柔性支护黏性土基坑非极限被动土压力研究

经典的Rankine和Coulomb土压力计算理论均建立在土体达到极限平衡状态的基础上,并不适用于位移需要严格控制的基坑工程。以柔性支护的黏性土基坑边坡为研究对象,考虑边坡土拱效应、非极限状态下柔性支护结构与土体间内摩擦角以及黏聚力发挥值、土体内摩擦角以及黏聚力发挥值的影响,从黏性土应力莫尔圆出发,采用微层分析法建立静力平衡,搜索边坡土体潜在滑动面,推导柔性支护黏性土基坑的非极限被动土压力计算式。通过实例计算对比分析了本文计算理论与经典Rankine计算理论,推导公式计算得到的被动土压力小于Rankine计算值19%,合力作用位置低于Rankine计算值,作用位置距桩底距离较Rankine计算值小1.5%,计算得到的潜在滑动面为一水平倾角随深度逐渐减小的曲面,潜在滑动面范围小于Rankine极限状态滑动面。     

黏性土填料下考虑土拱效应的非极限主动土压力计算方法

不论挡土墙填料采用砂性土,还是黏性土,其墙背主动土压力与墙体倾角和位移关系存在较大的联系,因而研究黏性土填料下的非极限主动土压力计算理论具有重要意义。通过应力状态分析给出了非极限状态下考虑土拱效应的侧向主动土压力系数,然后采用水平微分层析法给出了倾斜墙下非极限主动土压力解析解。通过与室内模拟试验及已有理论进行对比,验证了该方法的合理性。最后研究了相关参数包括位移比?,墙土摩擦角与内摩擦角之比? /?,墙体倾角?,黏聚力c等对主动土压力分布及其作用点高度的影响。结果表明：土体由静止状态向极限主动土压力状态发展时,土拱效应的影响会越来越大。随着? /?的不断增大,土压力分布曲线非线性强度会不断增强,土压力合力作用点高度呈上升趋势,并且? /?对土压力的影响会随着位移比? 的增大而增大。随着挡土墙墙背倾斜角度? 的不断增大,土拱效应对非极限主动土压力的影响减小。随着土体填料黏聚力的不断增大,上部张拉裂缝高度也会随之增加,且土压力合力作用点越低。给出的考虑土拱效应的非极限主动土压力计算方法对于丰富挡土墙土压力计算理论具有重要意义。     

关于“对‘黏性土的非极限主动土压力计算方法研究’的讨论”的答复

<正>土压力计算理论研究是土力学的经典课题之一。"黏性土的非极限主动土压力计算方法研究"[1](以下简称原文)基于黏性土的应力摩尔圆推导了非极限状态时黏性土的主动土压力计算公式,并通过已有的试验数据对比证明了公式的实用性。感谢赵琦等对作者稿件进行了细致地阅读和评述[2](以下简称讨论文),本文将对讨论文中提出的问题进行说明。(1)原文中有关张拉裂缝的讨论的确,对于黏性土而言,计算墙后的土压力是需要考虑张拉裂缝的影响的。从黏性土的朗肯主动     

非极限主动土压力计算方法初探

针对未达到极限位移的刚性挡土墙,提出了一种简单可行的主动土压力计算方法。根据反映墙后主动区土体应力-应变性状的卸荷应力路径试验确定的应力-应变关系,建立非极限状态摩擦角与墙体位移的关系。对于未达到极限位移的挡土墙,结合已取得的位移与摩擦角之间的关系,采用与滑裂面相平行的微条对墙后滑动楔体进行划分,对微条进行受力分析,建立平衡方程,推导了滑裂面的倾角,从而得到非极限主动土压力计算公式。随后与一例模型试验数据作了对比分析,计算值与实测值基本吻合,仅在墙下部1/3墙高范围内存在一定的差距。研究表明,所提出的计算方法能够用于计算处于非极限状态下挡土墙的土压力,具有一定的理论意义和工程参考价值。     

