非极限状态非饱和土主动土压力试验及理论分析

目前土压力研究大都以极限状态下的土体为研究对象,且假定土体处于饱和或干燥状态,未考虑墙体位移与土体非饱和特性对土压力的影响,在实际工程的应用中有局限性。鉴于此,开展主动平动模式下墙后不同含水量砂土的刚性挡墙土压力室内模型试验,并采用渗压计和土压力盒分别量测不同深度处土中的基质吸力和土压力,以及利用DIC图像关联技术观察不同挡墙位移时的土体位移情况。试验结果表明,当墙后土体处于非极限状态时,土体破坏面始终通过墙踵,且其形态接近于平面;其次,在此基础上,结合非极限状态下墙土摩擦强度发挥特性和非饱和土强度准则,提出位移相关的非饱和土强度模型,并建立非极限状态下非饱和土主动土压力计算模型,以及与室内试验结果对比验证了该模型的合理性;最后,针对提出的计算方法探讨了墙体位移和土体基质吸力对主动土压力的影响。参数分析结果表明,非饱和土主动土压力随挡墙位移量的增大而逐渐减小,而随着基质吸力的增大呈现先减小再增加的趋势,且存在一极小土压力值,朗肯土压力值和Fredlund扩展朗肯土压力值分别为该模型在饱和与非饱和情况下位移达到极限状态时的特殊值。     

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。     

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。     

平移模式下挡墙塑性临界深度极限分析

土压力的分布及大小与挡墙的位移模式密切相关。挡墙后的填土处于主动土压力状态时,塑性临界深度是设计时需要考虑的问题。应用极限分析上限原理,将弹性覆盖层以下且与挡墙相邻的三角形土体微元作为研究对象。推导了外力功率和内能耗散功率,得到了挡墙在平移模式下塑性临界深度的计算公式,推导过程中考虑了挡墙位移方向效应。研究结果表明:朗肯等理论计算结果是推荐方法的一个特例。塑性临界深度随挡墙位移方向与水平面之间夹角、墙-土界面黏聚力和摩擦角以及填土黏聚力和内摩擦角的增大而增大。但当挡墙位移方向水平时,塑性临界深度与墙-土界面摩擦角无关。     

基于主应力迹线分层的有限土体土压力计算

为了研究挡墙后有限土体的主动土压力,以墙后无黏性土体为研究对象,假定破裂面为通过墙踵的平面,且在挡墙平动模式下,墙后土体形成圆弧形小主应力拱。采用沿小主应力迹线分层的方法,将挡墙后土体划分为若干个圆弧形曲线薄层单元,考虑了单元体上下表面应力分布的不均匀性,提出了一种有限土体挡墙主动土压力计算方法,给出了主动土压力合力及其作用点高度的表达式,并验证了该方法的正确性。研究结果表明：采用曲线薄层单元法可以准确考虑单元体复杂的受力情况,能更好地反映挡墙后有限土体主动土压力的变化规律;有限填土时主动土压力沿墙高 呈非线性分布,土压力先随着土体深度增加呈单调递增趋势,然后在接近墙底位置处呈单调递减趋势。分析参数敏感性时取不同土体宽高比与墙背粗糙程度对挡墙主动土压力分布及合力作用点高度进行分析,结果表明：随着土体宽高比n的增大,主动土压力值逐渐增大,土压力分布曲线非线性越来越明显,合力作用点高度逐渐降低且恒大于 。当 0.71时,均趋于稳定。可将 0.71作为有限土体与半无限土体的临界宽高比。随着摩擦角 的增大,主动土压力值逐渐减小,土压力分布曲线非线性越来越明显,合力作用点高度逐渐增大且恒大于 。     

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。     

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     

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。     

一种考虑挡土墙变形的深基坑非线性土压力方法

基于深基坑墙后主动区土体应变状态模式的假定,采用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,建立考虑挡土墙变形的非线性土压力的计算公式;就该公式的特点、参数的物理意义及其确定进行讨论;并对一简单算例进行计算,计算结果能反映土压力与挡墙位移的非线性关系以及土压力沿深度的非线性分布,得到墙后主动区土体达到主动极限状态所需的位移与深度的关系,计算结果比较满意.表明所建立的方法的合理性、可行性和适用性.     

