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。     

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。     

非饱和土库仑主动土压力统一解

基于非饱和土双应力状态变量抗剪强度统一解,合理考虑中间主应力效应,建立了非饱和土库仑主动土压力统一解,并对其进行可比性分析,将其计算结果与非饱和土朗肯主动土压力统一解进行对比,得出各因素的影响特性。研究结果表明,中间主应力和基质吸力对库仑主动土压力的影响显著,随统一强度理论参数和基质吸力的增加,库仑主动土压力不断减小直至为0,证明了考虑中间主应力可以充分发挥材料的自承载能力和强度潜能,具有可观的经济效益;库仑主动土压力随墙背倾角与填土倾角的增大而增大,随有效内摩擦角和基质吸力角的增大而减小,外摩擦角的影响不显著。非饱和土库仑主动土压力统一解具有更广泛的适用性,朗肯主动土压力统一解为其特例,其结果对边坡、基坑等工程的土压力确定和支挡结构设计有很好的借鉴作用。     

平动模式下挡土墙非极限主动土压力

针对平动模式下墙背倾斜的挡土墙,假定墙后所形成的土拱为圆弧形,建立位移同内摩擦角、外摩擦角的非线性函数,并考虑土层间剪应力作用,通过水平层分析法,得出了挡土墙平动模式下非极限主动土压力分布、合力、作用点高度的解答,其解析解与试验值较其他方法吻合得更好,验证了该方法的合理性。结果表明：是否考虑土层间剪应力,土压力的大小均随墙体位移的增大而减小,不会影响土压力合力大小,仅影响土压力的分布,且考虑剪应力作用的土压力在墙体上部较不考虑剪应力要小,下部反之。剪应力对土体起阻碍作用,随内摩擦角的增大,剪应力出现先显著增大后略微减小的状态;随外摩擦角、位移的增大,剪应力增大;随着墙背倾角的增大,剪应力先减小,再反向增大,土压力随之增大。同时考虑土拱效应与剪应力所得出的合力作用点高度介于仅考虑土拱效应与库仑解之间。     

RB模式下砂土非极限主动土压力的离散元模拟与理论研究

针对刚性挡土墙绕墙底向外位移(RB)模式下砂土非极限主动土压力分布问题,采用离散元数值模拟对砂土的主动破坏过程进行分析。研究结果表明,非极限主动状态下,不同深度处土体内摩擦角变成极限值时,该点所需的水平位移近似相同,约为0.03%H,墙-土摩擦角至极限值时该点所需的水平位移S_δ近似与深度z呈线性关系,即S_δ=0.12%z;挡墙位移过程中,墙后土体中存在多个相互平行的“准滑动面”。根据模拟结果,在Liu提出的摩擦角调动值计算公式基础上进行了修正,并利用斜微分单元法,取墙后土楔体中平行于滑动面的薄层作为斜微分单元,建立了非极限主动状态下单元体静力平衡方程,得到了RB模式下挡墙不同位移量时非极限主动土压力计算公式。将计算结果与模拟结果和模型试验实测数据进行对比,验证了理论公式的合理性。     

水位变化下含裂缝非饱和土挡墙的地震主动土压力研究

高烈度区挡墙抗震设计的主要荷载是地震主动土压力。首先根据水位、缝深和墙踵的相对位置关系,提出了含裂缝非饱和土挡墙在高、中、低水位下地震主动土压力分析的3种力学模型;继而通过拟动力法计算墙后滑动土体的地震效应,运用非饱和土力学原理与极限平衡法建立了水位变化下倾斜挡墙的地震主动土压力解答,并给出了迭代应用步骤、对比文献理论解答与振动台实测;最后探讨了水位、缝深以及土体非饱和特性对地震主动土压力系数的影响规律。研究结果表明：所得非饱和土挡墙地震主动土压力解答综合考虑了水位、缝深与土体非饱和特性,能退化为经典土压力公式,与文献理论解答、振动台实测吻合良好且应用较便捷,具有重要理论意义和良好的应用前景;地震主动土压力受水位、缝深、基质吸力、吸力分布与吸力角的影响均很显著,需采用工程措施维持基质吸力、吸力分布、低水位、小缝深等稳定存在以优化挡墙抗震设计。     