基于Mindlin解的土压力位移计算模型

以不同土压力状态与静止土压力状态时的压力差值计算分布力,基于Mindlin应变解建立了任意土压力变化下的土体侧向位移计算模型,计算得到土体达到主动极限状态下土体位移和达到被动极限状态下的土体位移。通过编制的程序研究了不同计算参数对土体达到主（被）动极限状态下土体位移的影响规律,包括土的内摩擦角、黏聚力、计算深度、计算宽度等,研究了土体主动极限位移和达到被动极限位移相关性规律。通过模型试验的实测资料验证了土压力位移计算模型的有效性和合理性。利用计算模型可以得到不同位移限值要求下的侧向土压力,从而为不同工程中土压力的合理取值提供了理论依据。     

基于主应力旋转的黏性填土挡墙土压力

填土水平墙背竖直光滑的挡墙,墙后土体处于以自重应力和水平应力为主应力的应力状态。实际工程中,挡墙背面与土体存在一定的摩擦及黏结力作用致使挡墙附近土体中的主应力发生偏转,此时,经典朗肯土压力理论不再适用。本文对挡墙附近土中的主应力状态进行旋转处理,通过分析墙后填土中应力状态摩尔圆,得到了考虑墙土摩擦和黏结力作用的黏性填土挡墙主被动土压力计算公式,分析了填土内摩擦角与墙土摩擦角对土压力的影响,使用算例将本文方法所得结果与现有黏性土土压力计算方法所得结果进行了对比分析。结果表明,朗肯土压力公式是本文所得计算公式的特例;随着墙土摩擦角和内摩擦角的增加,被动土压力逐渐加快增大;主动土压力随着内摩擦角的增加而减小;当内摩擦角较小时,主动土压力随着墙土摩擦角的增大不断减小,当内摩擦角较大时,主动土压力随着墙土摩擦角的增大先减小后增大;土内摩擦角的影响大于墙土摩擦的影响;相对于现有方法计算结果,本文方法所得主动土压力较大,被动土压力较小,墙土摩擦越大,2种方法所得结果的差值越大,土黏聚力还会加大这一差值。本文方法考虑了墙背土体主应力方向偏转的客观事实,所得计算结果将更符合实际情况。     

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。     

条形荷载下黏性土主动土压力计算

依据库仑土压力理论假设,挡土墙土压力由墙后填土在极限平衡状态下出现滑动楔体产生,推导出考虑滑裂面上填土的黏聚力、墙土间黏聚力、黏性土表面出现张拉裂缝、条形荷载下的黏性土主动土压力计算式,并给出临界破裂角的显式解答。当墙后作用有连续均布荷载或不考虑黏性填土表面出现裂缝时,只需取条形荷载到墙顶的距离或计算的裂缝深度为0即可按相同的方法求解。研究表明,由于未考虑条形荷载对临界破裂角的影响,规范方法得到土压力值偏小。该公式适用范围广,尤其对于条形荷载作用墙后任意位置时均可应用,对实际工程中挡土墙的设计计算具有一定应用价值。     

考虑土拱效应的挡土墙主动土压力与被动土压力统一解

土拱效应对倾斜挡土墙下的主动土压力及被动土压力有重要的影响,但是相关计算理论研究略显不足。为了将土拱效应考虑到倾斜挡土墙下的土压力计算中,首先通过应力摩尔圆及静力平衡法分别给出了考虑土拱效应下主动土压力及被动土压力计算所需的两大因素：侧向土压力系数及竖向平均应力公式。在此基础上建立了考虑土拱效应的倾斜挡土墙主动土压力及被动土压力的统一表达式,并将其应用到求解土压力合力及其作用点高度的计算中。算例表明,土拱效应对于主动土压力与被动土压力的影响不同。随着墙体倾角的增大,主动土压力作用点高度逐渐降低,即土拱效应随着墙体倾角的增大而降低。与前述相反,随着墙体倾角的增大,被动土压力作用点高度逐渐降低,即土拱效应的影响随着墙体倾角的增大而增大。     