曲线滑裂面下有限宽度填土主动土压力计算

开展了刚性挡墙平动变位模式情况下墙后有限宽度土体破坏试验。试验结果表明,在墙后填土宽度较小情况下,土体破坏面为通过墙踵及某一固定点的曲面,由此基于变分极限平衡法,导得滑裂面曲线的具体方程式为对数螺旋曲线。在此基础上,结合薄层单元法,得到了墙后有限宽度土体的主动土压力合力及土压力强度的分布。与室内观测结果及库仑土压力值的对比表明,该方法相比经典土压力方法更接近于实测值。分析了不同填土宽高比n下的主动土压力分布规律,结果表明,主动土压力随n增加而逐渐增加,但n达到0.55时趋于稳定,因此,该值可作为墙后土体有限宽度的界限值。     

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。     

改进的主动土压力计算方法

墙背土压力分布与挡土墙的位移大小和转动模式密切相关。针对绕墙底向外转动的刚性挡土墙,基于土压力形成机制的分析及已有的研究成果,建立挡土墙位移与墙背土体内摩擦角发挥值之间的关系式,反映了墙背土体内摩擦角随着挡土墙位移的增加而渐进发挥的过程。在此基础上,提出一种改进的考虑位移影响的主动土压力计算方法。计算结果表明,随着挡土墙位移的增大,墙背土压力由静止土压力逐步减小。当挡土墙位移达到临界值后,相应的墙背土压力均收敛于库仑主动土压力。墙底背面土压力也是随着挡土墙位移的增长而逐步收敛于库仑主动土压力。与模型试验结果对比表明,理论计算值与试验实测值基本吻合。     

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。     

考虑抗拉强度的黏性填土挡土墙主动土压力计算

挡土墙后黏性土处于主动土压力状态时,墙顶一定深度范围内会产生裂缝,使其较大范围形成零压力区即开裂深度,关于开裂深度问题一直没有得到很好解决。针对变分法求解黏性填土主动土压力中未考虑裂缝的情况,通过一个算例说明了黏性填土表面在主动土压力状态下会产生裂缝。采用折线简化摩尔?库仑强度包络线,利用实际的土体抗拉强度推导了墙背土体开裂深度的计算公式。根据滑裂面上端点的应力边界状态和几何边界条件,对土压力变分计算方法进行了改进,使主动土压力的不确定问题变成了确定性问题。分析了填土内摩擦角、黏聚力、抗拉强度对开裂深度的影响,结果表明,随着内摩擦角和内聚力的增大,土体开裂深度逐渐增加,滑裂面向墙背方法偏移,土压力减小;随着土体抗拉强度的增加,开裂深度逐渐减小,土压力减小,当抗拉强度大到足以抵抗土体的开裂破坏,墙后土体开裂深度为0,这时土压力不再受抗拉强度的影响。     

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。     

考虑剪应力作用的挡土墙主动土压力计算

将墙后土体主应力偏转考虑为土体的土拱效应,根据土拱形状计算平均竖直应力,由此得到了对应不同内摩擦角和墙土摩擦角的侧土压力系数。将其用于水平微分单元法,并满足力和力矩平衡条件求解挡土墙主动土压力,得到了挡土墙主动土压力强度、土压力合力和合力作用点的理论公式,并与库仑土压力理论和模型试验数据进行了比较分析。结果表明,挡土墙主动土压力强度为非线性分布,与模型试验结果基本吻合。     

砂土地层中考虑基坑施工效应的柔性挡墙主动土压力研究

以基坑施工过程中柔性挡墙墙后主动土压力为研究对象,假定柔性围护结构最大变形位于开挖面处,墙后滑面为通过墙趾的平面,推导出考虑基坑开挖及支护的墙后滑面倾角一般表达式。采用水平层析法,研究墙体内凸型变形时的主动土压力分布、主动土压力合力及其作用点。研究表明,理论结果与实测结果规律一致,大小相近;随着基坑开挖深度的增加,滑面倾角减小,基坑开挖对周边环境的影响范围增大,土压力合力增大,对合力作用点位置的影响较小;当基坑开挖深度减小时土体内摩擦角和墙土间摩擦角增大时主动土压力非线性分布更加明显,主动土压力合力减小,合力作用点距墙趾的距离增大。