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。     

Numerical solution of active earth pressures on rigid retaining walls built near rock faces

For retaining walls built in mountainous regions, narrow backfill spaces are often encountered. The space to fully develop the active wedge is restricted for walls with a limited backfill space. This paper presents a numerical study on the behaviour of active earth pressures behind a rigid retaining wall with limited backfill space of various geometries. The active earth pressure for a wall built with limited backfill space is considerably less than that of the Coulomb solution, and the location of the resultant of active earth pressures is noticeably higher than one-third of the wall height. The coefficient of active earth pressures is as low as 0.5–0.6 times the Coulomb solution and the h/H value reaches up to 0.4–0.37 if aspect ratio of the fill space is in the range from 0.1 to 0.2. A clear trend between the ratio of the coefficient of active earth pressures at constrained fill conditions over the Coulomb K_a value and the aspect ratio of the fill-space geometry is obtained.     

台阶式加筋土挡墙的原型试验研究

对一座台阶式钢筋混凝土串联拉筋加筋土挡墙的筋带应力、土侧向压力、土竖向压力及挡墙变形进行了实测和分析, 所得结论可供设计类似支挡结构时参考。     

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。     

考虑分层填筑及地应力平衡的挡土墙数值仿真

针对重力式挡土墙墙后分层填土对墙身受力影响的问题,深入研究分析墙背土压力动态变化值及规律性,利用大型通用有限元分析软件ADINA,建立了平面应变单元及墙、土接触单元的有限元计算模型,并且综合考虑墙后回填土Mo-hr-Coulomb材料本构模型,初始地应力场平衡、墙后回填土分层碾压填筑,设置墙、土之间的接触受力进行有限元...     

考虑土拱效应的刚性挡墙主动土压力分析

以墙后填土为无黏性土的刚性挡土墙为研究对象,考虑墙后土体的土拱效应,修改了Shubhra Geol 抛物线形土拱表达式,推导了对应不同内摩擦角和墙-土摩擦角的挡土墙平动模式下的主动土压力系数。基于水平微分单元法,得到考虑土拱效应的主动土压力分布、合力大小和合力作用点高度的理论表达式,并与现有经典理论解及前人理论研究成果和模型试验数据进行对比分析,结果表明,主动土压力与墙-土接触面摩擦角、土体内摩擦角、土体重度和挡墙高度相关,土压力分布为非线性,与其他结果比较吻合,从而验证了该研究成果的正确性。     

Static and dynamic active earth pressure

Summary The dynamic active earth pressure on retaining structures due to seismic loading is commonly obtained by using the modified Coulomb's approach which is known as the Mononobe-Okabe method. This method has generally been used for cohesionless soils only. A general solution for the determination of total (i.e. static and dynamic) active earth force for a c- soil as backfill was developed by Prakash and Saran in 1966 based on the simplifying assumption that adhesion between the wall-soil interface is equal to the cohesion of the soil, that the surface of the backfill is horizontal, and that the effect of the vertical acceleration can be neglected. This note presents an improved method for calculating the static and dynamic active force behind a rigid retaining wall based on its geometry, inclination of the backfill, surcharge, strength parameters of the backfill, and the adhesion between the wall face and the soil. The effects of adhesion, inclination of backfill, and vertical components of seismic loading for a typical retaining wall are discussed.     

临近地下室外墙影响下的挡土墙空间土压力研究

目前关于临近地下室外墙影响的挡土墙空间土压力的计算理论的研究还比较少,原有的平面应变条件下的理论不能满足挡土墙的长高比B/H较小时的挡土墙土压力计算要求。通过将土拱效应原理引入顾慰慈[8]建立的空间土压力计算模型,建立了考虑土拱效应的临近地下室外墙影响的空间土压力计算模型,根据挡土墙和地下室外墙的间距与土体破裂面状态的关系将该模型分为3种情况,并将各模型划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个区域,通过在各个区域内取水平微分单元体,建立各微分单元体的水平和竖向静力平衡方程,推导出了各区相应的挡土墙空间主动土压力计算公式,该公式可以计算出墙背任意位置的主动土压力;并提出了空间土压力合力及其合力作用点的计算方法。通过算例计算可以直观地看出挡土墙后主动土压力的空间分布,由此可以看出,当空间效应存在时,考虑土拱效应的挡土墙主动土压力沿墙长的分布与平面应变条件时有很大的不同,此时挡土墙两端附近区域的主动土压力远小于平面应变条件下计算出的主动土压力,同时可以看出,考虑空间效应的挡土墙主动土压力合力作用点要比平面应变条件下的位置要高,挡土墙长高比B/H越小,空间效应对主动土压力沿墙长的分布和主动土压力合力作用点位置的影响越大。     