不同变位模式下无黏性土非极限被动土压力计算分析

假定内摩擦角与位移呈非线性关系,采用所提出的土压力计算理论,结合室内模型试验结果,对墙体的平移（T模式）、绕墙体底采点转动（RBT模式）、绕墙顶采点转动（RTT模式）变位模式下考虑位移的被动土压力进行计算分析,分析表明：计算结果在土压力强度沿墙高度上的分布、土压力合力大小以及合力作用点位置均与实测值较为吻合,从而表明：（1）用该计算理论公式计算不同变位模式下被动土压力是可行的。（2）从土压力强度的计算值和实测值吻合情况来看：RBT变位模式下计算值与实测值符合最好,T变位模式下次之,RTT变位模式下相对最差。（3）从达到朗肯被动土压力合力所需位移量来看：T变位模式下最小,RTT变位模式下次之,RBT变位模式下相对最大。（4）土压力合力作用点位置：T变位模式下在离墙底1/3高度处,RBT模式下均位于离墙底1/3高度以上,RTT模式下均位于离墙底1/3高度以下,并且RBT和RTT模式下均随着转动点至挡土墙最近端点的距离与墙高的比值n的增大逐渐向T变位模式下的合力作用点位置靠拢（即离墙底1/3高度处）,这一观点与事实情况完全相符。     

考虑位移效应的土压力计算理论

基于朗肯土压力理论,假定填土的内摩擦角与该点土体位移呈非线性关系,进而提出挡土墙的主动和被动土压力的计算模式。该模式随位移变化是连续的,且能考虑墙土间的摩擦的影响。又将其与砂土模型试验结果进行了对比分析,吻合较好,从而证明用该计算模式计算其主动或被动土压力是合理的。此外,根据该计算模式,导出了一种有效估算其静止土压力系数的计算方法。     

非饱和土抗剪强度及土压力统一解

基于统一强度理论和非饱和土双应力状态变量抗剪强度,合理考虑中间主应力效应,建立了非饱和土双应力状态变量抗剪强度统一解,并与文献试验结果进行比较,验证了公式的正确性;进而考虑基质吸力的不同分布,得到非饱和土主动土压力和被动土压力统一解,克服了朗肯土压力的不足,并得出中间主应力和基质吸力对土压力的影响特性。研究结果表明,主动土压力随着统一强度理论参数和基质吸力的增大而不断减小,被动土压力则相反;当基质吸力沿深度线性减小时,主动土压力和被动土压力都不像基质吸力沿深度为常数时变化得那么快。该结果为非饱和土抗剪强度和土压力分析提供了理论依据,对工程设计有一定的参考价值。     

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。     

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     

非饱和土的广义朗肯土压力

本文从 4条基本假设出发 ,建立了非饱和土的广义朗肯土压力公式 ,采用理想试验对该公式进行了验证 ,在北京地铁13号线的东直门车站基坑工程中理论分析结果和实测值非常接近 ,证明了该理论的有效性。土的广义朗肯土压力公式建立了土的试验指标与原位指标的关系 ,从理论上给出了用土的试验指标得到原位主动 (被动 )土压力的方法。对于非饱和土 ,采用简单易得的直剪试验指标应用广义朗肯土压力公式就可以得到相当精确的结果 ,弥补了扩展朗肯土压力理论的不足。而且广义朗肯土压力公式能够合理利用已有的工程经验和工程数据 ,为非饱和土力学的工程实用化提供了一条新的思路。     

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。     

非饱和土固结理论新进展

总结了国内外多年来在非饱和土固结理论领域研究的主要理论成果,内容包括国内外非饱和土固结理论研究的概况,涉及线性、非线性、弹塑性和结构性等方面,非饱和土固结理论的研究具有非常好的应用前景。但非饱和土固结理论还很不成熟,有待广大科研工作者的进一步研究。     

