临近边坡的条形基础地基极限承载力数值分析

建筑物或构筑物基础临近边坡置放的情况在实际工程中十分普遍,但目前对于临近边坡基础的地基承载力及破坏模式尚缺乏深入研究。采用不连续布局优化（DLO）极限分析法建立数值模型,分析边坡几何尺寸、土体参数和基础位置对临坡条形基础的极限承载力和边坡破坏模式的影响,并对国内外现行规范推荐的计算方法进行评价。结果表明：极限承载力随边坡高度和边坡倾斜角的增大而减小,当坡高超过临界高度后,极限承载力将不受其影响;极限承载力随土体黏聚力和内摩擦角的增大而提高,滑动面随黏聚力的增大而变浅,随内摩擦角的增大而变深;极限承载力随基础与坡肩相对距离的增大而提高,当基础置放位置超过某临界距离后极限承载力不受边坡影响。在土体强度高、坡角较大时,《建筑地基基础设计规范》规定的临坡基础最小置放距离偏于危险,设计时仍需考虑边坡对承载力的减损作用;在土体强度较低、坡角较小时,规范规定值偏于保守。美国AASHTO规范对边坡地基极限承载力的取值在砂土边坡时较为可靠,但其仅适用于坡面破坏模式的情况;饱和黏土边坡的承载力曲线有悖于理论解,对临界距离的规定同样存在低估。     

基于非对称双侧破坏模式的临坡地基承载力上限分析

临坡地基已成为一种广泛的地基形式。针对临坡条形基础地基破坏模式的非对称性特点,首先引进双侧破坏模式的研究思路,重点考虑临坡地基基础两侧滑块大小和同一滑块几何形状的双重非对称性特征,构建了临坡条形基础地基非对称双侧破坏模式,为临坡地基承载力分析奠定了坚实基础;然后在此基础上,引进极限上限分析和优化理论,建立了临坡条形基础地基承载力分析的模型与方法,该方法不仅可考虑地基破坏模式,还可考虑基础与坡顶距离对临坡地基承载力的影响,而且还可较好地蜕化为平地地基承载力的分析;最后通过工程实例计算,并与现有相关分析方法进行对比分析,表明该方法的可行性与合理性以及普遍适用性。     

基于非线性破坏准则的临坡地基承载力上限分析

临坡地基承载能力的确定分析已成为地基设计理论中一个重要研究课题。针对现有地基承载力分析方法大多基于线性Mohr-Coulomb破坏准则。考虑岩土材料破坏的非线性特性,采用非线性破坏准则和多切线法,引入极限分析上限理论,根据临坡条形基础地基破坏模式的非对称性特点,构建出临坡条形基础地基单侧刚性多滑块破坏模型及相应运动允许速度场。在此基础上,利用序列二次规划非线性优化算法,建立临坡条形基础地基极限承载力的确定方法。最后,通过工程实例计算,并与已有研究方法计算结果进行对比分析。结果表明,非线性参数对临坡地基承载力有着重要影响,采用多切线法处理非线性材料强度准则问题理论上更严密,上限解更优,验证了该方法的可行性与合理性。     

条形基础极限承载力数值分析

根据塑性力学滑移线理论,推导了条形地基在极限平衡状态下的平衡微分方程,然后利用有限差分法推出地基土在极限状态时的有限差分公式,结合边界条件编制出地基承载力计算程序,该程序求解条形地基极限状态下的滑移线区域及相应的地基极限承载力值时可以考虑基础埋深、地基土重度、土的内摩擦角、基础与地基摩擦等参数。利用程序,得到了土的内摩擦角与地基承载力系数N? 的对应表,并全面讨论了基础埋深、地基土重度、内摩擦角及基础与地基摩擦角等参数对地基承载力和滑移线形状的影响,得到了一些有意义的结论。     

水平加筋地基极限承载力的极限上限分析法

水平加筋是广泛应用的软土地基处理方法之一,而水平加筋地基极限承载力的确定是其地基处理设计的重要依据。因此,首先结合条形基础下水平加筋地基的工程特点,在探讨其承载机制和破坏特点的基础上,考虑破坏间断面上筋材与地基土体的变形协调,构建出反映加筋参数变化影响的可变破坏模式及机动允许速度场;然后,在此基础上,通过重点研究筋材的能量耗散分析方法,并引入上限极限分析理论,建立出条形基础下水平加筋地基极限承载力分析模型,再引入序列二次规划优化分析理论,建立出条形基础下水平加筋地基极限承载力确定方法,它能充分反映加筋设计参数对地基破坏模式及承载力的影响;最后,通过试验结果与该方法及现有同类分析模型结果的比较分析,表明了该模型与方法的合理性与可行性。     

