1 99 9N.

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港工

技术

仑库土压力理论中的若干题问魏汝

龙 1,2(南京水利学研究院科摘要,

002

) 4

,运用现 土代力概念学对 库仑土压力理在论实际应用中特别在是粘 中土的应用存在的若千 观念模糊 的问。

进题行比较深入刹的析这 些问题主要包括在计 算压力侧时应 水该土合算还走水土分葬;应 考虑该堵 前后静水的力压:

,还是考虑渗流力,如何合理 地用选土的强度指;标用利互相,匹

配不同的度强指标能否得到同相土的力值压;考土虑的凝

。聚时力是否会在面地近附的墙土之 引间起拉应 如力何考虑 御载对于土压力的影响等关词健;

库仑土力压静水力压渗流力强

度指标

前目国在内计挡算土结构和基坑支护上的土,

角。

压力时用最采多的是还仑库方法是因这为简单它了明可以虑许考影多因响素如地面例度坡墙面,,

,、。

在总应力 中采法用固结排水不强度标时指实

,,

质上 是忽略了 土体破坏时产生的超静孔压认剪,为

倾以及角墙土之间摩的阻力等但是个这理论是在,。

前总的应力 变不例如(沁<,

。同采时用低较总应的力度强指。标200多年前提出的当时对于抗 剪强等土度性的质,,

,尹汽为固 结不排水剪阻角)补来偿上述,

还没 有深人 究研有许 多重要的概 (如念有效应力 原理)尚形未故成它在不少面方的观念模糊不是清的。

影响 中其丝毫没有涉 及静水压力的影响时仍应将水土压力分开 虑考[ j l。、

。因此此,

尽它因袭管传沿相至用今但对于它在实际应,

,。,

用的中一些机理 题问特别是对 在它粘性土中应用的乏缺透的理解彻例如在计算土压力应时该是,,

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,,水土合算是还水土算分应该考;虑前墙后的静水压力还是考虑渗流力如何合理选地用土的强指标;度

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利用互相匹配的不强同度标指能否得相到同值的数压土力值考虑土凝的聚时力是否会地面附近的

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鲁

。

,但是际实上在采用总应力法计算土压时力

人,

土墙之间引起拉应 力何如虑开考挖卸载时 对于压土的影力响等。,;

们往 习往惯于水将土压力混合计算闭,

例在渗如,

,透较性低 粘的性地土中基很人认为开多挖时后水墙压力的影响不会在短时间显示内出来因为即使不 用采降水措基施坑内的渗 水量也很少所以他们,,随着力学特土别是土的抗剪强度和限平极衡理

论发展的在现可对以于仑理库论其及用中应出现的上述问题进行比较深人的剖析,。

张采主用水土合算 E

、。。

11.

压土力和压水力1一

土水分算和水 土合算采用有效应力法计算土 力时压按照有效应,力,

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(3)原理 土架压骨力和水压力必分别须考E虑。=

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和;分别是土的浮重度 水和的重 度。

{K自+

其中艺是 土饱和的重 度一乙几 +踢将式(2) 式 (和3)进行比较后可以看两出者的。

,(1

)差别就在于采用 水土算合相于将当水压力也乘上,

了土压力数系当水然压力与 压土力数是系风马牛,。

不关相

的

。过赞成不水土合 算的人可以解释说如,,。,

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二

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、

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仕荟 )尹是效有剪,阻开果挖后 水压力不很会快 完地全示显出来那 么将它打个折扣也无可非议;

问题在于,

,a<K

,1

,使墙后的水压确力实打了折 但扣是K收>稿期1日98一 9 11一 171

却夸大了墙前

的水压力

。这显然是互矛盾相的

。

港,工

术,技9 19 9N.

