位移土壓力及非極限力學指標研究概述

位移土壓力及非極限力學指標研究概述

         隨著中國城市化進程的加快，地下空間的開發利用逐步成為解決土地資源日趨緊張的必由之路，而地下空間的開發形成了不同類型的人工邊坡。準確確定不同地質施工條件下的土壓力是支護工程設計和施工的前提，也是確保其經濟、安全、高效運行的基礎。隨著社會的發展，周邊建筑物、構筑物和地下設施對巖土體變形的要求越來越高。目前支護結構設計已逐步由按強度控制轉變為按變形控制。因此，根據允許變形來準確確定土壓力對支擋結構的設計至關重要。

        實際上，作用于支護結構或擋土結構上的土壓力只有在極其特殊的條件下才等于極限土壓力，而在正常工作狀態中，土壓力的大小取決于擋土結構物的高度、剛度、填土性質、位移等因素。一般將基于擋土結構位移量的非極限平衡狀態時的土壓力稱為位移土壓力。飽和粘性土的極限土壓力包括主動土壓力、被動土壓力和靜止土壓力３種形式，其大小主要依賴于土的內摩擦角φ 和粘聚力ｃ０。而當粘性土處于非飽和狀態時，其極限平衡狀態時的土壓力還依賴于與基質吸力相關聯的摩擦角φｂ。

        關于非極限平衡土壓力已有較多研究，但關于位移相關的力學參數的演變過程研究較少，如內摩擦角隨位移或土壓力的變化規律。本文中基于摩擦定律、土壓力的雙曲線模型、適用于飽和及非飽和土的Mohr-coulomb 強度準則，分析了擋土結構位移時土體的應力狀態和應力路徑，給出了非極限平衡飽和及非飽和狀態時，位移力學參數（強度參數的發揮程度）與位移和土壓力的關系表達式。為深入研究非極限平衡狀態下，擋土結構物的真實工作狀態和工作性能奠定基礎。

摩擦是一種常見的物理現象，可以存在于不同物體之間，也可以存在于某一物體內部。如，質量為ｍ 的滑塊在某一平面上的滑動屬于前者，見圖１，而土體在受剪過程中隨變形發展而表現出來的潛在滑動面兩側的摩擦作用則屬于后者。圖１中Q 為外力；g 為重力加速度；β為外力作用線與豎直線的夾角；α為滑塊與平面之間的摩擦角；F，N 分別為滑塊與支撐面之間的摩擦力和反力。

  無論哪種摩擦作用，極限摩擦角只有 1 個，超過該極限值，體系將喪失穩定。而位移摩擦角（或位移摩擦因數）則可以取 0 到極限摩擦角（或摩擦因數）之間的某個數值。如圖１（ａ）所示的平面上的滑塊，假設其與水平面之間的摩擦因數為 tanα，則當外力Q 的作用線與豎直線的夾角0＜β＜α 時，滑塊處于非極限平衡靜止狀態；當β＝α 時，滑塊處于極限平衡狀態；而當β＞α 時，滑塊則喪失穩定性。顯然，在非極限平衡狀態下，滑塊與平面的實際摩擦角可能為0～α 之間的任意數。如果滑塊位于斜面上，如圖１（ｂ）所示，則當斜面的傾角0＜β＜α 時，滑塊處于非極限平衡狀態；當斜面的傾角β增大到β＝α 時，滑塊處于極限平衡狀態；當斜面的傾角β增大到β＞α 時，滑塊將沿斜面下滑。在傾角逐步增大的過程中，滑塊與斜面之間的摩擦因數tanβ 逐步增大，直至達到tanα 。

可見，滑塊與斜面之間的實際摩擦角隨著傾角的增加而逐漸增加，并最終達到極限摩擦角?；瑝K在圖１條件下的平衡是一種非極限平衡狀態。此時，滑塊和平面間的實際摩擦角并非極限摩擦角，變化范圍介于0與極限摩擦角之間。因此，正常工作狀態下，滑塊和平面之間的摩擦角并非極限摩擦角，極限摩擦角只是極限平衡狀態對應的摩擦角。

同樣，無粘性土的內摩擦角、粘性土的內摩擦角和粘聚力，以及非飽和粘性土的內摩擦角、吸力摩擦角和粘聚力也是逐步發揮的，破壞時的內摩擦角和粘聚力只是極限狀態時的特殊值。因此，對于非極限平衡狀態的地基和土體，其真實的力學參數隨著位移的增大逐步發揮，直至達到極限值。

已有研究表明，擋土結構受到的土壓力與其位移大小緊密相關，可用雙曲線描述，如圖2所示。

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