对“地震条件下挡土墙主动土压力及其分布的统一解”的讨论

笔者拜读了发表在《岩土力学》2012年第33卷第1期上的"地震条件下挡土墙主动土压力及其分布的统一解"一文[1](以下简称原文)。笔者对原文有几处疑问,望能得到释疑和解答。     

对“地震条件下挡土墙主动土压力及其分布的统一解”讨论的答复

首先,非常感谢林宇亮博士对2012年第1期"地震条件下挡土墙主动土压力及其分布的统一解("以下简称"原文")一文的关注。讨论稿中关于针对原文所提出的一些问题,现答复如下:     

地震条件下挡土墙主动土压力及其分布的新分析法

采用旋转挡土墙计算模型的变换法,将在地震和拟静力法条件下主动土压力的求解问题转化为在静力条件下主动土压力的求解问题。根据在静力条件下水平层分析法的主动土压力推导结果,直接获得在地震条件下主动土压力强度分布、土压力合力及其作用点位置的表达式,并运用图解法得到了临界破裂角的解析解。公式可考虑水平和垂直地震加速度、不同墙背倾角、墙背和坡面倾角与填料存在黏结力和外摩擦角、存在均布超载等诸多因素的影响,公式可以适用于在常用边界和地震条件下黏性土的主动土压力计算。旋转地震角法是将在地震和拟静力法条件下挡土墙计算模型旋转为在静力条件下挡土墙计算模型,但旋转挡土墙计算模型并不改变挡土墙和墙后填土的应力状态,按在静力条件下挡土墙主动土压力求解方法求解在地震和拟静力法条件下主动土压力,该方法大大简化了在地震和拟静力法条件下的主动土压力计算公式推导过程,统一了在拟静力法条件下的地震土压力求解,理论更加完善。     

挡土墙主动土压力分布研究

基于极限平衡理论,利用单元分层法分别讨论了墙后无开挖回填和有开挖回填不同工况条件下的挡土墙土压力分布形式,推导出不同工况条件下的主动土压力强度及主动土压力系数理论公式。结果表明,墙后无开挖回填工况条件下墙背主动土压力沿墙高成线性分布;墙后有开挖回填工况条件下墙背土压力沿墙高成非线性分布。     

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。     

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。     

地震条件下挡墙后黏性土主动土压力研究

采用水平层分析法,得到了地震条件下挡墙后黏性土主动土压力合力和作用点位置、土压力强度分布以及临界破裂角的解析解。公式考虑了水平和垂直地震加速度、挡墙墙背倾角、填料黏聚力和内摩擦角、填料与墙背的黏结力和外摩擦角、均布超载等因素,并分析了这些因素对主动土压力的影响。结果表明,朗肯和库伦理论下的主动土压力公式以及Mononobe-Okabe主动土压力公式与地震条件下的主动土压力公式完全一致。地震条件下的主动土压力强度沿墙高呈非线性分布。水平地震加速度增大了主动土压力,垂直地震加速度使得主动土压力有所减小     

刚性挡土墙主动土压力计算方法的改进

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,建立挡土墙上土压力分布的基本分析方程,结合整个滑楔体的力矩平衡条件,先确定土侧压力系数、再建立土压力分布和土压力合力及作用点高度的理论公式。算例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。     

地震条件下黏性土挡土墙土压力分析

Mononobe-Okabe理论是现阶段计算地震土压力的常用方法,但Mononobe-Okabe理论的诸多假设使其具有一定的局限性。针对Mononobe-Okabe理论的不足,考虑到地震作用下挡土墙偏转对土压力的影响,采用斜向条分法推导了复杂条件下黏性土地震土压力强度分布、土压力合力及其作用点位置公式,并利用图解法给出了临界破裂角的解析解。研究表明：填土黏聚力和地震系数对土压力影响显著;忽略黏性填土表面开裂与地震作用对均布超载及开裂填土等效超载的影响将使主动土压力计算结果偏小,其误差随着填土黏聚力和均布超载的增大而增大;在不同水平地震系数下土压力沿墙高呈非线性分布;所提公式适用范围更广,有效完善了Mononobe-Okabe理论。     

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。     

Pseudo-dynamic approach of seismic active earth pressure behind retaining wall

Knowledge of seismic active earth pressure behind rigid retaining wall is very important in the design of retaining wall in earthquake prone region. Commonly used Mononobe-Okabe method considers pseudo-static approach, which gives the linear distribution of seismic earth pressure in an approximate way. In this paper, the pseudo-dynamic method is used to compute the distribution of seismic active earth pressure on a rigid retaining wall supporting cohesionless backfill in more realistic manner by considering time and phase difference within the backfill. Planar rupture surface is considered in the analysis. Effects of a wide range of parameters like wall friction angle, soil friction angle, shear wave velocity, primary wave velocity and horizontal and vertical seismic accelerations on seismic active earth pressure have been studied. Results are provided in tabular and graphical non-dimensional form with a comparison to pseudo-static method to highlight the realistic non-linearity of seismic active earth pressures distribution.     

挡土墙主动土压力的逐层计算法

基于非极限主动状态或在不同位移模式下极限主动状态时墙面和滑裂面的摩擦角不可能沿整个墙高均达到极限值,而是沿墙高变化的实际情况,对卡岗的水平层分析法改进。通过对每一土层采用不同的墙面和滑裂面摩擦角及计算参数, 建立了挡土墙主动土压力的逐层计算方法,推导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。与已有试验数据的对比计算可见,逐层计算法计算结果与其他方法计算值及试验成果较为吻合。     

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。     

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。     

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。