考虑抗拉强度的黏性填土挡土墙主动土压力计算

挡土墙后黏性土处于主动土压力状态时,墙顶一定深度范围内会产生裂缝,使其较大范围形成零压力区即开裂深度,关于开裂深度问题一直没有得到很好解决。针对变分法求解黏性填土主动土压力中未考虑裂缝的情况,通过一个算例说明了黏性填土表面在主动土压力状态下会产生裂缝。采用折线简化摩尔?库仑强度包络线,利用实际的土体抗拉强度推导了墙背土体开裂深度的计算公式。根据滑裂面上端点的应力边界状态和几何边界条件,对土压力变分计算方法进行了改进,使主动土压力的不确定问题变成了确定性问题。分析了填土内摩擦角、黏聚力、抗拉强度对开裂深度的影响,结果表明,随着内摩擦角和内聚力的增大,土体开裂深度逐渐增加,滑裂面向墙背方法偏移,土压力减小;随着土体抗拉强度的增加,开裂深度逐渐减小,土压力减小,当抗拉强度大到足以抵抗土体的开裂破坏,墙后土体开裂深度为0,这时土压力不再受抗拉强度的影响。     

应用Rankine理论的主动土压力计算

应用应力圆将Rankine理论计算主动土压力的方法延伸至坡面具有倾斜角的粘性填土，得出主动土压力强度沿墙背呈非线性分布的规律。根据填土倾斜角对填土内摩擦角的相对关系，导出土压力大小及作用点深度的计算公式，并绘制出曲线，以备查用。     

主动与被动状态下墙体侧向位移近似计算

极限状态下墙体侧向位移对土压力计算和支挡结构设计影响显著。根据Rankine变形体和Coulomb刚塑体模型,将墙后土体变形分别当作单剪和直剪试验中试样的剪切过程,以达到极限剪切变形（剪应变或单位长度剪切位移）作为进入主被动状态标准,构建了土体变形与墙体位移的几何关系,提出了反映土体变形与强度特性,同时考虑静止时初始应力状态影响的墙体极限侧向位移近似计算模型。分析表明：土体极限剪切变形、滑移区范围、初始应力状态是影响墙体极限位移的核心要素,其中极限剪切变形占据主导作用,是导致不同颗粒组成及密实程度土体进入极限状态所需墙体位移差异显著的主要原因,而主被动区范围不同和因静止土压力系数 1引起的初始剪切变形,则是被动状态墙体位移远大于主动的关键因素;算例中主动与被动状态下墙体位移与墙高之比分别介于0.5‰～13.2‰和?0.4%～?5.2%,且主动状态下细粒土墙体位移大于粗粒土,计算结果与工程经验及相关文献模型试验基本一致。     

考虑剪应力作用的刚性挡土墙主动土压力分析

以墙后为无黏性填土的竖直刚性挡土墙作为研究对象,假定墙后土体中形成圆弧形土拱,考虑水平土层间的剪应力,修正了水平层分析法,从而得到平动模式下主动土压力分布、合力大小及其作用点位置的表达式。通过与模型试验结果和现有理论成果的对比分析,证明了修正方法的合理性。参数分析表明,水平土层间的平均剪应力受墙土摩擦角、填土内摩擦角等因素的影响,与主动土压力一样沿墙高为非线性分布。同时,考虑水平土层间剪应力作用得到的侧向主动土压力系数、主动土压力合力与不考虑剪应力作用的理论解答相同,但合力作用点位置高于库仑解,且低于不考虑剪应力作用的理论解答。     

刚性挡墙后非饱和土破坏模式及主动土压力计算

目前主动土压力计算方法多仅针对土体处于饱和或干燥状态,忽略了其从非饱和到局部饱和,或饱和到非饱和的渐变过程,进而导致计算结果失真。鉴于此,首先开展了一系列刚性挡墙非饱和砂土主动土压力模型试验,揭示了墙后土体的破坏规律：（1）墙后土体顶部出现了近似竖直裂缝,且其发展深度随墙面粗糙度和含水率的增加而变大;（2）墙土界面摩擦对塑性区形状影响较小,且在挡墙移动过程中,墙后土体塑性区形状始终近似保持为平面。在试验基础上,引入广义有效应力原理,基于极限平衡分析建立了考虑吸应力效应的非饱和土主动土压力计算方法,理论与试验实测值表明,所提方法相比其他方法,更接近于试验值。分析了各主要因素对非饱和土压力分布规律的影响,结果表明：主动土压力随有效内摩擦角值增加而减少,而界面摩擦角对其分布影响较小;相比于无吸力情况,考虑吸力时主动土压力更小;随着进气值增加,吸应力对主动土压力的贡献减少,最终趋于恒定。