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Z

以外从土体抗剪强度的观点出发来分析水

上土覆压作力用下固结 成形的水压力在中毫无作其用即S。,合算方法可更清以楚地 出看其中存在问题的症结,,

。

众所周知 常固正结土天的然强度是由它于有效在=7

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圈1,,

滑动楔体 平的力多衡边形(1)因此果如滑动楔体位于地下水以下位则滑裂

板于桩桩端下

的土中体左右 侧两的压水力是平不,面上的 抗滑力以及 楔的平体衡条都件应在土体浮 重计算下建立和在水而土合时算动楔滑体平衡的力,

。衡的。

为。了解决这矛个盾沙基在计太算桩板时曾,,,

设假墙前后的水压力之 如差图 2( b)中阴影部分所示这是 种简一化的假设际实当上体土透渗性较 而大坑施基工较期时长可以用下述 法计方算墙前后,

边多形如图 1 )(b所示,。

其中线实部分是由楔体浮重

产。生力的多边形虚线 部分则示出 虑饱考和体土中的水 而引重起 的加附分到图部 1(。 ),

将后中者的心部核分移植是由于水重而 在滑裂面,

,的渗流力 得而出压水力分布以图 3所示基为例坑。。

为即楔体由水中重引的起各附加力所

,假设开挖深度为,。h

,

支

护成组的多边形其力中。乙T

结构插人底以坑下的深度为 d而基坑外内的地下

上产生的加附抗滑这力与述上强度的成形理机显然矛是盾的2.

水位均保 持各在自的土面附近这样墙前后的 头,

。水

所以从土的强观点度来看土合水算。

,

为差h, 墙面而附近的渗 则为径一 lh+ dZ故其平均

法,是也不合理的阁

2水梯力度i~/hh+(

Zd。 )。

在发生渗流时水压 力,中,,,

静水压和力渗流力闲在计设板桩 墙基坑或支护结构 时果将如墙前,,

一有部分转化为渗流力 (氏一了wi l )为成作在用土骨架上的有 效应力例如支在护后底墙部原有的,

后的压力水按静均压力考水虑则前 水后压力之差如图2(a )

水压 (力总应力 )。 一 y二 (+ h d)下向的 流渗力 (有l效一力应)ah+ dh+Zd,

中阴影分所部示。

样这可以看在紧接出,

y i二+h(d)一二 yh故剩下的水压 力孔压 (,

一) d苟一

鼠酬 au~一 *一一~ 仕J项 l I石厄蕊干 的相应点前上原有的水压力,。

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由此看出考虑渗流时

,墙下底体两土侧的水压力是互平相衡的,

。但是于由原的有水,,压力中有部分一转化为作于用土骨架上的流力渗墙故前后的圈

2支护构前结后压水力布分主和动被土压力分别动减增

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音 7二d致墙后孔压偏小主和动土压增量力偏大; 墙前而压孔和被土动压力减量偏大 (均比图较3中虚实所线示图形)大。

h+ dZK

户

。

。如果绘 流制网则可看出墙前后各点的 水力梯,

,这样墙前后的 水压偏差小而 压差土偏,,。

,度竖向和水在方平向上的布分不是均匀的越深处,

这种两偏方差向反相可 以部分地相抵互消,。

虽

水梯力度越大越远处水力度梯越小,,。

因此采墙用,

,

然净影其响仍将使墙前后的力压差 小偏但最终引起的误差不会太大面附近均平度进行计梯时算得的出渗力流偏大导渗力流平用均梯度 出得的渗流力ld备工| e用平均度得梯出的流力渗\人一l

被动土力减重压1

1

主动土压力增重

渗流力、、鹅弃

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怒支护构结后前考虑流渗力时水 力压分布

( )

圈3e

用上述例子比较几种方法 计算土压力时的差

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(6

)异:

)水 4土分算虑考渗 力流(( )1土水合算一

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〕K (‘ ,前面已经指水出合土算当相于将墙前的后压力分水别乘 被以和动主土动压力系数这就 大夸和 缩墙小前的后水压力从而偏低地估计墙前 后压的

,,(2 )水土 算分考虑图2(a )形式 的静压力分水布E一。

E户合一合 yB,

yB,(‘

己) K十+Z。

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Z

。 (“+、“,力差式〔( 4)〕算计果结偏不 安全,,,

。但采用是图,

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Z+K户

’、

合 a)形式 静水的力压布分将偏则高地估计墙前后的 (

ZE

。

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“)〔K一 d

K〕+户合

、,(5)压力差[式( 5 〕)使算计结 果偏于保守,,以上是两个。

极情况式端( )和式6(7 ) 介于这两者之间在般情一况这几个下公式算出的墙前后压力

差的低高按下 述次排列序,(h+Zd )

