考虑摩擦条件下临近既有建筑物的有限土体土压力上限解

针对现有刚性挡土墙与支护结构工程有限土体土压力研究大都基于墙背光滑的假定,本文考虑挡土墙与填土之间及建（构）筑物与填土间的摩擦作用,挡土墙背倾角及填土顶面竖向荷载的影响,引入极限分析上限理论进行研究。根据临近建（构）筑物有限宽度土体的工程特性,基于平动模式采用直线滑动破裂面,在土压力上限求解中引入粗糙挡土墙及粗糙建（构）筑物与土界面间的摩擦能耗计算,分别建立有限宽度土体在主动极限状态和被动极限状态下的土压力计算模型,并利用数值计算方法求解。通过对有限土体主动土压力进行参数分析,表明极限破裂角是一个不确定角,其随着计算深度增大而非线性增大,随有限土体宽度和挡土墙背倾角增大而减小;主动土压力合力随墙土间外摩擦角、挡土墙背倾角及超载增大而增大,墙土间外摩擦角对极限破裂角影响较小,而对土压力合力影响较大。通过工程算例分析并与其它方法计算结果进行对比,表明有限土体主动土压力和被动土压力均小于无限土体土压力。     

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。     

倾斜填土面朗肯土压力的计算及其强度分布规律

根据倾斜填土面时土体中一点的应力状态分析,采用应力圆图解法推导出倾斜填土面粘性土的朗肯主动和被动土压力强度的计算公式,把该公式视为关于填土深度z的线性关系方程和非线性关系方程两部分。通过对该公式的非线性方程部分分析可知,朗肯主动与被动土压力强度分布形态与填土面倾角β和内摩擦角φ两者的大小有关,因此分β > φ、β=φ和β < φ三种情况对朗肯主动与被动土压力强度分布形式进行了讨论,并绘制了土压力强度的分布图形,其分布图形具有非线性特点。其中在β < φ的情况下,主动土压力强度在一定深度z₂以下范围出现无解现象。最后将推导公式应用到某挡土墙实例中,对比分析表明,该理论结果与现场实测结果具有较好的一致性。      

挡土墙受局部连续荷载作用的附加土压力

求解附加应力的布西涅斯克解答和弗拉曼解答与朗肯土压力理论结合,可用来计算挡土墙受矩形铅直均布荷载和条形铅直均布荷载作用,在墙背处引起的附加主动土压力和附加被动土压力的变化情况,这种计算方法可以较准确的考虑荷载作用型式,作用位置,作用范围和极限平衡状态的影响,可以反映外荷通过填土传递过程的变化,得出的附加土压力较小。     

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。     

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。     

考虑粘聚力及墙背粘着力的主动土压力公式

考虑滑裂面上填土的粘聚力及填土与墙背接触面上的粘着力，推得了粘性填土挡墙上的主动土压力计算公式。可以应用程序按假定滑裂面的方式进行编程试算，从而确定主动土压力并确定滑裂面倾角，该法客观合理且实用方便，可保证足够的精度。也可以直接应用式（16）近似计算主动土压力。     

基于联合强度的黄土主动土压力公式与计算比较

土压力计算问题虽然是岩土工程中的传统研究课题之一,但对于结构性黄土而言,抗剪强度和抗拉强度是结构性黄土强度特性的两个方面,因此,黄土抗拉强度在黄土土压力计算中存在的影响需要进行合理的评价。基于建立的可综合考虑黄土抗拉和抗剪特性的联合强度理论,开展了主动极限应力平衡分析,推导了主动土压力新的计算公式,对该计算公式进行了验证并与朗肯主动土压力进行了比较。研究结果表明:在主动土压力计算与比较中,基于黄土联合强度确定的主动土压力比基于传统的Mohr-Coulomb理论确定的朗肯主动土压力要大,且墙后填土拉张区开裂深度相对要小。由于Mohr-Coulomb强度理论高估了黄土的抗拉强度,导致朗肯主动土压力计算值偏小,而基于黄土抗拉强度建立的联合强度可以合理地评价黄土的主动土压力。     

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。     

考虑位移影响的主动土压力近似计算方法

分析了位移对主动土压力的影响规律,发现主动土压力的大小取决于松弛应力与位移的关系。已有的研究表明：可以用双曲线函数模拟松弛应力与位移的关系,据此建立了考虑位移影响的主动土压力的近似计算方法。对两例离心试验数据拟合分析后,总结了公式中参数的近似表达式。模型试验和数值分析验证了该方法的正确性与合理性。在此基础上,推导了考虑位移影响的朗肯主动土压力理论,为主动土压力的计算提供了一种新的方法。     