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。     

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 。     

基于薄层单元法主动土压力计算的复合遗传算法

作用于挡土墙侧土压力的计算一直沿用经典的土压力理论,其土压力分布沿墙高呈直线分布,但实践证明它们与实际情况不符。在已有研究成果的基础上,为提高计算精度,假定挡土墙后土体潜在滑裂面为由对数螺线面和平面组合而成,根据挡土墙后土体薄层单元的极限平衡条件推导出土压力的计算公式。由于土压力计算值与滑裂面的位置有关,为寻找潜在最危险滑裂面,在简单遗传算法中引入复合形搜索法得到一种高效的复合形遗传算法,并将其用于墙后填土潜在最危险滑裂面搜索和相应主动土压力计算。最后,对室内模型挡墙和现场实际挡墙后填土土压力进行了分析计算,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。     

Pseudo-Dynamic Active Response of Non-Vertical Retaining Wall Supporting c-Φ Backfill

Knowledge of seismic active earth pressure behind rigid retaining wall is very important. In this paper, the pseudo-dynamic approach, which considers the effect of both compression and shear wave propagation, is adopted to calculate the seismic active force supporting c-Φ backfill. Considering a planar rupture surface, the effect of wide range of parameters like inclination of retaining wall, wall friction and soil friction angle, shear wave and compression wave velocity, horizontal and vertical seismic coefficients are taken into account to evaluate the seismic active force. Results are presented in terms of seismic coefficients in tabular form and variation of pressure with depth.     

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.     

挡土墙主动土压力分布与侧压力系数

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、竖向力和力矩平衡条件,建立挡土墙上土压力强度的一阶微分方程式,给出了土侧压力系数、土压力强度、土压力合力和土压力合力作用点高度的理论公式,并分析了填土内摩擦角和墙背摩擦角对土侧压力系数、土压力强度、土压力合力、土压力合力作用点和墙底抗倾稳定性的影响。     

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。     

山区挡土墙土压力的现场试验研究

结合某山区高速公路多个挡土墙墙背水平土压力的监测数据,对挡土墙墙背的水平土压力时空分布规律进行了详细地研究。研究结果表明：施工期间,不同深度的土压力随着上部填土高度增加而增长的速度不同,愈是接近墙顶,其增加越快;施工期间实测水平土压力介于静止土压力和被动土压力之间,在墙身的3/4以下与静止土压力接近,在墙身的1/2以上与垂直土压力接近。刚施工完的挡土墙土压力为非线性分布,近似成双直线,实际土压力合力介于静止土压合力和垂直土压合力之间,更接近静止土压合力,其大小约为库伦主动土压力的2.5倍,为库伦被动土压力的0.3倍。土压力合力作用点在0.38倍墙高处。土压力随着时间而变化,在测量期间土压力变化规律为先减少后增加,总的趋势是不断增加,且随时间的变化量较大。     

考虑挡墙位移效应的被动侧土压力计算方法

挡土结构上土压力的计算是土力学和岩土工程领域的基本研究课题之一。实际工程中的土压力通常是介于主动土压力和被动土压力之间的某一值,墙后填土由于碾压具有较高的密实度。经典的朗肯和库仑土压力理论只能计算极限状态下的土压力,没有考虑挡墙的位移以及剪切过程中密砂的强度从峰值强度降低到残余强度这一强度变化特性对于土压力的影响。给出了考虑挡墙位移效应的被动侧土压力计算方法,该方法能够同时考虑剪切过程中密砂的强度从峰值强度降低为残余强度这一强度变化特性对被动土压力的影响。通过土压力模型试验结果对计算方法进行了初步验证,计算结果和试验结果吻合较好,表明了该方法的有效性。     

有限填土加筋土挡墙的稳定性及破坏模式分析

有限填土加筋土挡墙是短加筋土挡墙的一种特殊情况,其工作性状还没有被清晰地认识。文章在离心模型试验成果的基础上,采用FLAC软件建立有限填土加筋土挡墙的二维数值模型,讨论了加筋间距、加筋长度以及墙面与竖直平面的夹角对挡墙稳定性和破坏模式的影响。结果表明:（1）墙后有限填土情况下主动土压力约为库伦主动土压力的1/2~1/3;（2）在稳定地基工况下,挡墙均为复合破坏模式,滑动面呈折线型,在挡墙中下部,滑动面同时穿过了加筋区和填土区,从墙趾处滑出;在挡墙上部,滑动面基本沿着填土与稳定墙面的接触面向上发展;（3）潜在滑动面是自下向上逐渐形成的,体现为下部剪切、上部拉张的特征;（4）在墙后有限填土情况下,加筋长度减小到0.4H时,挡墙仍能保持稳定,加筋间距在控制挡墙稳定性方面具有重要作用。     

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。