地震作用下挡土墙主动土压力及转动位移分析

分析地震引起的挡土墙位移及墙后土压力,对于评估挡土墙可靠性具有重要意义。基于拟动力法,考虑时效、地震波传播的相位差、超载、墙背摩擦角、填土黏聚力以及填土开裂等影响,建立地震作用下挡土墙主动土压力计算模型,获得挡土墙绕墙趾转动模式下主动土压力大小、分布形式及作用点高度。同时,考虑挡土墙本身受地震荷载作用的影响,求出挡土墙绕墙趾的转动位移。通过与Mononobe-Okabe法对比可知,文中获得的主动土压力值与Mononobe-Okabe法接近,但Mononobe-Okabe法低估了主动土压力作用点高度,表明采用Mononobe-Okabe法设计存在风险。通过算例分析了地震系数、墙背摩擦系数、超载大小、时间、填土黏聚力和内摩擦角对挡土墙转动位移的影响。     

挡土墙主动土压力分布与侧压力系数

采用库仑土压力理论的假设：挡土墙土压力是由墙后填土在极限平衡状态下出现的滑动楔体产生,在该滑动楔体上沿竖向取水平薄层作为微分单元体,通过作用在单元体上的水平力、竖向力和力矩平衡条件,建立挡土墙上土压力强度的一阶微分方程式,给出了土侧压力系数、土压力强度、土压力合力和土压力合力作用点高度的理论公式,并分析了填土内摩擦角和墙背摩擦角对土侧压力系数、土压力强度、土压力合力、土压力合力作用点和墙底抗倾稳定性的影响。     

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。      

基于主应力迹线分层的有限土体土压力计算

为了研究挡墙后有限土体的主动土压力,以墙后无黏性土体为研究对象,假定破裂面为通过墙踵的平面,且在挡墙平动模式下,墙后土体形成圆弧形小主应力拱。采用沿小主应力迹线分层的方法,将挡墙后土体划分为若干个圆弧形曲线薄层单元,考虑了单元体上下表面应力分布的不均匀性,提出了一种有限土体挡墙主动土压力计算方法,给出了主动土压力合力及其作用点高度的表达式,并验证了该方法的正确性。研究结果表明：采用曲线薄层单元法可以准确考虑单元体复杂的受力情况,能更好地反映挡墙后有限土体主动土压力的变化规律;有限填土时主动土压力沿墙高 呈非线性分布,土压力先随着土体深度增加呈单调递增趋势,然后在接近墙底位置处呈单调递减趋势。分析参数敏感性时取不同土体宽高比与墙背粗糙程度对挡墙主动土压力分布及合力作用点高度进行分析,结果表明：随着土体宽高比n的增大,主动土压力值逐渐增大,土压力分布曲线非线性越来越明显,合力作用点高度逐渐降低且恒大于 。当 0.71时,均趋于稳定。可将 0.71作为有限土体与半无限土体的临界宽高比。随着摩擦角 的增大,主动土压力值逐渐减小,土压力分布曲线非线性越来越明显,合力作用点高度逐渐增大且恒大于 。     

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。     

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。     

基于离散元方法的不同挡墙变位模式下有限土体主动土压力研究

为研究挡墙变位模式以及墙后填土宽度对无黏性有限土体主动土压力的影响,在不同墙后填土宽度条件下分别开展了挡墙平动(T)模式、绕墙底转动(RB)模式以及绕墙顶转动(RT)模式的离散元模拟。根据离散元模拟结果对主动土压力、墙后土体破坏模式以及应力状态进行了分析。研究结果表明:挡墙变位模式和墙后填土宽度的变化使得土体破坏模式和应力状态发生变化,引起主动土压力大小及分布的差异。T与RB模式滑动土楔中内摩擦角调动值会相对初始值增加,且T模式滑动土楔中会出现小主应力拱。RT模式较为特殊,在填土宽度较小时,其应力状态与T模式相似;在填土宽度较大时,滑动土楔上部会出现内摩擦角调动值相对初始值减小的区域,并出现大主应力拱。     

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。     

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。     

基于薄层单元法主动土压力计算的复合遗传算法

作用于挡土墙侧土压力的计算一直沿用经典的土压力理论,其土压力分布沿墙高呈直线分布,但实践证明它们与实际情况不符。在已有研究成果的基础上,为提高计算精度,假定挡土墙后土体潜在滑裂面为由对数螺线面和平面组合而成,根据挡土墙后土体薄层单元的极限平衡条件推导出土压力的计算公式。由于土压力计算值与滑裂面的位置有关,为寻找潜在最危险滑裂面,在简单遗传算法中引入复合形搜索法得到一种高效的复合形遗传算法,并将其用于墙后填土潜在最危险滑裂面搜索和相应主动土压力计算。最后,对室内模型挡墙和现场实际挡墙后填土土压力进行了分析计算,计算值与实测值吻合很好,这表明该方法不仅可行,而且可靠。     

