挡土结构上的土压力和水压力

总结和分析了在静水压力、稳定渗流和超静水压力作用下,挡土结构上水土压力的计算方法,通过实例说明了水土分算与水土合算结果的差异及考虑水的渗流作用和超静孔压力作用对挡土结构上总压力计算的影响,并强调应进行控制挡土结构稳定的临界状态分析。     

一般条件下主动土压力的变分求解

基于库仑土压力理论的假设,主动土压力是由墙后填土在极限平衡状态下出现的滑动体产生,从墙后滑动体整体静力平衡方程出发,推导出坡面起伏且有不均匀超载、倾斜墙背、黏性填土等一般情况下的主动土压力泛函极值的等周模型。在该基础上,引入拉格朗日乘子,将主动土压力问题转化为确定含有两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的欧拉方程,得到了线性的滑面函数和沿滑面线性分布的法向应力函数。结合边界条件和横截条件,主动土压力泛函极值问题进一步转化为单个未知量的一维方程问题。通过算例,土压力计算结果与库仑土压力理论解完全一致,但土压力作用点在墙体的相对位置却并非总是作用在墙高的1/3 处。通过算例进一步表明,坡面的起伏和坡面超载的不均匀性对主动土压力大小和作用点位置有显著的影响。     

稳定渗流条件下挡土结构水、土压力分布探讨

在暴雨造成地下水位比较浅的情况下,由于墙前后水头差引起的渗流常常使挡土结构发生破坏。本文选取了稳定渗流条件下,分别采用土-水整体作为隔离体以及土骨架作为隔离体进行分析,归纳总结了不同水位以及不同类型的土体土、水压力计算,进而探讨挡土结构两侧土、水压力分布规律。当墙前后以及基底土为均质的粘性土时,对于板桩等悬臂式挡土结构,由于底部宽度远小于长度,故可将底部段造成的水头损失忽略。此时,当水头差足够大,渗流作用造成土体发生流土时,板桩一侧向上渗流范围内对挡土结构无被动土压力,另一侧向下渗流范围内对挡土结构的主动土压力增大为静水工况时主动土压力的2倍。当墙前地下水位平基底,基底为透水地基,墙后为均质粘性土时,挡土构件侧面、底部所受的水压力均为0。     

支挡结构上的水土压力特性试验研究

针对当前水土压力计算中很少考虑土自身性质对其影响的研究现状,以自制试验槽为研究工具,通过使用3种不同渗透性土样进行的支挡结构上水土压力测试研究,对比了水土压力实测值和由水土压力分算、水土压力合算得到的理论计算值,分析了孔隙水压力和土压力的变化规律。由试验结果可以得到,由水土压力合算得到结果偏小,但在一定条件下尚可以接受,在发生主动位移情况下墙后土体会产生负超孔压,渗透系数影响着负超孔压的消散和孔隙水压力的传递程度,并进一步影响支挡结构上水土压力的分布情况。由试验结果推知,当土体渗透系数小到一定程度时,水土压力合算的方法是合理的。     

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。     

柔性支护结构主动土压力的变分计算方法研究

从基坑柔性支护结构后的滑动土楔体的整体静力平衡方程出发,推导了考虑作用点位置的主动土压力泛函极值等周模型。在此基础上引入拉格朗日乘子,将主动土压力问题转化为确定含有两个函数自变量的泛函极值问题。对于一般黏性土,依据泛函取极值时必须满足的欧拉方程,得到了对数螺旋线的滑裂面函数和沿滑裂面分布的法向应力函数。结合边界条件和横截条件,主动土压力泛函极值问题进一步转化为以两个拉格朗日常数为未知量的函数优化问题。同时,讨论了滑裂面为平面和圆弧面两种特殊情况。通过算例表明,对于一般土体,在作用点位置系数下限处,主动土压力最小,滑裂面为平面;随着作用点位置的上移,主动土压力呈非线性增长,相应滑裂面为对数螺旋面。对于砂性土,位置系数上限值随内摩擦角的增大而增大,其相应的土压力值也随之增加。对于软黏土,滑裂面为圆弧面,随着作用点位置的上移,主动土压力呈非线性下降,滑裂面背离基坑方向移动。     

