基于太沙基土拱效应考虑基质吸力影响的松动土压力计算模型

传统的土拱效应理论是基于上覆土体为无黏性土或饱和黏性土建立的,但非饱和状态是实际土体的常见情形,其力学特性受自然环境变化的影响。针对这一问题,基于太沙基（Terzaghi）平面土拱效应分析模型和土体单元主应力轴旋转理论,建立了考虑基质吸力的土拱效应松动土压力分析模型。依次给出了基质吸力在上覆土体内呈均匀分布、梯形分布、正三角分布和倒三角分布时的松动土压力和侧压力系数表达式。为验证该分析模型的正确性,采用FLAC建立了Trapdoor数值模型,理论计算与FLAC模拟结果非常吻合。最后,着重分析了上覆土体的饱和度、厚度、Trapdoor宽度、地下水上升和降雨等因素对松动土压力的影响。研究发现,松动土压力随土体饱和度先减小后增大,当达到进气值所对应的饱和度时松动土压力最小。     

浅层顶管施工引起的土体移动

顶管施工引起包括地面沉降和土的轴向移动在内的土的运动。 土的这些运动可能导致邻近构筑物和管线的损坏。 理论分析和现场实测都显示, 在类似于上海等地的软土地层中顶管施工, 顶管周围土的运动问题是三维的。 基于半解析数值方法的基本原理, 将轴向离散而在径向和环向选取位移函数, 构造了解析解函数。 给出了包括位移函数、刚度矩阵和荷载矩阵在内的理论分析过程, 从而建立了半解析单元法。 利用半解析单元法将顶管施工中三维土运动问题转化成一维数值计算 。 利用所建立的半解析单元法, 就软土地层中顶管工程实例计算了施工所引起的土体位移。 结果表明, 半解析元法用于计算顶管施工中顶管周围土的移动, 可以得到较为满意的结果。 由于计算所需要的单元数减少, 处理该问题所需要的时间也明显减少。 根据分析与计算结果还得到了一些有价值的结论。     

考虑拱效应深基坑支护结构土压力分析

针对基坑支护结构土压力的研究以数值模拟为主,而解析理论应用需要完善研究现状,提出一种用于计算基坑支护结构土压力的解析方法。根据填土中土拱效应的作用以及土拱成形的基本理论,结合极限平衡分析方法,应用摩尔圆理论确定了基坑端壁间稳定土拱的轨迹方程,并且得到基于土拱形状所围滑裂土体的体积,确定出基坑支护结构土压力的解析表达式,最后进行了算例分析,研究结果表明土体的物理属性决定了有效滑裂土体的边界。提出的解析方法是深基坑计算土压力的一种新的解析方法。     

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。     

临近地下室外墙影响下的考虑土拱效应的挡土墙主动土压力研究

当挡土墙附近存在临近建筑地下室外墙时,其挡土墙土压力与传统的Rankine理论基于无限半空间体假定不符,因而在这种新的工程背景下需要采用合适的理论来计算挡土墙土压力及其作用点高度。已有的研究表明,这种条件下土体的变形趋势可分为上、下两大部分：上部土体变形类似于Terzaghi的活动门试验,土体沿着墙体下滑,而下部土体则沿着土楔形体而变形。因而将土拱效应用于求解挡土墙土压力的计算分成了上、下两大部分考虑。假定土拱形状为圆弧,基于主应力旋转概念分别给出了上、下两部分的侧向土压力系数,运用水平微分层析法基于静力平衡思想给出了两部分的水平向主动土压力分布公式。最后通过坐标平移的方式给出了主动土压力合力及其作用点高度的表达式。算例表明,计算结果与数值计算结果较为接近,其结果对实际工程有一定的参考价值。     