非稳定渗流条件下非饱和土边坡稳定分析

大量的滑坡灾害表明, 水的作用是影响边坡失稳的重要原因,合理地评价边坡的稳定性,需考虑边坡基质吸力场的变化与水的渗流作用。通过稳定与非稳定渗流条件下的非饱和土堤算例,探讨了Bishop和Fredlund非饱和土抗剪强度公式应用于强度折减有限元法的差异,并与极限平衡法的结果进行对比。结果表明,Bishop和Fredlund非饱和土抗剪强度公式的本质是相同的,而从非稳定渗流条件下的分析结果来看,强度折减有限元法分析的安全系数与极限平衡法分析临水坡和背水坡安全系数的最小值相当接近,强度折减有限元法更适合分析边坡的整体稳定性。此外,采用Bishop强度公式可以通过用饱和度代替基质吸力参数来体现基质吸力对强度的影响,在分析饱和度较高的非饱和土边坡稳定性时较为方便。     

地震条件下悬臂式挡墙主动土压力的极限分析方法

为确定地震条件下悬臂式挡土墙主动土压力,考虑假想坦墙墙背的可能不同位置,给出了墙后填土5种可能的失稳破坏模式;在此基础上,采用拟静力法,基于极限分析上限定理,推导了作用于坦墙墙背上的地震主动土压力计算公式,包括填土性质、填方坡面倾角、踵板长度、墙体高度、水平及竖向地震影响系数等多因素,其中除填土黏聚力与竖向地震影响系数与该土压力呈线性相关性外,其余因素呈非线性影响。实例分析表明,基于本方法地震土压力而计算的墙体抗滑与抗倾稳定系数,多数情况下均比经典的Mononobe-Okabe法略偏大;在填土中存在第二破裂面情况下,以踵板下边缘作为假想墙背端点的计算模式相对略偏不安全;竖直假想墙背模式相应的土压力计算值最小,但相应的墙体稳定系数却不一定最大。     

黏性土的非极限主动土压力计算方法研究

经典土压力理论只能计算挡土墙位移达到极限状态时的土压力。为了更贴近工程实际,需要发展非极性土压力理论,但以往的研究仅限于砂土。对于黏性土的非极限主动土压力,在已有成果的基础上,从黏性土的应力莫尔圆出发,推导了介于初始状态和极限主动状态之间的中间状态时,黏性土的内摩擦角? 随墙体位移变化的关系公式;同时考虑了墙土接触面上外摩擦角? 和黏聚力cw的影响,根据黏性土应力莫尔圆的几何关系得到了土体黏聚力c与墙体位移的关系;最后应用水平分层法求得了非极限状态时黏性土的主动土压力计算公式。与模型试验数据的对比分析表明,理论计算值和试验实测值基本吻合。研究表明,计算方法对于计算黏性土在非极限状态时的主动土压力具有一定的理论意义,在实际工程中也具有相应的实用价值。     

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。     

降雨入渗条件下非饱和土朗肯土压力分析

传统的土压力分析仅考虑了土体饱和强度对土压力产生的贡献,忽略了基质吸力及其变化对土压力的影响。运用非饱和土有效应力原理和饱和土朗肯土压力公式推导了非饱和土朗肯土压力公式,结合Iverson降雨入渗解析解,推导出降雨入渗条件下非饱和土压力公式。该公式将降雨入渗时的非饱和土压力表示为时间和深度的函数,更符合实际情况。研究结果表明：采用该方法计算得到的土压力值相对于传统计算结果偏大,作用点偏高;此外,随着降雨的发生、入渗和停止,主动土压力呈现“减小-增大-减小-稳定”趋势,被动土压力呈现“增大-减小-增大-稳定”趋势,该现象由降雨过程中基质吸力改变所致。由该公式获得的土压力分布及变化规律可用于挡土工程结构的设计。     

无黏性有限土体主动土压力解析解

经典土压力理论的应用是基于半无限土体,但当墙后土体范围有限时经典土压力理论可能就不再适用,出现有限土体土压力问题。针对较复杂条件下无黏性土的有限土体土压力问题,建立了计算模型,并采用薄层单元法推导出解析公式,证明经典的郎肯土压力和库仑土压力皆为所提出的新公式的特解。在综合考虑不同计算条件后,制定土压力计算流程,涵盖了各个条件下土压力计算方法。通过计算分析表明：极限破裂角不为定值,随计算参数的变化而变化;不存在有限土体时,所提新公式解与库仑解较接近;出现有限土体时,新公式解趋近于模拟解,从而证明了新公式解的合理性。此时与库仑解相比,则存在明显差异。