基于MIDAS/Civil的土壓力實用計算方法
基于MIDAS/Civil的土壓力實用計算方法
邢文榜
【摘要】本文詳細介紹了用MIDAS/Civil中的流體壓力荷載的功能計算土壓力的方法，并給出了實例驗證。
【關鍵詞】土壓力 實用計算 MIDAS
1. 概述
MIDAS/Civil中的流體壓力荷載可以在板單元和實體單元的邊緣或表面上定義流體壓力荷載，流體壓力荷載將由程序自動轉換為節(jié)點荷載�？梢灾苯永昧黧w壓力荷載的功能定義靜止流體側壓力，側壓力的形狀可以是直線也可以是曲線。
我國現(xiàn)行的相關公路和鐵路橋梁規(guī)范都給出了基于庫倫土壓力理論的主動土壓力以及靜止土壓力計算公式，計算土壓力按規(guī)范給出的公式比較繁瑣，本文給出了在MIDAS/Civil中計算靜止土壓力和主動土壓力的方法。該方法可以較快速計算土壓力，并能較準確給出壓力的分布。
2. 流體壓力荷載功能
MIDAS/Civil中定義流體壓力荷載的對話框如圖1和圖2所示，在荷載類型中有線性荷載和曲線荷載兩個選擇。兩種荷載對應的流體壓力荷載計算公式在圖中已經(jīng)給定，填寫對應參數(shù)后，程序可以根據(jù)高度和流體容重信息自動計算不同位置的壓力荷載大小，并以壓力荷載的形式施加在相應單元上。這里主要用線性荷載類型。
對線性荷載類型，參考高度H的含義可以這樣理解：H=在荷載變化方向上的結構物底面到液體表面的距離+結構物底面處節(jié)點在荷載變化方向上的坐標。而h為計算點在荷載變化方向上的節(jié)點坐標，比如荷載的變化方向為Z向，則h為計算點的Z坐標。程序不允許H-h<0，即H-h<0的單元處不能施加流體壓力荷載。
圖1 線性流體壓力荷載定義 圖2 非線性性流體壓力荷載定義
3. 土壓力模擬
據(jù)擋土結構物的水平位移方向和大小，可將土壓力分為靜止土壓力、主動土壓力和被動土壓力。對剛性擋土結構物，作用在其上的土壓力都呈線性分布。利用流體壓力荷載功能可以模擬側向土壓力，但需根據(jù)土壓力的分布形狀、大小以及作用位置等確定各個參數(shù)。
靜止土壓力的分布如圖3所示，圖中H為擋土墻高度， 為土的容重，K0為靜止土壓力系數(shù)。如圖3a)所示，不考慮地下水時擋土墻底面的壓力為 ，在用流體壓力荷載模擬土靜止壓力時，“流體容重”應為 ，參考高度應該填寫為H+擋土墻底面豎向坐標值。如果擋土墻頂面以上還有土層（設高度為h0），則均布壓力荷載P0也應考慮靜止土壓力系數(shù)，其值為 。如圖3b)所示，考慮地下水時，擋土墻上受到的壓力可分為三部分考慮：一是水面以上的h1高的土壓力，作用范圍為地面到水面之間，單獨施加流體壓力在h1部分的擋土墻上；二是h2部分的土壓力，單獨施加在h2部分的擋土墻上，但需注意土的容重變化（應采用有效容重 ）、參考高度以及P0的取值；三是h2部分的水壓力施加在h2部分的擋土墻上，注意參考高度的取值。上述的第2和第3部分壓力也可以換算成一部分同時施加在h2部分的擋土墻上。因為參考高度與建模時的坐標有關，荷載施加后最好檢查一下?lián)跬翂Φ椎膲毫κ欠裾_。
圖3 靜止土壓力的分布
目前我國公路和鐵路相關橋涵規(guī)范中主動土壓力采用庫倫主動土壓力，其分布如圖4所示。用流體壓力荷載的功能施加主動土壓力時，其在水平方向和豎向的分力應分別施加。主動土壓力的理論計算公式如下：
4. 土壓力模擬實例
4.1 靜止土壓力模擬
擋土墻的形式和土壓力分布如圖3b)所示，圖中h1=2.0m，h2=6.0m，土層全部為中砂，容重 =18kN/m3，有效內(nèi)摩擦角 =30°，粘聚力土 。假設在填土面上還作用有q=20kPa的均布荷載。靜止土壓力系數(shù)按砂性土的經(jīng)驗公式取為 。建立如圖5左側圖所示的實體模型，擋土墻底的豎向坐標為1，作用在擋土墻上的靜止土壓力用流體壓力荷載模擬如下：
分三部分施加流體壓力荷載，注意水面以下部分的荷載是疊加的，如圖5右側圖所示。用流體壓力荷載模擬土壓力的好處是不需知道壓力荷載的具體大小，并能準確模擬擋土墻各
圖5 靜止土壓力計算示例（單位：kPa）
圖6 庫倫主動土壓力示例
施加荷載時為了調(diào)整壓力方向，可以將流體容重輸成負值，最后顯示的壓力也是負值是沒有關系的，只要荷載的箭頭方向正確就可以。最后施加的荷載如圖6b)和圖6c)所示，為了清晰，將水平土壓力和豎向土壓力分開顯示，實際施加時可以將兩個土壓力施加在一個面上。
5. 結論
⑴利用MIDAS/Civil中的流體壓力荷載功能可以準確模擬土壓力荷載；
⑵本文給出的計算土壓力的方法較手工計算更快捷，并能準確模擬土壓力荷載的分布。
參考文獻
[1] 邱順東. 橋梁工程軟件MIDAS Civil常見問題解答[M]. 北京：人民交通出版社，2009.
[2] 劉大鵬等. 土力學[M]. 北京：清華大學出版社，2005.