狭窄基坑平动模式刚性挡墙被动土压力分析

对于地铁车站、地下管道沟槽等狭窄基坑,其被动区土体宽度有限,不满足半无限体的假定,采用经典的库仑、朗肯土压力理论计算挡墙被动土压力是不合适的。首先建立了无黏性土中狭窄基坑刚性挡墙的有限元分析模型,研究了挡墙相对平移时不同宽度土体的被动滑裂面的分布规律;借鉴库仑平面土楔假定,建立了狭窄基坑刚性平动挡墙被动土压力的理论计算模型,推导了被动极限状态下滑裂面倾角及被动土压力系数的解析公式;再采用水平薄层单元法,得到了被动土压力分布、土压力合力作用点高度的理论公式。结合算例,深入研究了这种工程背景下挡墙被动滑裂面倾角的影响因素,以及被动土压力合力、土压力分布及合力作用点位置与经典库仑土压力理论的差别,与数值计算结果的对比验证了该理论方法的合理性。研究发现,当被动区土体宽度小于满足半无限体的临界值、且墙土摩擦角大于0时,被动滑裂面倾角大于传统库仑被动滑裂面倾角,被动土压力大于经典库仑解,合力作用点高度则小于库仑解,且基坑越窄,墙土摩擦角越大,其差别越大。     

考虑土拱效应的滑移面间非极限状态土压力解答

深部岩土工程领域面临的井筒、巷道以及硐室等埋深较深结构物,其上方的土体大多处于非极限状态。现有理论很少关注非极限状态的土压力计算,基于此建立了考虑土拱效应的滑移面间非极限状态土压力计算模型。基于主应力旋转理论和简化的抛物线型滑移面,推导了滑移面上的侧向土压力系数;基于大主应力拱假设,采用极限平衡法建立了滑移面间土体中平均竖向应力的微分方程,并给出了解析解答;进一步,采用文中方法和经典理论解答分析了极限状态时滑移面间的土压力并与物理模型试验结果进行了对比,验证了方法的正确性;最后,进行了滑移面间非极限状态土压力算例分析,结果表明,建立的土压力解答能够较好地反映土体内部土拱演化过程中结构物上方及土体内部滑移面间的土压力状态及其与滑移面之间的演化关系。     

浅层顶管施工引起的土体移动

顶管施工引起包括地面沉降和土地向在内的土地的运动，土的这些运动呆能导致近构筑物和管线的损害。理论分析和现场实测都显示，在类似于上海等地的软土地层中顶管施工，顶管周围土的运动问题是三维的。基于半解析数值方法的基本原理，将轴向离散而在径向和环向选取位移函数，构造了解析解函数。给出了包括位移函数，刚度矩阵和荷载矩阵在内的理论分析过程，从而建立了半解析单元法。利用半解析单元法将顶管施工中三维土运动问题转化成一维数值计算。利用所建立的半解析单元法，就软土地层中顶管工程实例计算了施工所引起的土体位移。结果表明，半解析元法用于计算顶管施工中顶管周围土的移动，可以得到较为满意的结果。由于计算所需要的单元减少，处理该问题所需要的时间也明显减少。根据分析与计算结果还得到了一些有价值的结论。     

基于朗肯土压力理论的有限土体土压力计算探究

在一般土力学及挡土墙研究中,计算土压力的方法往往是传统的朗肯土压力理论和库仑土压力理论,其都是建立在半无限土体假定基础上的.由于城市用地紧张,建筑物与支护结构的距离常常比较小,支护结构的作用越来越复杂.城市开发建设过程中,不仅要保证自身的稳定性、经济性,还要保证临近建筑物和设施的安全.对四种有限土体土压力计算方法进行推导探究,分析对比得到在同等条件下,利用极限平衡受力分析法所得到的有限土体土压力值较小,更具经济效益,而在不同的地层和墙间距情况下不同的算法有不同的特点,充分考虑特殊条件下的土压力计算方法,可以使施工设计方案更优化.     