( )3土分水算考虑图 2() 形式水的压力 分布 bEE一

。

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这就是说 与考虑渗流力比较起来 用采图2 (b )所,

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示的墙前后水压力差偏于不安全,

。

这可能是由于此,

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假设的时墙前水压力大超大过相应静的水力分布压见(图 2 (b )虚线所示)。

wh在墙后水位前较差大时宜

考虑港渗力流行进计算3 .31。

工

技术

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强度指 标问用题配匹的不同强 指度标算计土力压t an

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在总应力方法中 以可采 两种不用同强的度指:标固结不排水固 (结剪 )快和不排水 (快剪 )强度

,指一

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(9 )从而得出 2 )得(到E[。

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。尽管这两强种度 指的测定方法标和数值大不相。

2〕、Zc;〔

同一但它们可都用来表以示土层中同一上的点天然度强z

,

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(/又了二1一s

因此它们之间是密切相关的,,

二

。%)令升 i。n

、二2乙

前面已经指出 在正固常情结况下土 某个深层处度的天然度强是凡在其效上履有土重下固结。

,(10)

与它式 ( 8并不完)全一致产生种差这异主的要原因

。后形成的这就说地下是位引起水的水压力对于土的然天强的度形成不起作用因此的天然土强度在,

。

,在式 (8 )和于 (式 2)是根据不同的滑动楔体算而出的。

由于使用不强同度指标不同的内摩 (阻角礼或一‘

用固结快剪强度指标表示时应S为~

外一。。 ) 决定各,了、尹

~

‘M

t八z’an礼( y为 的土浮重度 ),

,不自同的滑裂面倾角分(别 为士手 ,同 4”一~~一

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,而用快剪强度指标表时则示为S=。

和票)故以上的比较不是对一同滑裂面和同一鲁~” ” 24~~~~

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。滑动体楔的Saa a

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这就是C说=了,“

‘等〔 (〕 9 91 4)指出从体土的裂缝和剪切‘3,

,。z

ta n礼

。带的形成扩和展方向出看饱和粘即使在土不排水情的况下也属于摩 阻料材。

此因这种强度两指应标是该互相匹配的

,,采用异~

0,

进法行算计采用不排水快剪 ()强 度的指 时对标于 地下水

能只作为一 种近似方 法因此要较比上述两种 配

位匹以下的和饱粘土界=,

,0 (K故)~( K)~。。,

二

1

。

这

样(E)一。

的强指度标得的出结果最 好统一地 用采倾角为 (粤闷一曰,,”~~”~ 4~一~一~,

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在这个滑}动上面果直如接采用不~~”~~一产一一一排水强度指标则从图 4 看出‘)的动滑面华 2~~”甘’

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表面来看式 8()比式(3 )理因为合少至中其没有缩小或夸大压力的水影响所以 在用采不排水度强指标 水时土合 和水算土算没有分么什差异,,。。一;写粤

-

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〕踢粤。、,

,

(1 1

但)是如

,它与从式 2( )得到式的(1 0 )完全一样,

果将式8( )与式 (2比 )较则中其有还如下题问有待澄清有采用一同滑动面进 行较比种两匹配 的同不强度上指面出两种强度指标是相匹互配 利用的们它出的土算压似力乎也应该一。致,

,

果如在图4

中使固结不排水强度指标滑与面动的法上向应

N力

N度o

B联系起来得出以

,“

与相匹它的不配排强水指标tan

,

黔今“因此

只,谈\双“

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一法4

2件。,

从滑动则楔圈体

4力多的形〔图边 4(b 〕)可得

到滑动 体的楔力多边形 2 ()

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工

技术

指标所到得土的力值压可才能相同,采用不同的 度强指标 (件或乙,~但是,

o),

必须

就各使自的滑裂倾角面同得出不的土压

力值一不般会相同而现有 料资[ 31。

如上所述 一。界只法是一种近似方法〕,

,

表明由于取扰土的动影,响,

内室测出不排的强水度指 标的离散性要比固不排水结度强标指离散的性得多大,,,

。所。以在利用总应力 法计土算压力时 最好采

固用结排不水度指标也就强是采用式 (2 )3.

