土与结构的共同作用
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土和结构组成的综合体系在外力作用下的反应。在计算地基土的强度和变形以及在设计结构物时,一般都将地基和结构物分为两个独立的体系,把它们之间界面上的相互作用当作是分别作用在结构物和地基上的、以一定规律分布的外荷载来考虑。例如,在计算地基沉降时,将建筑物通过基础传递到地基表面的应力取为均匀分布或梯形分布;又如在设计挡土墙时,将古典土压力理论得出的土压力当作以三角形或梯形分布的外荷载作用在墙上。实际上,土和结构在外力作用下的反应,不仅决定于各自的性状,还与它们之间界面上的变形协调以及相互传递的作用力和反作用力有关。因此,应将土与结构当作一个综合体系,考虑它们的共同作用。
为了便于研究土与结构的共同作用,首先必须对地基土、结构以及它们之间的界面性状进行简化,例如土性质的各种理想化。由于土的颗粒性、多相性和结构性,其应力应变性状呈现明显的非线性、非弹性、非均质性、各向异性和随时间的变异性。实用上,一般都根据具体情况在这些复杂性质中区分主、次而加以理想化。最常用的理想化模式有以下几种:文克勒(E.Winkler)弹簧模型,弹性连续介质模型,弹性双参数模型,弹塑性模型,黏弹性模型和黏塑性模型等。弹性双参数模型实质上是对不连续的文克勒模型的一种修正,或者在各个弹簧之间提供力学的相互作用以消除其不连续性,或者从弹性连续介质出发,引入约束或简化位移和应力分布的某些假设。此外,关于结构的性状(刚性、柔性或具有各种刚度)以及土与结构之间界面性状(光滑、粗糙或具有各种摩擦系数)的不同假设,也对共同作用有影响。
研究最早、最多的土与结构共同作用是弹性地基上的梁、板问题,其中包括无限长梁、有限长梁、圆形板和矩形板等。土与结构的共同作用还充分表现在板桩墙上的土压力分布,轴向荷载下桩向周围土中的应力传递和由此形成的承载能力,以及横向荷载下桩的挠曲和弯矩分布等,其中桩和土的相对刚度和相对位移均有十分显著的影响。
地震时,结构下地基的动力反应与没有结构的自由场中的不同。结构与场地土的相对刚度的不同可能使结构的振型、反应谱和抗震能力等不同,这都是土与结构的共同作用造成的。
因此,工程界正日益重视土与结构的共同作用,并通过各种途径,包括理论分析、数值计算、室内模型试验和现场观测等,加紧对此进行研究。特别是20世纪80年代土工离心模型试验技术的再度兴起,为揭示此复杂作用,开辟了新的途径。