响深度范围内的膨胀土的胀限的平均值，单位％，
[0053]
γ
sat
为大气影响深度范围内的膨胀土的平均重度，单位kn/m3；
[0054]
s4：根据库伦土压力理论计算饱和膨胀土作用在刚性支挡结构上的极限主动土压力随深度z的分布pa(z)，单位kpa；
[0055]
s5：通过以下公式确定设置eps缓冲层的刚性支挡结构在膨胀土增湿至饱和时，在大气影响深度范围内承受膨胀土作用的侧向土压力随深度z的分布p
l
(z)，单位kpa：
[0056][0057]
其中，m、n、a为中间变量，
[0058]
m＝a[p0(z)-pa(z)]
[0059][0060][0061]
式中：
[0062]
φ
′
为大气影响深度范围内膨胀土饱和状态下的平均有效内摩擦角，单位
°
，
[0063]
h为挡土结构的高度，单位m，
[0064]
e为eps缓冲层的弹性模量，单位mpa，
[0065]
t为eps缓冲层的厚度，单位m。
[0066]
具体来说，由于eps缓冲层通体深度一般应大于或等于工程所在地膨胀土的土大气影响深度，因此应通过现场调查、实测或依据相关技术标准(如“膨胀土地区建筑技术规范，gb50112-2013”第5.2.11节和5.2.12节)，可以确定出工程所在地膨胀土的大气影响深度l，单位m。
[0067]
步骤s4中，可以根据常规技术手段中的库伦土压力理论来计算饱和膨胀土作用在刚性支挡结构上的极限主动土压力随深度z的分布。
[0068]
在一种实施方式中，s2包括：
[0069]
从现场地表下1m处开始，每隔1m采取原状膨胀土样直至大气影响深度，通过三轴试验确定膨胀土的有效内摩擦角，将不同深度处原状膨胀土样的有效内摩擦角求平均值，得到大气影响深度范围内膨胀土的平均有效内摩擦角φ
′
。
[0070]
下面通过具体的示例对本发明提供的膨胀土中设置eps缓冲层的刚性支挡结构上侧向土压力的计算方法进行说明，请参见图1：为南阳膨胀土中某设置eps缓冲层的刚性挡墙侧向土压力的实际值(由abaqus有限元软件计算所得)与本发明方法预测的侧向土压力值对比示意图。该刚性挡墙墙高h＝3m，其后填筑南阳膨胀土。墙后安装厚度t＝0.3m，弹性模量e＝2.37mpa的eps缓冲层。刚性挡墙所处工程场地的大气影响深度l＝3m。大气影响深度范围内的南阳中膨胀土的土性参数值为：饱和有效内摩擦角φ
′
＝20
°
，饱和重度γ
sat
＝18.5kn/m3。南阳膨胀土的初始含水率为17％，在大气影响深度范围内，在降雨入渗作用下，增湿至饱和含水率30％，期间测算刚性挡墙受到的侧向土压力的作用。
[0071]
为准确确定刚性挡墙受到的侧向土压力的实际值，运用工程常用有限元分析软件abaqus建立数值模型开展分析，确定了没有eps缓冲层时挡墙承受的侧向土压力分布p0(z)和有eps缓冲层时挡墙承受的侧向土压力分布p
l
(z)，运用库伦土压力理论计算了挡墙承受的极限主动土压力分布pa(z)。基于上述南阳膨胀土、eps缓冲层的参数以及p0(z)和pa(z)，运用本发明所提方法对有eps缓冲层时挡墙承受的侧向土压力分布p
l
(z)进行了计算，计算结果与实际结果对比如图1所示。可见，本发明所提计算方法的计算所得p
l
(z)与abaqus数值模拟所得p
l
(z)非常接近，与实际结果偏差在5％以内，完全符合工程实际对于计算精度的要求。由此可见，本发明方法能够准确计算膨胀土中设置eps缓冲层的刚性支挡结构上侧向土压力。
[0072]
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。