考虑土拱效应刚性挡墙土压力研究

基于库仑土压力理论,假定刚性挡墙后主应力拱迹线为抛物线,推导了主、被侧土压力系数和水平微分单元间摩擦系数的理论公式,得到改进的主、被动土压力计算公式。研究表明：考虑土拱效应计算结果与模型试验结果吻合比较好。主动极限状态下,土体内摩擦角越小,墙土接触面上外摩擦角越大,土拱效应越明显,主动土压力合力作用点越上移;被动极限状态下,土体内摩擦角和墙土接触面上外摩擦角越大,土拱效应越明显,被动土压力合力点越往下移。     

砂土地层中考虑基坑施工效应的柔性挡墙主动土压力研究

以基坑施工过程中柔性挡墙墙后主动土压力为研究对象,假定柔性围护结构最大变形位于开挖面处,墙后滑面为通过墙趾的平面,推导出考虑基坑开挖及支护的墙后滑面倾角一般表达式。采用水平层析法,研究墙体内凸型变形时的主动土压力分布、主动土压力合力及其作用点。研究表明,理论结果与实测结果规律一致,大小相近;随着基坑开挖深度的增加,滑面倾角减小,基坑开挖对周边环境的影响范围增大,土压力合力增大,对合力作用点位置的影响较小;当基坑开挖深度减小时土体内摩擦角和墙土间摩擦角增大时主动土压力非线性分布更加明显,主动土压力合力减小,合力作用点距墙趾的距离增大。     

平移模式下刚性挡土墙三维被动滑裂面的确定与土压力计算方法研究

挡土墙后三维被动滑裂面的空间形态难以确定。基于数值模拟,取墙-土接触面摩擦角比值δ/?=0(δ为墙-土接触面摩擦角,?为土体内摩擦角),采用薄板光顺样条函数搜索出不同土体内摩擦角下挡土墙端部三维滑裂面,类比地基承载力破坏对不同土体内摩擦角下挡土墙端部三维滑裂面进行函数方程的拟合,拟合效果较好,并归纳总结挡土墙端部三维滑裂面方程。在刚性挡土墙平移模式、墙背直立、填土水平且为无黏性土、δ/?=0等条件下,基于挡土墙端部三维滑裂面方程,求出三维滑裂面的体积。通过力学分析推导了一种三维被动土压力计算方法,并对该方法进行了验证分析。分析结果表明:相较于Soubra被动土压力系数,计算方法得出的三维土压力系数更加接近数值模拟被动土压力系数。三维计算被动土压力系数和朗肯被动土压力系数在挡土墙长深比小于4的时候有明显的差异。随着挡土墙的长深比的增大和土体内摩擦角的减小,三维计算被动土压力系数趋向朗肯被动土压力系数,三维计算被动土压力合力作用点的位置趋向朗肯被动土压力合力作用点位置。     

曲线滑裂面下有限宽度填土主动土压力计算

开展了刚性挡墙平动变位模式情况下墙后有限宽度土体破坏试验。试验结果表明,在墙后填土宽度较小情况下,土体破坏面为通过墙踵及某一固定点的曲面,由此基于变分极限平衡法,导得滑裂面曲线的具体方程式为对数螺旋曲线。在此基础上,结合薄层单元法,得到了墙后有限宽度土体的主动土压力合力及土压力强度的分布。与室内观测结果及库仑土压力值的对比表明,该方法相比经典土压力方法更接近于实测值。分析了不同填土宽高比n下的主动土压力分布规律,结果表明,主动土压力随n增加而逐渐增加,但n达到0.55时趋于稳定,因此,该值可作为墙后土体有限宽度的界限值。     

基于曲线滑裂面的挡墙主动土压力分析

土体滑裂面形状对挡土墙主动土压力有重要影响。以无黏性填土挡墙为研究对象,假设在考虑土拱效应时,极限状态下墙后土体的滑裂面为曲线,基于水平微分单元法推导出平动模式下挡土墙主动土压力的分布。首先将计算与模型试验结果及已有理论研究成果进行对比分析,验证了方法的可靠性;其次,研究土体内摩擦角和墙-土摩擦角对主动土压力分布、合力大小和作用点高度的影响。结果表明:基于曲线滑裂面假设得到的滑动楔体范围略大于采用直线滑裂面的假设;对于不同高度的挡土墙,建议的计算结果与模型试验结果更为符合;对于不同的土体内摩擦角和墙-土摩擦角,土压力的分布形式和合力作用点与Paik解较为接近,但合力略大于Paik解。     

