基于颗粒抗转动模型的刚性挡墙被动土压力临界状态离散元分析

简要介绍了颗粒抗转动模型,并将其引入离散元程序中,通过建立挡墙地基模型和合理选取模型参数,分别考虑了地基填土不同密实度和挡墙不同位移模式（被动T模式、RB模式、RT模式）情况下,刚性挡墙被动土压力随挡墙位移增长发展到达临界状态时,土压力系数 随位移发展的变化规律及墙后填土剪切带的形成规律,并与其他学者的研究成果进行对比分析。研究结果表明,土压力系数 随着挡墙位移增长的变化规律与填土的孔隙比（或相对密实度）和挡墙的位移模式紧密相关。随着孔隙比的减小或相对密实度的增大,土压力系数 会逐渐由位移硬化特性过渡为位移软化特性。尽管中密试样在双轴压缩试验中呈现出应变软化特性,而中密样的土压力系数 随着挡墙平动位移的增长可能呈现出位移软化特性,也可能呈现位移硬化特性。随着刚性挡墙向墙后土体推移,试样中的剪应变随之增大,并会在墙后形成应变局部化,即剪切带的出现。与室内试验剪应变云图相似,离散元较好地模拟了土压力临界状态时剪切带分布规律。同时,墙后土体表面不再是光滑的平面,而是逐渐隆起的凹凸面;随着挡墙位移增长,土体表面隆起量越来越大,直至土体破坏。     

基于平面应变统一强度公式的结构性黄土填料挡墙地震被动土压力研究

基于结构性黄土不同含水率方形试样的三轴剪切试验,研究了非饱和黄土的残余强度效应和构度与强度参数的关系,引入两种效应修正了平面应变统一强度公式,分析了地震荷载作用下墙后土应力摩尔圆的变化规律,采用水平层分析法,建立了综合考虑中主应力、土结构性、残余强度的黄土填料被动动土压力公式。研究表明:平面应变统一强度公式计算得到的峰值或残余黏聚力和摩擦角随统一强度参数b值增大而增大,结构性对黏聚力的增幅较大,而对摩擦角影响则不明显;结构性黄土的地震被动土压力系数随b值、构度指标的增大而增大,而随水平地震系数的增大而减小;结构性较大时残余强度计算的地震被动土压力系数较峰值强度大,结构性较小时,两者计算结果接近。     

挡土墙发生位移情况下的土压力计算

挡土墙在发生变形位移情况下的土压力计算在工程设计中有着重要的意义,而目前的理论不能对这一情况进行分析计算。在分析土压力随墙体位移变化而变化的规律的基础上,建立了能反映主动土压力和被动土压力的统一的考虑墙体位移的模型,并进行了研究分析,深化了对挡墙土压力的认识。     

基于平面应变统一强度公式的结构性黄土填料挡墙地震被动土压力研究

基于结构性黄土不同含水量方形试样的三轴剪切试验,研究了非饱和黄土的残余强度效应和构度与强度参数的关系,引入两种效应修正了平面应变统一强度公式,分析了地震荷载作用下墙后土应力莫尔圆的变化规律,采用水平层分析法,建立了综合考虑中主应力、土结构性、残余强度的黄土填料被动动土压力公式。研究表明:平面应变统一强度公式计算得到的峰值或残余粘聚力和摩擦角随统一强度参数b值增大而增大,结构性对粘聚力的增幅较大,而对摩擦角影响则不明显;结构性黄土的地震被动土压力系数随b值、构度指标的增大而增大,而随水平地震系数的增大而减小;结构性较大时残余强度计算的地震被动土压力系数较峰值强度大,结构性较小时,两者计算结果接近。     

基于平面应变统一强度公式的结构性黄土填料挡墙地震被动土压力研究

基于结构性黄土不同含水量方形试样的三轴剪切试验,研究了非饱和黄土的残余强度效应和构度与强度参数的关系,引入两种效应修正了平面应变统一强度公式,分析了地震荷载作用下墙后土应力莫尔圆的变化规律,采用水平层分析法,建立了综合考虑中主应力、土结构性、残余强度的黄土填料被动动土压力公式。研究表明:平面应变统一强度公式计算得到的峰值或残余粘聚力和摩擦角随统一强度参数b值增大而增大,结构性对粘聚力的增幅较大,而对摩擦角影响则不明显;结构性黄土的地震被动土压力系数随b值、构度指标的增大而增大,而随水平地震系数的增大而减小;结构性较大时残余强度计算的地震被动土压力系数较峰值强度大,结构性较小时,两者计算结果接近。     

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。     

考虑位移的土压力计算方法

在分析主动土压力、被动土压力和静止土压力与位移的关系的基础上,根据朗肯土压力理论,提出了考虑位移的土压力计算方法。用该方法描述的土压力随位移的变化规律与有限元法计算结果具有很好的可比性。     

考虑挡墙位移非线性影响的土压力计算模型

针对传统土压力理论不能考虑挡墙位移对土压力计算影响的事实,建立了一个能考虑挡墙位移非线性影响的土压力计算模型,并讨论了模型中参数的影响和计算方法。离心模型试验表明,应用提出的模型的计算成果与试验实测值符合,该模型能较准确地考虑挡墙位移对土压力的非线性影响,从而为基坑开挖中的土压力计算提供了一种新的计算方法。     