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。     

加筋土挡墙静载模型试验及其力学性能研究

为研究加筋土挡墙在墙顶荷载作用下土体受力和变形形态,通过改变筋材层数、筋材长度和替换加筋材料等方式对加筋土挡墙进行了4种工况的模型试验。对4种工况下的加筋土墙体内竖向土压力、墙面水平位移、墙顶竖向位移和筋材应变等进行对比研究。研究表明,挡墙上部竖向土压力增长较快且各层竖向土压力最大值由加载点下部向墙面处移动;墙顶荷载超过130 kPa时,由于不均匀沉降,第5层筋材对应墙面处有向内收缩趋势,墙面水平位移最大值大约在上三分点位置;整个加载阶段,筋材总体应变值增幅不大且远小于筋材设计应变峰值;增加挡墙内筋材层数和增加筋材长度均可提升挡墙各方面性能,但增加筋材层数提高效果要优于增加筋材长度;使用废旧轮胎代替单向格栅进行加筋可有效提高挡墙整体性能,分散超载引起的附加应力,有效减小墙面水平位移和墙顶竖向位移。     

多级支挡结构地震主动土压力的极限分析

多级组合支挡结构形式在高边坡防护工程中得到了广泛采用,但现有研究却较少涉及这种支挡结构形式的地震土压力计算问题。应用拟静力法和塑性极限分析上限定理,并且基于强度折减技术,推导了重力式挡墙与两级锚杆挡墙组合支挡结构形式的地震主动土压力及其系数的上限解。该上限解考虑了水平和竖向地震系数、墙背倾角、坡面形式及多级支护方式、土体黏聚力、土体与墙背的黏附力等诸多因素。二级锚杆挡墙实例分析表明：静力条件下主动土压力计算值与现有相关方法的计算结果一致,土的抗剪强度折减系数、上挡墙锚杆轴力等参数,对下挡墙地震主动土压力影响显著。二级组合支挡结构地震主动土压力影响参数敏感性分析表明：水平地震系数以及重力式挡墙墙高和倾角的敏感性较大,上挡墙锚杆的轴力和倾角等参数的敏感性相对较小     

临近地下室外墙影响下的挡土墙空间土压力研究

目前关于临近地下室外墙影响的挡土墙空间土压力的计算理论的研究还比较少,原有的平面应变条件下的理论不能满足挡土墙的长高比B/H较小时的挡土墙土压力计算要求。通过将土拱效应原理引入顾慰慈[8]建立的空间土压力计算模型,建立了考虑土拱效应的临近地下室外墙影响的空间土压力计算模型,根据挡土墙和地下室外墙的间距与土体破裂面状态的关系将该模型分为3种情况,并将各模型划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个区域,通过在各个区域内取水平微分单元体,建立各微分单元体的水平和竖向静力平衡方程,推导出了各区相应的挡土墙空间主动土压力计算公式,该公式可以计算出墙背任意位置的主动土压力;并提出了空间土压力合力及其合力作用点的计算方法。通过算例计算可以直观地看出挡土墙后主动土压力的空间分布,由此可以看出,当空间效应存在时,考虑土拱效应的挡土墙主动土压力沿墙长的分布与平面应变条件时有很大的不同,此时挡土墙两端附近区域的主动土压力远小于平面应变条件下计算出的主动土压力,同时可以看出,考虑空间效应的挡土墙主动土压力合力作用点要比平面应变条件下的位置要高,挡土墙长高比B/H越小,空间效应对主动土压力沿墙长的分布和主动土压力合力作用点位置的影响越大。     

改进的主动土压力计算方法

墙背土压力分布与挡土墙的位移大小和转动模式密切相关。针对绕墙底向外转动的刚性挡土墙,基于土压力形成机制的分析及已有的研究成果,建立挡土墙位移与墙背土体内摩擦角发挥值之间的关系式,反映了墙背土体内摩擦角随着挡土墙位移的增加而渐进发挥的过程。在此基础上,提出一种改进的考虑位移影响的主动土压力计算方法。计算结果表明,随着挡土墙位移的增大,墙背土压力由静止土压力逐步减小。当挡土墙位移达到临界值后,相应的墙背土压力均收敛于库仑主动土压力。墙底背面土压力也是随着挡土墙位移的增长而逐步收敛于库仑主动土压力。与模型试验结果对比表明,理论计算值与试验实测值基本吻合。     

刚性挡土墙主动土压力颗粒流模拟

将土体离散为具有滑动连接模型的刚性条块,用颗粒流PFC2D程序数值从细观力学角度模拟了墙体平移(T)、绕墙底转动(RB)和绕墙顶转动(RT)位移模式下不同位移大小时刚性挡土主动土压力分布。模拟结果表明：刚性挡墙主动土压力非线性分布、墙土间外摩擦角和土体剪切角或内摩擦角对土压力有很大影响;墙体绕顶部转动时,大约0.3倍墙高以上的主动土压力大于静止土压力产生土拱效应;模拟计算值与模型试验实测数据吻合比较好,具有一定的理论价值。     

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。     

土工格栅加筋土挡墙试验研究

采用在墙面板背后安装土压力盒以及在土工格栅上安装柔性位移计的方法,对某高速公路加筋土挡墙水平土压力和土工格栅拉筋位移进行了系统测试。试验研究表明,施工期间土工格栅加筋土挡墙墙背土压力随填土高度的增加而增大,增长速率逐渐减小,其数值均小于理论计算结果,沿墙高分布形式与计算结果有较大差别;土工格栅拉筋在施工期应变变形较大,工后应变非常小,挡墙下部土工格栅拉筋端部应变随填土高度变化较大,在加筋体锚固区末端存在过渡区,其工程特性逐渐向非加筋体填土过渡。根据试验结果对土工格栅加筋土挡墙施工控制及关键技术提出了相关建议。