爆炸荷载作用下深埋圆形隧洞的饱和黏弹性土-衬砌系统动力响应

假定土骨架服从标准线性固体黏弹性本构关系,研究了深埋圆形隧洞的饱和黏弹性土-弹性衬砌耦合系统在轴对称爆炸作用下的瞬态动力响应。首先,基于饱和土的Biot模型和衬砌的弹性理论,通过引入势函数和Laplace变换,利用弹性衬砌和饱和黏弹性土界面处的连续性条件以及边界条件,得到饱和黏弹性土体和弹性衬砌位移、应力和孔隙水压力等在Laplace变换域中的解析解。其次,利用Laplace数值Crump逆变换得到耦合系统在时间域的动力响应,数值分析了不同土体模型下土体-衬砌耦合系统的径向位移和环向应力以及土体孔隙水压力等。结果表明：对不同土体模型的土体-衬砌耦合系统,其在爆炸载荷作用下的动力响应性态基本一致,但动力响应的振动周期和幅值等具有明显的差异。同时,对于饱和黏弹性土-弹性衬砌系统,土体黏性参数对土体径向位移和孔隙水压力有明显的影响,但对土体环向应力影响较小。     

水位骤降时的非饱和坝坡稳定分析

从非饱和土抗剪强度理论出发,应用极限平衡法和以有限元应力计算为基础的极限平衡法,分别对库水位骤降时的坝坡稳定进行了计算。分析中采用非饱和-非稳定渗流理论,模拟了孔隙水压力的消散过程,并考虑基质吸力对土体抗剪强度的影响,将每个渗流分析结果调入稳定分析模块计算其稳定性。最后将两类极限平衡法稳定分析结果进行了比较,结果表明,库水位的骤降,易引起坝坡的滑动,随着超静孔隙水压力的消散,坝坡稳定性逐渐提高;随着孔压消散,基质吸力对抗剪强度的贡献增大。     

基于变固结系数的静压桩周土体力学特性研究

以静压沉桩后桩周土体的应力状态为初始条件,根据桩周土体孔隙比、渗透系数和有效应力之间的相关性,在考虑固结系数随固结时间变化的条件下改进了轴对称条件下的太沙基固结控制方程。随后,采用分离变量法和离散化分析推导得出了桩周超孔隙水压力消散的半解析半数值解,并将解答与实测数据进行对比验证。在此基础上,采用空间滑动面理论改进的修正剑桥模型（SMP-MCC）定义土体三维不排水抗剪强度,研究了静压桩周土体强度、剪切模量随固结时间的变化规律。研究结果表明：由于解答考虑了固结系数随固结时间的变化,因而与实测结果吻合良好;土体压缩指数与渗透指数之比对土体固结系数和孔压消散速率影响较大;当土体压缩指数与渗透指数之比为1时,土体固结系数保持不变,解答退化为经典的太沙基轴对称固结方程;土体强度和剪切模量随固结时间的增长而逐步增加,固结完成后其值超越了土体原位强度和原位剪切模量。     

Essential Findings in Pressuremeter Theories

The pressuremeter, used for in situ soil testing, has undergone significant development both in its technical applications and in the interpretation methods employed for a range of parameters. Several methods have been developed to evaluate the undrained strength of a soil using a pressuremeter. Test results based on these methods show distinctive discrepancies. Different methods for evaluating the limit pressure are also presented. The values of these limit pressure evaluations vary based on the evaluation method used. In any given test, the limit pressure results also affect the values deduced for undrained shear strength. The discrepancies in the undrained shear strength values exceeded 80 % for the same test when evaluations were made with different interpretation methods. Because of the large discrepancies in the results of the undrained shear strength when using different analysis methods, the Gibson and Anderson method is recommended as being most reliable in deducing undrained shear strength values from pressuremeter tests, particularly for use in the design of foundations.     