2

凝聚力的影响库仑论理初是最针对砂土而提出的其中没考有虑凝聚力‘。‘,

圈滑动楔的体力多边形 (4 )

影的响(‘二 0),,

。

尽如管此 由于,

。得E

。其中考虑其了许他多因素如地面坡度夕墙面倾和角墙摩面阻 角等占得出 的公仍然式分十复杂。

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例反,

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中 K其

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1。

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为了以后 于便比较将旦

影的响也包含到 压力土系乙

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2

( 21)

中去可数E使

。一在这样的公式 如果再中将凝聚力 影的响包括进去,

合

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出得的计算式必然将 极是其繁琐和 庞的要杂在实其

中K ‘

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晋署〔晋署,,tan

(一

, 6,一,2〕 (‘而且甲一c 2 )h/是在但虑考墙摩面阻时况就情为,大

不同\\尹。

此时凝聚力的影响将杂复多1得 2一sn

。图

6从出得E一

、

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se so滑动楔体多的边 (形3 )。

用推中这广的公样式是 分十困难的,

和,

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氏=(甲+占()1 9)为了 便说于明们我从最简单的情况始开这就。是地面水平二 0甲) 和墙)面滑光 (。墙面竖 (直一要州~例一“曰 2一~一一“~一0 )的况情此时土的凝力并不聚影响破面裂的倾,一一’、tna、

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这可以图从5看出_。_

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其中 K。 l

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故和沪}

)叶于( (02 )

。要这比同样情况下,占一0时的公 ( 1式 6)复杂得多利

,万 - r代汀尹

乙用样同方法可以得出上 述况中情的被动破裂倾面

与它

‘

O二时得的完全到样一。

将它人式代 ( 13)可,

角和 土力系数压如下

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工技

术1999 N

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Z力数值成为E。

一

合y“ ZK _a

,一

乙 Cn丫

八万2c一厂八十花,a,。

.这与从滑动土楔体的极限衡条平件求者不出一也就致说是这种法将导做致动滑楔体力系的不平衡其次库理仑论从墙后滑动楔体的力系平衡艺F(,,。

二

一。,习F

,

一。)出发只牵涉到 压力土的合力 小大,

。

,而未涉及其布分如果需要则必须根据滑动土体的力矩平条衡求出土压件合力力作用的位点才置能,,,

在假设线分性布的前提下确其定布分形状,‘

,

。例如一‘

卜,万一几)b (一。~。用上述方法分析最简单的挡 墙。(一要月 )上”一~~一~2一一~,一的主动土压力分布从图时B看中出滑 动楔体‘的‘’“

’

‘

’、一

’

‘ -

-,

,重量下向作用在其三分之一宽度处的重上心而滑

,动面上的反也力用在作其长度三分下上点因为此圈

7oe。

,

滑动楔体力多边 (形5 )

保了持滑 楔体的动矩平力土压衡力合力也 须必作和。s * .

,

t

=氏1see(甲+ a)^v

I一一一一,二气丁二气下二了了二 .s了ln~甲 t l,

c/eo s

osin (叶)。+于墙高的下用三分点上在这 情况下种主动土压力。

,

甲

U吕一甲1

无疑将成三角形分布。

即使在7,‘

O并粘的性土 上中,。

ta n

(梦十占) sn

i述情况也不会改 变[图,,b )〕因为动面滑的凝上聚 这(就。是 K‘户

甲十(占)能ni(力阻C L也过上通述三个力的交点 (图8 )占 )和 0+5沪+c ossn[丫

oes叶

i

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,0取卯5},

‘

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叶n占 )丫si叶

0

和5司

’