超大直径土压平衡盾构土舱压力和开挖面水土压力分布特性研究

土压平衡盾构土舱压力的设定对于控制盾构掘进对周围环境影响意义重大。结合某超大直径隧道工程,在土舱隔板和盾构掘进断面上埋设水、土压力计,对土压平衡盾构土舱内和开挖面上的水、土压力的分布和变化情况进行研究。监测结果揭示了土压平衡盾构掘进过程中土舱压力和开挖面水、土压力分布和发展特性。结合盾构施工参数进行研究,发现土舱压力增量可以通过螺旋机转速、盾构掘进速度等施工参数计算得到。开挖面上水、土压力无法完全传递至土舱隔板,土舱压力增量约为开挖面总应力增量的76.3%。研究成果为超大直径土压平衡盾构的土舱压力设定提供了有价值的参考。     

渗流条件下基坑水-土压力不同计算方法的比较

地下水渗流一直是基坑工程研究中的难点和热点。近年来,一些学者基于自己的研究成果分别提出了渗流条件下基坑水-土压力的计算方法（统称传统方法）。另外,岩土有限元软件PLAXIS则通过渗流-应变耦合来计算渗流条件下的水-土压力。结合工程算例,比较了当前基坑工程中传统水-土压力计算方法与PLAXIS程序的计算结果,发现由于部分计算假定与实际情况不符,导致传统水-土压力计算方法存在一定误差;提出了传统水-土压力计算方法的适用条件,并指出真实的水力条件下,PLAXIS程序考虑渗流-应变耦合得到的水-土压力计算结果是合理可信的。     

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。     

均布荷载作用下挡土墙后粘性填土的土压力计算

基于极限分析下限定理,导出了均布荷载作用下倾斜坡面挡土墙后粘性填土的侧向土压力的解析解,并通过具体数值计算以图表的形式给出了填土摩擦角、无量纲粘结力cγz、无量纲荷载强度qγz及填土表面倾角α等参数不同组合情况下的综合主动和被动土压力系数值,可供工程实践直接采用。在此基础上,就各参数对综合主动和被动土压力系数的影响进行了有意义的探讨     

Study on the action of the active earth pressure by variational limit equilibrium method

Within the framework of limiting equilibrium approach, the problem of active earth pressure on rigid retaining wall is formulated in terms of the calculus of variations by means of Lagrange multipliers. It is transcribed as the functional of extreme‐value problem by two undetermined function arguments, and is further transformed into determining the minimax solution of restrained functions incorporating the geometrical relations of the problem. The function of (fmincon) in the optimization toolbox of MATLAB 6.1 can be used to find the minimax solution. Computation results show there exist two kinds of modes of failure sliding along plane surface and rotating around log‐spiral cylinder surface when the soil behind the walls reaches the critical active state. The magnitude of active earth pressure in the case of translational mode is less than that in the case of rotational mode. The location of action point of earth pressure in the case of translational mode is at or below $\frac{1}{3}$ height of the wall, and in the case of rotational mode, is above $\frac{1}{3}$ height of the wall. Preliminary study indicates a pair of numbers by two theoretical modes can be regarded as an interval estimation of active pressure. Copyright © 2009 John Wiley & Sons, Ltd.     

黏性土填料下考虑土拱效应的挡土墙被动土压力计算

为解释挡土墙后填土被动土压力的非线性分布现象,在考虑土拱形状为圆弧,滑裂面采用朗肯滑裂面的基础上,给出考虑土拱效应的被动土压力系数Kawn,进而基于应力状态法及土楔形体静力平衡两种思想求解了竖向平均应力 公式,在该基础上,给出黏性土填料下的挡土墙被动土压力分布公式、合力公式及作用点高度计算公式。通过与试验与其他方法对比,文中提出的方法得到验证。最后,研究了黏性土填料下的挡土墙被动土压力变化规律,即考虑土拱效应求得的黏性土填料的被动土压力分布呈现上小下大的指数型分布。此外,随着δ/φ（δ为墙土摩擦角,φ为内摩擦角）的增大,土拱效应逐渐增强,土压力合力点逐渐降低。     

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。     

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。     

土工格栅加筋土挡墙试验研究

采用在墙面板背后安装土压力盒以及在土工格栅上安装柔性位移计的方法,对某高速公路加筋土挡墙水平土压力和土工格栅拉筋位移进行了系统测试。试验研究表明,施工期间土工格栅加筋土挡墙墙背土压力随填土高度的增加而增大,增长速率逐渐减小,其数值均小于理论计算结果,沿墙高分布形式与计算结果有较大差别;土工格栅拉筋在施工期应变变形较大,工后应变非常小,挡墙下部土工格栅拉筋端部应变随填土高度变化较大,在加筋体锚固区末端存在过渡区,其工程特性逐渐向非加筋体填土过渡。根据试验结果对土工格栅加筋土挡墙施工控制及关键技术提出了相关建议。     

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。