条形荷载下挡土墙主动土压力计算

考虑条形荷载对滑裂面倾角的影响,改进了库仑土压力理论的极限平衡方法,对条形荷载下的主动土压力进行研究,得到了条形荷载全部作用于土楔体上和被滑裂面截断两种情况下的土压力理论公式。当荷载为0时,该公式可退化到库仑理论。分析表明,在条形荷载被滑裂面截断时,主动滑裂面的倾角不仅与土体内摩擦角、墙土摩擦角、地面倾角等因素有关,而且还与条形荷载的大小和荷载离开墙背的距离有关,土压力系数K随荷载离墙顶水平距离的增大而减小,随荷载的增大而增大。     

基于土拱效应原理求解挡土墙被动土压力

对平移模式下的刚性挡土墙和滑裂面间的楔形土体处于被动极限平衡状态的应力进行分析,考虑墙面和滑裂面之间土体水平力平衡,运用土拱效应原理推导出被动土压力系数和滑裂面水平倾角。并根据水平单元土体的静力平衡条件建立平衡方程,提出被动土压力分布、土压力合力及其作用位置的公式。将公式计算结果与试验结果以及库仑、朗肯理论所得结果进行比较,结果表明,与试验结果接近,验证了所得计算方法的合理性。     

考虑土拱效应的刚性挡墙主动土压力分析

以墙后填土为无黏性土的刚性挡土墙为研究对象,考虑墙后土体的土拱效应,修改了Shubhra Geol 抛物线形土拱表达式,推导了对应不同内摩擦角和墙-土摩擦角的挡土墙平动模式下的主动土压力系数。基于水平微分单元法,得到考虑土拱效应的主动土压力分布、合力大小和合力作用点高度的理论表达式,并与现有经典理论解及前人理论研究成果和模型试验数据进行对比分析,结果表明,主动土压力与墙-土接触面摩擦角、土体内摩擦角、土体重度和挡墙高度相关,土压力分布为非线性,与其他结果比较吻合,从而验证了该研究成果的正确性。     

绕墙脚转动的挡土墙主动土压力分布研究

对挡土墙背离填土绕墙脚转动时墙后滑裂土体的应力状态进行了详细分析,建立了墙后滑裂体水平土层墙面反力、滑裂面反力、土层间剪力和土层竖向土压力强度之间的关系式。为了考虑挡土墙绕墙脚转动时墙脚局部土体并未达到极限状态,对墙面摩擦角、滑裂面土体的内摩擦角予以折减。在水平土层单元法的基础上,考虑水平土层间剪力作用、每一土层的墙面摩擦角和滑裂面水平倾角等的变化,建立了土层竖向土压力强度的逐层渐近的计算方法,并给出了挡土墙主动土压力强度、土压力合力及其作用位置的计算公式。经比较表明：挡土墙主动土压力分布曲线与试验结果基本一致,计算得的主动土压力系数与试验结果很接近,比库仑解大;计算得出的滑裂面为一曲面,其顶部开裂宽度比库仑滑裂面小,与工程实际相符。     

滑裂面形状对挡土墙主动土压力的影响

滑裂面的准确选取对挡土墙稳定性分析有重要影响。基于塑性极限分析理论,分别推导了直线和对数螺旋线滑移模式下挡土墙主动土压力的计算公式,通过算例对比分析研究了平面滑裂面和对数螺旋滑裂面主动土压力的特点。研究结果表明:直线滑裂面为对数螺旋滑裂面的一种特例,随着滑裂面曲率增大,主动土压力合力作用点逐渐上移,主动土压力合力略有增加,但对墙趾的弯矩显著增加,不利于挡土墙稳定性;挡土墙各参数对直线滑裂面主动土压力合力作用点有不同影响,随着填土内摩擦角、挡墙倾角、填土倾角的增大而上移,随着墙土间摩擦角、黏聚力与容重挡土墙高度的乘积之比的增大而下移,合力作用点位置大致在0.2~0.4倍墙高处,说明主动土压力的非线性分布。研究结果对准确选取滑裂面形状计算挡土墙主动土压力有实际工程应用价值。      

相邻基坑土条土压力计算方法探讨

基坑工程实践中,经常遇到相邻基坑土条土压力如何计算的问题,现行基坑规范尚没有计算方法。通过理论探索和工程实践,对前、后期的基坑支护型式进行了归类和组合,提出了相临基坑宽度的确定原则;提出了建立在库仑土压力理论基础之上的简化计算方法--叠加法,推导并给出了非黏性土和黏性土在不同坡率和地面分布有荷载条件下主动土压力系数和土压力的计算公式,并提出了临界宽度的概念和土条土压力折减系数的计算公式。利用所提出的叠加法、临界宽度的概念和土条土压力折减系数的计算公式,可以简捷地计算不同土层、不同坡率和地面荷载条件下的土条土压力合力及土压力强度。工程实践表明,该方法概念清晰、理论依据充分、计算公式简便,以此设计的基坑支护结构安全合理,可供类似基坑支护工程设计参考。     