说在粘性土 中动主土压力仍三角为形布分川以

,,

所

它最好以式( 15 )表示而要写不成式( 14 )以免,

(2 )1

,将此的主动土时力压分布画成,图7

( a)所示形式,从

此在粘因土性中当虑考墙面摩 的阻影响时中和

而起引误 认解为粘性土挡墙顶部在墙土之间能可其裂面倾破和角土压力系数不 随着仅土的内摩 角阻墙摩阻角占面变化而且还随着凝 聚力,

。现出拉应力。

‘

的数值而

变此在外考虑土的凝聚力影时响附带又引起地,

,了个一似是而非问题的,。

有人认在为性粘土利中用

,。库仑论理计算主土动压 力时在墙的顶部 一深定度范围内墙之土间将现出拉应力这看种法主要是由式 (1 4和)图由于7

起引的。

zh峙y合尸一,。

K

一。

hc 2夜,

假定如土压力沿深度成线 性分则布K h2e

一 2。,。

。

夜样这深在度,

h -。

,尸处一叭在而此深以

度上P,。为值负也就是土对墙作的力用不是压力,而。

夜

是拉应力如果认为土墙之间不可承能拉受应力么那只假能设在深度以h上 尸。

,~,

。O。这是目前就国内。圈8简单挡上墙土的压力分布

4

通外常采的用方法其中有不少疑点

,先如首果假,

,基坑开挖对墙前土压力影响的计算坑基开挖墙时前被动压土力的现行方法

设,在

h。

深度以上的 P O一则将使主 土动压的力合。

,

是采用挖前开测定的度强指标根据开后挖应力的

19 9 N.9o

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工。

技术下面用一个算例说明 采卸用载的强度指标算

条计件行进算计度z

例如开当挖深度为 d而开挖前测,

定的正常固结粘强度指标为土处墙前后的土压力分别为Pp户

尹时,

原地以下深面时能产可生效的益,

。在正常固结粘土开中挖基坑挖深度开1 0m,

。

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也就一说是在墙前和墙后采 了同用样的强度 指标而,,},

利用下地连续作墙支为护结构 脚深墙人基坑底,

(2 2面)

下以 01m。

通过常规试验测该出粘土物的理力学 0性称一 10,3.4

指标kN/m

:~尹3

。 50,

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0

假设开挖后墙 后前的下地水位保均持在土先利首用述上综合强度理性论中立建公.的不区分 加载和 卸载况情显这然不太理合

。面近附

。

我们指曾出闭现有总的应和力有效应力强度理论不能考虑力应史历的影因响而其强度指不是标唯一的对于经受不应同力史历的同样土的在同,

。式算出礼=715(E,,,一{:一1.,

0,

件=21,

.

2

0= 0 272和宁.。

采用卸载

时的强度指标算计基坑下 墙前被动土 力为,压J

样试验条 件下可能得出完全同的不强度指标例如,。

,

在常正固结和超结固件条下或加在载和卸 条件载下得出强的指标差异很度大。万,

,

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为克了这服缺个点,

,

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(曾提出一种 所谓综合性强度 论理包阁括有

7,

条。不粤+ )粤=任乙,

m/而用加载时的度强指标计算墙前被动土压力为( Ep

的强同线度其中关有固结的不排水强度有两条线,

一条是甄线表示载时加强随度固结 力压变的化S一久 at,

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rt另条是卸载时一的件线 Sa二a,

,n件+

两者的比率为 (E, / )E户( )~: 126,

即,用利卸强载泞‘中

a其为卸后载的残余上履压力,,。,

a

为先户期固’度指标可使算计得出的墙前被动土压力提高 25%左。右结压力。,’

当体土的效有上压履力从0。一

z八

少减到~几( z一 d 时 ()图9 ) 5’

挖开面以 下的强度为

’此时如果再考虑墙面阻影摩响则墙前被动土,,=y B ( z d一 t) n a+件宁y Bz

( 3 2

压 )力的数值还可提高

。

如在此例算例中考虑墙面,,。

,摩阻后墙前被土动力压又提可5%右闭左高 2将上两种以影

,;,

护要

综响起来既合考虑基开坑的挖,

载影响卸又考墙虑面阻影摩,响则前墙动被土力压可以提高

,蜂

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约5%。

这是一项不容忽视的,。

利有影响该予以应分充利用

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16圈,固结排不水强度线甄件

、魏龙汝.

.

说土话压力的土水合,算相应墙的被前动土压力为P。。

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,魏汝龙

、.件

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结语

根黄弊港据一期程工翻车房机区围堰石笼面护

,风过境台翻时车机房区 W一W型4约 06 m,

3

‘

段围已堰成

坡面安,放石护面约笼3847,

Om

面顶石笼台风袭

击的设计与施工实践证明该护结面构作 为堤坝时临浪防措施是既经济又施工方 的便时临护方防案,。

护面尚未放安; W W~,段围堰还未建,设。

由

以后经 现勘场查石笼护面基 完本好只是由于顶面于该案方系利用石块装后集的整体重量抵来御波浪

尚未安放护堤顶面波受浪打击坍塌造成石笼部顶,的用作笼子材料的耐久性定决其使 寿用命 建故议,

落塌;翻机房车区围堰建成又经历多次后浪风打

,石笼面护方案经济的使用期限 一为般2~ 5年

击。基本上完无好损,

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