挡墙前有限斜坡土体被动土压力研究

为探究挡墙前存在斜坡临空面条件下土体破坏与侧土压力特征,采用强度折减法研究了不同临坡距与嵌入深度下的挡墙前侧有限斜坡土体的破坏特征,并用水平层分析法与静力平衡法,推导了一种考虑斜坡坡度、临坡距及临空斜坡内土体层间剪切力的被动土压力理论计算公式。通过与室内试验、数值模型及其他计算理论对比,建议方法同模型试验、数值解及其他理论计算结果基本吻合,证明了建议方法对计算有限斜坡条件下被动土压力的有效性,最后分析了斜坡坡度、临坡距对被动土压力与临空斜坡土层中层间剪力的影响。研究表明:平动模式下的有限斜坡土体破坏面主要沿墙底与斜坡坡脚附近破坏,这与半无限空间条件的破坏特征明显不同;斜坡条件下的被动土压力随深度呈指数增加规律,且随临坡距减小与坡度增大,被动土压力均出现了一定程度的减小,其中临坡距为0时,被动土压力相比半无限空间条件时降低幅度达到30% ~50%;平动模式下的临空斜坡土体中的层间剪切系数为0.07~0.1;当墙背光滑且临坡距足够大时,建议方法可简化为理想条件的朗肯被动土压力公式。     

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。     

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。     

离心模型挡土墙试验设备的研制

土压力问题是土力学和岩土工程领域的基本研究课题。土压力离心模型试验是验证土压力计算方法和研究土压力形成物理机制的有力工具。笔者研制开发的土压力离心模型试验设备,可用于刚性挡墙的静止土压力和平动模式下主动侧土压力的研究。该设备采用电机作为驱动系统,使得挡墙能够缓慢均匀地位移;配备有控制挡墙位移的自动控制系统,使得挡墙在离心加速度增大的过程能够保持静止状态。针对填土面水平、墙后填土为砂土的情况进行了离心模型试验,测量了墙背土压力及填土位移场随挡墙位移量的变化。试验结果规律好,验证了设备的有效性。     

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。     

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.     

格形地连墙与软土相互作用的离心试验研究

格形地下连续墙（GCRW）是一种常用于软土地区的基坑开挖的新型支护结构,该结构与软土的相互作用是必须深入研究的关键问题。结合背景工程,首先进行了格形地连墙模型的设计和试验方案的制定,通过离心模型试验模拟了分步开挖基坑时格形地连墙和软土的相互作用,并把测定结果与朗肯土压力进行了比较。试验结果表明,土压力基本上呈现线性变化特征,格形地连墙因基坑开挖引起的前墙内侧土压力而产生变形和位移;格形地连墙和格子内的土体作为一个整体在土压力的作用下保持平衡,受力特征与重力式支护结构相似。支护结构处于最不利状态时,主动区土压力介于朗肯静止土压力和主动土压力之间,而被动区土压力大于朗肯被动土压力,前墙没有倾覆是因为受到了隔墙拉力     

RT模式下地震非极限主动土压力的拟动力分析

为考虑挡墙位移效应对地震土压力的影响,依据前人试验研究的结论,将摩擦角表示为与挡墙位移量和位置高度相关的函数,然后基于拟动力法和水平层分析法,推导得出RT位移模式下的地震非极限主动土压力和合力作用点的计算表达式。计算模型可描述摩擦角沿着墙高逐渐发展的不同非极限位移状态工况,并建立了挡墙位移、地震动荷载和土压力之间的相互联系。参数分析讨论了振动时间、挡土墙位移状态、地震加速度参数和土体摩擦角对地震主动土压力分布、合力大小以及合力作用点高度的影响。相比于传统的极限状态地震土压力理论,所提方法更合理地描述了地震土压力随挡墙位移的发展过程,对发展非极限土压力理论和改进边坡工程中的抗震计算方法具有一定的参考意义。     

Passive earth pressure of overconsolidated collapsible soil subjected to inundation

ABSTRACT

Backfills behind retaining walls are often made of collapsible soils, which are subjected to wetting by surface running water or by rising the groundwater table. Collapsible soil shows considerable strength when it is dry or at a relatively low degree of saturation and experiences excessive and sudden settlement when it is inundated. This paper presents an experimental investigation on walls retaining overconsolidated collapsible soil subjected to passive earth pressure. A prototype model of a vertical wall, retaining horizontal backfill was developed. Collapsible soil was prepared in the laboratory by mixing kaolin clay with fine sand. The model was instrumented to measure the total passive earth force on the wall, the passive earth pressure at strategic locations on the wall, and the overconsolidation ratio of the soil in the testing tank. The state of passive pressure was developed by pushing the wall horizontally toward the backfill without any rotation. Tests were conducted on walls retaining overconsolidated collapsible soil at the dry and at full saturation conditions. Results showed that for the dry state, the passive earth pressure increases with the increase of the collapse potential and overconsolidation ratio, and was significantly dropped at full saturation.