A theory of loosening earth pressure above a shallow tunnel in unsaturated ground

A theory is proposed to evaluate the loosening earth pressure (vertical earth pressure after excavation) acting on a shallow tunnel in unsaturated ground with an arbitrary groundwater level. The theory is developed based on the limit equilibrium theory, combining soil–water characteristic curves, Mohr–Coulomb failure criteria, and effective stress for unsaturated soils. The proposed theory is applied to predict the vertical distribution of loosening earth pressure in unsaturated ground, which shows a significant difference from that in saturated ground. In unsaturated ground, suction contributes to the increase in effective loosening earth pressure and shear resistance. The remarkable effects of groundwater depth, soil type, and scale of overburden height and trapdoor width on loosening earth pressure are also revealed. Based on the soil–water characteristic curve, the degree of saturation decreases, which causes wet density to decrease and the total and effective loosening earth pressures to have contrary tendencies. Moreover, effective loosening earth pressures vary with soil type as the degree of saturation varies. The total loosening earth pressures are, however, very similar regardless of soil type, because wet density and shear resistance have similar tendencies. The proposed theory provides a valid model for loosening earth pressure in unsaturated ground that will be useful for shallow tunnel excavations.     

Kinematical analysis of 3D passive earth pressure with nonlinear yield criterion

Conventional methods for calculation of passive earth pressure were mainly based on the assumptions of the linear Mohr‐Coulomb yield condition and plane strain failure mechanism. However, both theoretical and experimental studies have shown that such assumptions are not satisfied in some geotechnical projects. Herein, a novel method incorporating a kinematically admissible 3‐dimensional (3D) rotational failure mechanism and the nonlinear power‐law yield criterion is proposed to compute the passive earth pressure acting on the inclined retaining walls. Instead of using the nonlinear yield criterion directly, a straight line tangential to the nonlinear yield curve is employed to represent the strength of soils, and therefore, the nonlinear problem is transformed into the traditional linear problem. The 3D failure mechanism is generated through rotating a circle defined by 2 log‐spirals, and a plane strain block is inserted into the mechanism to consider the retaining walls with different widths. Earthquake effects are taken into account by using quasi‐static representation, and the horizontal seismic coefficient concept is adopted for the estimation of passive earth pressure under seismic conditions. An analytical expression about the 3D passive earth pressure is educed by means of the upper bound theorem of limit analysis. Numerical results for different practical parameters are obtained from an optimization scheme where the minimum of passive earth pressure is sought. Compared with available 2‐dimensional and 3D solutions, the proposed method is validated. A parametric study is conducted to investigate the effects of different parameters on the 3D static and seismic passive earth pressure.     

Coulomb土压力理论的两种解法

采用极限平衡变分法和Culmann分析方法,对土压力问题进行了研究。在极限平衡变分法中,以滑动体静力平衡的2个力的平衡方程为基础,引入Lagrange乘子,将以变分学观点来描述的主动土压力和被动土压力问题,转化为确定含有2个函数自变量的泛函极值问题。依据泛函取极值时,必须满足Euler方程,得出了主动土压力和被动土压力取极值时墙后土体沿平面滑动破坏的结论。在Culmann分析方法中,沿用了Coulomb土压力理论关于平面滑动破坏的假定,而在推导土压力计算公式的过程中,仅利用了滑动体沿某一特定方向的一个力的平衡方程。与目前通行的Coulomb土压力公式的证明过程相比,Culmann分析方法更为简洁。     

放坡状态有限土体刚性挡土墙主动土压力研究

针对现有有限土体刚性挡土墙主动土压力研究大都集中于临近建筑物墙体或地下室外墙的狭窄土体,相邻基坑、路堤与切坡挡土墙形成放坡状态有限土体研究甚少,本文考虑填土黏聚力及墙土间黏结力、墙土间摩擦作用、墙背倾角及填土顶面竖向荷载等的影响,利用刚体极限平衡理论进行研究。根据相邻基坑与边坡挡土墙放坡状有限土体的工程特性,分析挡土墙平动位移模式下平面滑动破裂面的形成特征,建立放坡状态有限土体主动土压力计算模型,并利用数值计算方法可以求解。通过对放坡状有限土体主动土压力进行算例分析与参数分析,表明极限破裂角与宽高比、黏聚力、墙背倾角及墙土间外摩擦角为负相关,不同黏聚力下随着宽高比增大,极限破裂角趋近于考虑黏聚力作用库伦方法得到的极限破裂角值,不同黏聚力下有限土体宽度临界值亦是变化的;主动土压力随黏聚力、墙背倾角及墙土外摩擦角增大而减小,随着宽高比增大而增大并逐步趋近于库伦方法计算的土压力值。最后,通过模型试验验证表明按本文方法计算的极限破裂角与实测破裂角吻合,PIV系统测试得到的临界宽高比与库伦方法的结果一致。     