黏性土地基中竖向圆孔的极限稳定深度研究

工程中经常遇到打设竖向圆孔的问题,在黏性土地基中打设竖向圆孔,需要知道无护壁措施条件下竖向圆孔的极限稳定深度。首先进行坡面竖直边坡的极限平衡分析,假设破坏面为过坡趾的平面滑动面,建立滑动体极限平衡方程,得出边坡的极限稳定高度,结果与Taylor圆弧滑动面分析方法的结果比较吻合;然后将平面滑动面扩展到轴对称的含圆柱体竖向孔地基极限平衡分析,假定破坏面为通过圆柱体竖向孔底边缘的倒圆台侧表面,建立滑动体的极限平衡状态方程,得到和土坡极限平衡解答统一的cu /?h（cu为土体不排水抗剪强度,γ为重度,h为竖向孔深度）和h/r（r为竖向孔半径）关系,利用该关系可以分析地基中竖向圆孔的稳定,为地基中竖向孔的设计提供依据;通过数值方法建立竖向孔不同几何参数的数值模型,计算含竖向孔地基能够维持稳定的cu /?h下限值,和倒圆台滑动体极限平衡解答符合较好,进一步验证了所提极限平衡分析方法的合理性。     

公路路基地基承载力的离心模型试验与分析

公路路基由于基底的柔性和荷载分布为梯形,路基地基的破坏模式和确定方法与刚性基础地基有所差异,对公路路基地基承载力的研究具有重要的理论意义和实用价值。通过柔性条形基础、梯形路基以及模拟沟谷地形的柔性条形基础等3组离心模型试验,对公路路基地基的破坏机制和极限承载力进行了研究,并采用关联流动的Mohr-Coulomb内切圆屈服准则对试验结果进行了数值模拟和对比分析,研究结果表明,公路路基地基由于基底的柔性和较高的离心加速度,很难产生理想的整体剪切破坏形式;与刚柔性条形基础相比,梯形路基作用下的基底中心点沉降更大;沟谷地形对柔性条形基础基底中心点的沉降有一定的影响,但并不明显影响地基极限承载力。     

非饱和土条形地基太沙基极限承载力三剪统一解

基于三剪统一强度准则和非饱和土双应力状态变量抗剪强度,考虑中间主应力效应、材料拉压不等特性和强度准则差异的影响,建立了非饱和土抗剪强度三剪统一解,并在此基础上推导了非饱和土条形地基太沙基极限承载力的计算公式。通过可行性分析及算例论证,验证了所推公式的正确性,探讨了中间主应力效应、强度准则、基质吸力、有效内摩擦角和有效黏聚力等参数对非饱和土条形地基极限承载力的影响规律。研究结果表明:中间主应力效应和强度准则对非饱和土条形地基太沙基极限承载力具有显著影响,中间主应力效应越显著,极限承载力越高,说明考虑中间主应力效应可以更加充分发挥材料的强度潜能,也说明强度准则差异对地基极限承载力的预测具有重要作用。基质吸力对非饱和土条形地基太沙基极限承载力具有双重影响:在低基质吸力范围内,极限承载力随基质吸力的增大线性提高;当基质吸力增大到进气值时,极限承载力达到峰值;在高基质吸力范围内,极限承载力随基质吸力的增大逐渐降低,最终趋于稳定。非饱和土条形地基太沙基极限承载力随有效内摩擦角和有效黏聚力的增大显著提高。非饱和土太沙基极限承载力三剪统一解包含了多种屈服准则下地基承载力的计算公式,具有较广泛的适用性,可为实际工程应用提供参考。     

空洞上方浅基础地基破坏模式与极限承载力分析

利用极限分析上限法求解地基极限承载力问题的关键在于构造合适的破坏模式。当地基下方存在空洞时,地基的破坏模式变得相当复杂。通过分析空洞存在时地基的受力特点及破坏形态,将地基破坏范围划分成为不同的刚性区和过渡区,构造了空洞上方条形基础地基的破坏模式。利用上限法,建立与破坏模式对应的速度场,推导了破坏模式不同区域内的耗散功率和外力功率,得到地基极限承载力的目标函数,并采用数学优化方法进行求解,获得了极限承载力的上限解。通过算例分析,讨论了空洞顶板厚度、空洞大小与地基极限承载力的关系,并与无空洞条件下地基极限承载力进行对比分析。结果表明,随着空洞顶板厚度增加,地基极限承载力增加,破坏模式也由地基与空洞之间扩散到地基两侧;空洞顶板厚度存在临界值,当超过此临界值时,空洞对地基极限承载力的影响可忽略。     