Estimation of static earth pressures for a sloping cohesive backfill using extended Rankine theory with a composite log-spiral failure surface

The Rankine earth pressure theory is extended herein to an inclined c–? backfill. An analytical approach is then proposed to compute the static passive and active lateral earth pressures for a sloping cohesive backfill retained by a vertical wall, with the presence of wall–soil interface adhesion. The proposed method is based on a limit equilibrium analysis coupled with the method of slices wherein the assumed profile of the backfill failure surface is a composite of log-spiral and linear segments. The geometry of the failure surface is determined using the stress states of the soil at the two boundaries of the mobilized soil mass. The resultant lateral earth thrust, the point of application, and the induced moment on the wall are computed considering global and local equilibrium of forces and moments. Results of the proposed approach are compared with those predicted by a number of analytical models currently adopted in the design practice for various combinations of soil’s frictional angles, wall–soil interface frictional angles, inclined angles of backfill and soil cohesions. The predicted results are also verified against those obtained from finite element analyses for several scenarios under the passive condition. It is found that the magnitude of earth thrust increases with the backfill inclination angle under both the passive and active conditions.

     

基于混合粒子群算法和能量法主动土压力计算

假定挡土墙后填土滑动面为通过墙踵的对数螺线滑动面,基于能量法,推导出了墙背倾斜、粗糙、墙后填土向上倾斜,适用于砂性土与黏性土的主动土压力上限解。以对数螺线通过斜坡的旋入角? 0和旋出角? h为变量,使用基于自然选择的混合粒子群优化算法对最危险滑动面进行全局搜索,从而获得主动土压力最优解。对于砂性土,将土压力系数与经典的极限分析上限解相比,发现在墙面倾角较小时两者基本一致,但当墙面倾角大于30°时,经典解明显偏小,而文中解与基于最优性原理的极限平衡解较接近。至于黏性土,对一工程实例进行计算,计算结果与实测值的相对误差为5.4%。     

一般条件下主动土压力的变分求解

基于库仑土压力理论的假设,主动土压力是由墙后填土在极限平衡状态下出现的滑动体产生,从墙后滑动体整体静力平衡方程出发,推导出坡面起伏且有不均匀超载、倾斜墙背、黏性填土等一般情况下的主动土压力泛函极值的等周模型。在该基础上,引入拉格朗日乘子,将主动土压力问题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,得到了线性的滑面函数和沿滑面线性分布的法向应力函数。结合边界条件和横截条件,主动土压力泛函极值问题进一步转化为单个未知量的一维方程问题。通过算例,土压力计算结果与库仑土压力理论解完全一致,但土压力作用点在墙体的相对位置却并非总是作用在墙高的1/3 处。通过算例进一步表明,坡面的起伏和坡面超载的不均匀性对主动土压力大小和作用点位置有显著的影响。     

挡土墙主动土压力的库仑统一解

基于极限平衡理论,视墙后填土为服从Mohr-Coulomb屈服准则的理想弹塑性材料,指出库仑土压力理论存在的一些缺陷,明确提出极限土压力是由墙后塑性土体产生,并假定塑性区的一族滑移线为直线,即平面滑裂面,建立了更为完善的滑楔分析模型,求解了在一般情况下考虑黏性土作用的挡土墙主动土压力、滑裂面土反力以及它们的分布,而经典库仑和朗肯主动土压力为其特例。     

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。     

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。     

Pseudo-dynamic methods for seismic passive earth pressure behind a cantilever retaining wall with inclined backfill

The designing of retaining walls requires the complete knowledge of earth pressure distribution. Under earthquake conditions the design needs special attention to reduce the devastating effect, but under seismic conditions, the available literature mostly uses the pseudo-static analytical solution as an approximate to the real dynamic nature of the complex problem. This paper shows a detailed study on the seismic passive earth thrust behind a cantilever retaining wall with inclined backfill surface by pseudo-dynamic analysis. A planar failure surface has been considered. The effect of variation of parameters such as soil friction angle, wall friction angle and back fill inclination have been explored. A complete analysis shows that the time dependent non-linear behaviour of the pressure distribution obtained in the present method results in more realistic design values of earth pressures under earthquake conditions. Results are provided in tabular and graphical non-dimensional form and compared thoroughly with the existing values in the literature.     

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。