Reliability of passive earth pressure

Passive earth pressure calculations in geotechnical analysis are usually performed with the aid of the Rankine or Coulomb theories of earth pressure based on uniform soil properties. These traditional earth pressure theories assume that the soil is uniform. The fact that soils are spatially variable leads to two potential problems in design: do sampled soil properties adequately reflect the effective properties of the entire soil mass and does spatial variability in soil properties lead to passive earth pressures that are significantly different from those predicted using traditional theories? This paper combines non-linear finite element analysis with random field simulation to investigate these two questions. The specific case investigated is a two-dimensional frictionless passive wall with a cohesionless drained soil mass. The wall is designed against sliding using Rankine's earth pressure theory. The unit weight is assumed to be constant throughout the soil mass and the design friction angle is obtained by sampling the simulated random soil field. For a single sample, the friction angle is used as an effective soil property in the Rankine model. For two samples, an average of the sampled friction angles is used. Failure is defined as occurring when the Rankine predicted passive resistance acting on the wall, modified by a factor of safety, is greater than that computed by the random finite element method. Using Monte Carlo simulation, the probability of failure of the traditional design approach is assessed as a function of the factor of safety using and the spatial variability of the soil.     

山区挡土墙土压力的现场试验研究

结合某山区高速公路多个挡土墙墙背水平土压力的监测数据,对挡土墙墙背的水平土压力时空分布规律进行了详细地研究。研究结果表明：施工期间,不同深度的土压力随着上部填土高度增加而增长的速度不同,愈是接近墙顶,其增加越快;施工期间实测水平土压力介于静止土压力和被动土压力之间,在墙身的3/4以下与静止土压力接近,在墙身的1/2以上与垂直土压力接近。刚施工完的挡土墙土压力为非线性分布,近似成双直线,实际土压力合力介于静止土压合力和垂直土压合力之间,更接近静止土压合力,其大小约为库伦主动土压力的2.5倍,为库伦被动土压力的0.3倍。土压力合力作用点在0.38倍墙高处。土压力随着时间而变化,在测量期间土压力变化规律为先减少后增加,总的趋势是不断增加,且随时间的变化量较大。     

考虑挡墙位移效应的被动侧土压力计算方法

挡土结构上土压力的计算是土力学和岩土工程领域的基本研究课题之一。实际工程中的土压力通常是介于主动土压力和被动土压力之间的某一值,墙后填土由于碾压具有较高的密实度。经典的朗肯和库仑土压力理论只能计算极限状态下的土压力,没有考虑挡墙的位移以及剪切过程中密砂的强度从峰值强度降低到残余强度这一强度变化特性对于土压力的影响。给出了考虑挡墙位移效应的被动侧土压力计算方法,该方法能够同时考虑剪切过程中密砂的强度从峰值强度降低为残余强度这一强度变化特性对被动土压力的影响。通过土压力模型试验结果对计算方法进行了初步验证,计算结果和试验结果吻合较好,表明了该方法的有效性。     

库仑土压力的变分法研究

以滑动体静力平衡的两个力平衡方程为基础,引入拉氏乘子,将土压力问题以变分学观点来描述,转化为确定含有两个函数自变量的泛函极值问题。依据泛函取极值时必须满足的欧拉方程,得出了主动土压力和被动土压力在取极值时,墙后土体的破坏是沿平面滑动。然后,将土压力的泛函极值问题进一步转化为带有约束的函数极值问题。这种函数极值可利用M atlab6.1优化工具箱提供的fm incon函数进行求解。当土体的粘聚力等于0时,土压力计算结果与库仑土压力理论解完全一致;而当土体的粘聚力不等于0时,归纳给出了相应的土压力计算公式。     

各向异性砂土主动侧土压力计算方法

土压力是土力学和岩土工程领域的基本研究课题之一。由于碾压作用墙后填土具有不同程度的各向异性,并且通常处于主动与被动状态之间的非极限状态。经典的朗肯和库仑土压力理论没有考虑填土各向异性的力学性质及挡墙位移效应对于土压力的影响。基于各向异性砂土的等应变增量比系列试验结果建立了土压力系数与与用应变增量比表述的应变约束条件之间所具有的惟一性关系,在此基础上给出了平动位移模式下各向异性砂土的主动土压力计算方法,并通过土压力离心模型试验结果对其计算方法进行了验证,初步表明了其有效性和合理性。