考虑涂抹区渗透系数变化的非饱和土砂井地基固结特性分析

在以往对非饱和土砂井地基固结理论研究中,均将涂抹区与非涂抹区土体渗透系数视为相等,这与实际工程并不相符。本文将考虑涂抹区土体渗透系数的变化,分析其对超孔隙气、水压力消散规律的影响。基于Fredlund一维固结理论以及Darcy定律和Fick定律,对有限厚度线弹性非饱和土砂井地基,在大面积均布瞬时荷载作用下,考虑涂抹区土体渗透系数的变化,利用Laplace变换并引入Bessel函数推导出Laplace变换下的解,再通过Crump方法编程实现Laplace逆变换得到超孔隙气压力、超孔隙水压力的半解析解。利用典型算例进行计算,分别得到在不同半径、不同涂抹区半径和不同涂抹程度的情况下,超孔隙气压力、超孔隙水压力随时间的变化规律。得出考虑涂抹作用时,超孔隙气、水压力的消散速度降低;涂抹区半径越大、涂抹程度越高速度越慢,反之消散越快。本研究丰富了非饱和土砂井固结理论,对非饱和土砂井固结特性的研究具有一定的工程参考价值。     

Coulomb土压力理论的两种解法

采用极限平衡变分法和Culmann分析方法,对土压力问题进行了研究。在极限平衡变分法中,以滑动体静力平衡的2个力的平衡方程为基础,引入Lagrange乘子,将以变分学观点来描述的主动土压力和被动土压力问题,转化为确定含有2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Euler方程,得出了主动土压力和被动土压力取极值时墙后土体沿平面滑动破坏的结论。在Culmann分析方法中,沿用了Coulomb土压力理论关于平面滑动破坏的假定,而在推导土压力计算公式的过程中,仅利用了滑动体沿某一特定方向的一个力的平衡方程。与目前通行的Coulomb土压力公式的证明过程相比,Culmann分析方法更为简洁。     

Limit Equilibrium Analyses for Internal Design of Geosynthetic Reinforced Slopes: Influence of Potential Failure Surface and Strength Distribution

The paper presents results from a computer code, based on limit equilibrium analyses, able to quantify earth pressure coefficients for the internal design of geosynthetic reinforced soil structures and identify the potential failure surfaces. Failure mechanisms assuming bilinear or logarithmic spiral failure surfaces are considered. The influence of the potential failure surface and geosynthetic strength distribution on the earth pressure coefficient is analysed. Required reinforcement tensile strengths calculated by the developed program are compared with values published in the literature. To further evaluate the capabilities of limit equilibrium analyses, the numerical modelling of a geosynthetic reinforced steep slope, designed at ultimate limit state conditions (FS = 1), is also presented. Good agreement was achieved between the potential failure surfaces predicted by limit equilibrium analyses and those obtained with numerical modelling.     

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。     

基于边界配点法浅埋隧道开挖引起 周围土体变形的分析

对于浅埋隧道施工引起土层位移的解析解,其边界条件的数学处理上比较困难,因此实际工程的应用中受到限制。为解决这一缺陷,基于弹性力学的Airy应力函数,将半无限平面内土体的应力及位移分布转化为解析函数。然后,采用边界配点的方法,控制地表处的应力边界条件( = 0, = 0)及隧道周边土体的位移边界条件( , )。最后,采用最小二乘法,确定土体应力及位移函数的各项系数,求得浅埋隧道在周边土体产生径向位移的作用下,地表及深层土体位移的半数值半解析解。算例分析表明,该方法可以考虑任意荷载及位移作用的边界条件,能够充分发挥解析法和数值法两者的优点,且计算结果与实测结果较吻合,在预测地表及深层土层位移中具有一定的实用价值,可为进一步采取工程措施控制地层变形提供理论依据。     

考虑基质吸力作用的土坡稳定性分析

非饱和土基质吸力的有效应力作用,使得土体的抗剪强度得以提高。基于Fredlund的非饱和土抗剪强度理论,在土坡极限平衡分析方法中,同时考虑分条的土条底面与条间的基质吸力分布对土体抗剪强度的贡献,进而构筑考虑基质吸力作用的土坡极限平衡分析方法。构筑基于极限平衡分析方法的目标函数,应用SLP优化方法寻求最危险滑动面。用具体计算实例说明这种分析思路可以评价土坡的稳定性评价的影响。