关于偏心荷载下地基承载力的验算方法

针对偏心荷载作用下的地基承载力验算,以条形基础为例,介绍了Meyerhof提出的考虑荷载偏心的地基承载力计算方法,并通过与有限元上下限极限分析这一极限荷载精细数值计算方法的比较验证了其正确性和准确性。所考虑的地基既包括排水条件下的一般地基,也包括不排水强度随深度近似线性增大的饱和黏性土地基。依据有关机理深入分析了基础埋深对偏心荷载下地基承载力计算精度的影响,明确了可以考虑基础埋深有利作用的偏心距上限。进而采用本课题组所提出计算地基承载力的改进公式,通过计算并结合理论分析比较了国内规范验算方法与按Meyerhof方法的验算,表明采用后一方法更为合理。     

非均质地基承载力及破坏模式的FLAC数值分析

利用基于Lagrangian显式差分的FLAC算法，通过数值计算，对黏结力随深度线性增长的非均质地基上条形基础和圆形基础的极限承载力及地基破坏模式进行了对比计算与系统分析。研究表明：（1）随着地基黏结力沿深度非均匀变化系数的增大，地基的破坏范围逐渐集中在地基表层和基础两侧：（2）即使地基的非均质程度较小，当将非均质地基近似地按均质地基考虑时，由此所估算的承载力可能过于保守；（3）地基承载力系数随黏结力沿深度非均匀变化系数的增大而非线性地增大。与数值解相比，skempton与Peck等近似公式均可能高估了非均质地基承载力。     

Bearing Capacity Factors of Ring Footings by Using the Method of Characteristics

Ring footings can be more effective and economical than circular footings. In spite of similarities between circular and ring footings, their behaviors are different in some respects such as bearing pressure distribution under the footing and settlement. But no exclusive theoretical prediction of ultimate bearing capacity has been reported for ring footings. In the present study, stress characteristics method is employed for coding the bearing capacity of ring footing with horizontal ground surface. In the calculations, friction at the contact between the soil and foundation is considered. In this research, the soil obeys the Mohr–Coulomb yield criterion and that is cohesive–frictional-weighted with applied surcharge pressure. The bearing capacity factors Nγ, Nq and Nc for ring footings were calculated by a written code based on the method of characteristics. Bearing capacity was determined for different conditions of soil and different ratio of radii in comparison with the principle of superposition results. The findings show that the principle of superposition is effective for determining the bearing capacity of a ring footing.     

不排水双层粘性土地基极限承载力的数值分析

采用弹塑性有限元分析了条形基础作用下不排水条件的双层粘性土地基极限承载力性状。采用修正的地基承载力系数表征,并将不同的几何与土层参数条件下的数值解与上下限解和经典的经验解进行比较。表明弹塑性位移有限元法可以很好地求解地基的极限承载力问题,其求解得到的修正地基承载力系数与基于下限原理的有限元解很接近,而上限解高估了地基的极限荷载值,传统的经验解在某些条件下却偏小。     

Seismic Bearing Capacity of Strip Footings Located Close to the Crest of Geosynthetic Reinforced Soil Structures

This paper investigates the performance of geo-reinforced soil structures subjected to loading applied to strip footings positioned close to a slope crest. The kinematic theorem of limit analysis, which is based on the upper bound theory of plasticity, is applied for evaluating the ultimate bearing capacity within the framework of pseudo-static approach to account for earthquake effects. The mechanism considered in this analysis is a logarithmic spiral failure surface, which is assumed to start at the edge of the loaded area far from the slope, consistent with the observed failure mechanisms shown in the experimental tests reported in the literature. A parametric study is then carried out to investigate the influence of various parameters including the geosynthetic configuration, backfill soil friction angle, footing distances from the crest of the slope, slope angles and horizontal seismic coefficients. Attention is paid to the failure mechanism because its maximum depth is the depth at least to which the reinforcements must be placed. Results of the analyses are presented in the form of non-dimensional design charts for practical use. Finally, a simple procedure based on the assessment of earthquake-induced permanent displacements is shown for the design of footing resting on reinforced slopes subjected to earthquake.     

复合加载情况下非均质地基上条形基础的极限承载力研究

复合加载情况下精确求解非均质地基上条形基础的极限承载力以及评价影响极限承载力的相关因素,具有很强的工程实用与理论参考价值。基于极限平衡原理,在Mohr-Coulomb破坏准则的基础上,将非均质地基上条形基础极限承载力问题等价为一个边界待定的泛函极值问题。利用变分原理得到与平衡方程相等价的积分约束条件以及相应的欧拉方程与横截条件。引入问题边界条件,利用VC++6.0编制了数值计算程序,求得了复合加载情况下非均质地基破坏时的滑裂面函数与破坏包络曲线。从理论上研究了土体内摩擦角、土体黏聚力、土层强度比与地下水位变化等因素对地基破坏包络曲线的影响。研究结果表明,其解答是地基极限承载力真实解的某一最小上限。     

吸力式沉箱基础极限拉拔承载力的数值分析

作为新型的深水海洋基础型式,吸力式沉箱基础被广泛地用于系泊深水海洋设施中,从而承受巨大的倾斜上拔荷载。在上拔荷载水平分量与竖向分量的共同作用下,吸力式沉箱的承载特性及其工作性能评价是海洋工程设计与建设中的关键技术问题之一。然而现有的理论分析与试验研究并不能满足工程实践的需要,因此,对吸力式沉箱基础的极限承载力分析建立了有限元数值计算方法。当沉箱基础在快速拔出过程中,正常固结黏土处于完全不排水状态,沉箱基础发生整体破坏时表现出反向地基承载力失稳模式,此时沉箱基础所发挥的极限承载能力往往最大。为此,在数值计算中直接假定沉箱基础及其周围土体处于完全不排水状态,针对不同的沉箱长径比,分别确定了在竖向上拔荷载和水平拉拔的单独作用下沉箱基础极限承载力。对比发现：竖向上拔极限承载力有限元解能够较好地与理论计算结果相符合,而水平极限承载力解与理论计算结果存在一定的差异。     

Stability of eccentrically loaded footings on slopes

The stability of eccentrically loaded strip footings on slopes was investigated using the method of finite element analysis based on the theory of elasto-plasticity. The analysis was done for two different soils involving three levels of slope angle, six footing locations, and two levels of load eccentricity plus central vertical loading. The strip footing analysed was a 3-ft (0.9 m) wide reinforced concrete footing embedded to a depth of 3 ft (0.9 m). The analysis focused on footing settlement, plastic yielding of soil, and ultimate bearing capacity. The results of analysis show that the influence of load eccentricity on footing pressure vs. footing centre settlement is negligibly small. However, the progressive soil yielding and ultimate bearing capacity are greatly affected by load eccentricity. Furthermore, the effect of load eccentricity differs considerably with the load location relative to the footing centre and slope crest. The ultimate bearing capacity for the eccentric load located on the slope side is significantly greater than that for the load located on the other side of the footing centre. For a 2(H): 1(V) slope in silty clay, the effect of slope on footing stability decreases with increasing footing location from slope crest as would be expected, and diminishes when the footing is located from the crest at about 5-times the footing width.     

复合加载情况下双层地基极限承载力研究

在复合加载情况下精确求解层状非均质地基的极限承载力,具有很强的工程实用与理论参考价值。基于土体极限平衡理论与通用有限元软件ABAQUS,针对复合加载情况下上硬下软的双层不排水饱和软黏土地基的极限承载力,进行了大量的数值计算,得出了上层土临界深度Hcr的计算公式、竖向极限承载力Pv的计算公式以及复合加载情况下地基破坏时的破坏包络面方程。研究结果表明：上层土临界深度Hcr取决于土层间强度比Su1/Su2;竖向极限承载力Pv与破坏包络面取决于土层间强度比Su1/Su2、上层土深度H1与基础型式。     

The influence of load inclination on the undrained bearing capacity of strip footings on slopes

The effect of inclined loading on the bearing capacity of foundations on horizontal ground surface is well established and both the exact solution and simpler empirical equations are available for the calculation of the failure loads. However, for footings on or near slopes complete solutions are available only for vertical loading. This paper investigates the influence of inclined loading on the horizontal and vertical failure loads. The finite element, upper bound plasticity and stress field methods are used to examine a wide range of geometries and soil properties. The methods are first validated against known solutions for two special cases and are subsequently employed to investigate the effect of the geometrical and material properties on the failure loads and the bearing capacity load interaction diagram. Based on this investigation an empirical equation is proposed for the load interaction diagram for undrained inclined loading of footings on or near slopes.