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。     

基于三角形滑移面的地基松动土压力研究

由岩溶塌陷、隧道开挖等方面引起的土体变形往往会对基础建设和基础结构等造成不均匀沉降、地面塌陷及开裂等危害,确定土体结构顶部松动土压力的分布情况并准确地分析土体变形与土拱效应间关系显得尤为重要。为了揭示土体变形和沉降对结构顶部松动土压力的变化规律,进行了一系列不同H/B的活动门试验（H为地基高度,B为活动门宽度）。基于试验结果,提出以三角形作为力学模型分析不同滑移面时松动土压力的数学模型,考虑了滑移面角度与土体变形及主应力偏转三者之间的关系,分析了滑移面内任意水平微分土条的主应力偏转情况并建立受力平衡微分方程,根据不同滑移面形态下的边界条件求解松动土压力理论公式,与已有试验结果对比验证了理论公式的合理性。通过对滑移面角度、侧向土压力系数和内摩擦角等主要参数进行分析,结果表明：在较小相对位移下（1%～3%）土体应力迅速发生转移和重分布,初始滑移面角度略小于π/4+φ/2（φ为内摩擦角）,随着H/B增大土体应力比缓慢增长最终趋于稳定;地基内封闭三角形滑移面的松动土压力与相对位移及内摩擦角相关;内摩擦角的增加使得土拱效应得到充分发挥,加强了应力转移,降低了土拱应力比;内摩擦角的增大减小了水平向...     

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。     

考虑土拱效应的管棚合理间距计算方法

管棚作为隧道安全穿越不良地质地段的超前支护结构,依靠土拱效应发挥其支护作用,管棚间距与成拱效应密切相关。通过引入合理拱轴线,并考虑侧向土压力的影响,结合管棚间土拱破坏条件给出了管棚合理间距的计算方法,通过凤咀江隧道工程实例和离散元对比分析,验证了计算方法的合理性。进一步分析了管棚间距随管棚所处位置的变化规律以及管棚直径、土体参数等对管棚间距的影响规律。结果表明：当侧向土压力系数较小时,拱腰至边墙处管棚间距可适当调大;当侧向土压力系数较大时,拱顶至拱腰处管棚间距应适当减小。管棚间距随管棚直径和土体黏聚力的增加而线性增加,且与土体内摩擦角数呈正相关关系,随内摩擦角增大,对管棚间距的影响也越来越大。     

考虑土拱效应的管棚合理间距计算方法研究

管棚作为隧道安全穿越不良地质地段的超前支护结构,依靠土拱效应发挥其支护作用,管棚间距与成拱效应密切相关。通过引入合理拱轴线,并考虑侧向土压力的影响,结合管棚间土拱破坏条件给出了管棚合理间距的计算方法,通过凤咀江隧道工程实例和离散元对比分析验证了计算方法的合理性。进一步分析了管棚间距随管棚所处位置的变化规律以及管棚直径、土体参数等对管棚间距的影响规律。结果表明:在侧向土压力系数较小时,拱腰至边墙处管棚间距可适当调大,当侧向土压力系数较大时,拱顶至拱腰处管棚间距应适当减小;管棚间距随管棚直径和土体粘聚力的增加线性增加,且与土体内摩擦角数呈正相关关系,随内摩擦角增大,对管棚间距的影响也越来越大。     

考虑土拱效应的管棚合理间距计算方法研究

管棚作为隧道安全穿越不良地质地段的超前支护结构,依靠土拱效应发挥其支护作用,管棚间距与成拱效应密切相关。通过引入合理拱轴线,并考虑侧向土压力的影响,结合管棚间土拱破坏条件给出了管棚合理间距的计算方法,通过凤咀江隧道工程实例和离散元对比分析验证了计算方法的合理性。进一步分析了管棚间距随管棚所处位置的变化规律以及管棚直径、土体参数等对管棚间距的影响规律。结果表明:在侧向土压力系数较小时,拱腰至边墙处管棚间距可适当调大,当侧向土压力系数较大时,拱顶至拱腰处管棚间距应适当减小;管棚间距随管棚直径和土体粘聚力的增加线性增加,且与土体内摩擦角数呈正相关关系,随内摩擦角增大,对管棚间距的影响也越来越大。     

考虑松动区内应力分布形式的松动土压力研究

传统土拱效应理论是基于松动区内土体应力均匀分布这一基本假定建立的,然而由于松动区内部主应力轴偏转的影响,实际情况下松动区内部的土体应力分布往往是非均匀的。针对这一情况,在太沙基松动土压力分析模型的基础上,通过假定3种不同形状的大主应力轨迹线,考虑了松动区内应力分布形式对松动土压力的影响,对传统太沙基松动土压力公式进行了修正,并与离散元数值模拟结果进行了对比验证。研究结果表明：当土体达到极限平衡状态时,松动区内部竖向应力与水平向应力分别呈上凹式分布和上凸式分布,松动区中轴线上侧向土压力系数等于被动土压力系数;采用不同形状的大主应力轨迹线进行计算所得应力分布之间的差异在10%以内,且均与离散元数值模拟结果吻合良好,从而验证了修正解的有效性。为计算方便起见,推荐相关工程中采用圆弧形大主应力轨迹线假定进行计算。     

黄河冲积层静止土压力系数原位测定与分析

静止土压力系数K0与其他物理力学性质相互制约,变化特征复杂,加之试验条件、理论假设条件不同,表达形式多样,结果迥异。依托济南地铁工程勘察,采用原位土体水平压力测定仪（KSB）对济南西北部黄河厚冲积层现场测试,将测试结果与原位旁压试验、室内侧压力仪K0试验结果,以及考虑黏性土内摩擦角、塑性指数的K0计算公式进行对比,分析表明：KSB测试结果以指数形式插值推算原位静止土压力系数更优;20 m深度范围内黄河冲积层黏性土可近似为正常固结饱和状态,K0介于0.4～0.7之间并随埋深减小,而Jaky公式计算值偏高,室内土工试验K0值偏低;以固结快剪内摩擦角 或等效内摩擦角 修正Jaky公式的计算结果更接近KSB实测值。     

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。     

平移模式下刚性挡土墙三维被动滑裂面的确定与土压力计算方法研究

挡土墙后三维被动滑裂面的空间形态难以确定。基于数值模拟,取墙-土接触面摩擦角比值δ/?=0(δ为墙-土接触面摩擦角,?为土体内摩擦角),采用薄板光顺样条函数搜索出不同土体内摩擦角下挡土墙端部三维滑裂面,类比地基承载力破坏对不同土体内摩擦角下挡土墙端部三维滑裂面进行函数方程的拟合,拟合效果较好,并归纳总结挡土墙端部三维滑裂面方程。在刚性挡土墙平移模式、墙背直立、填土水平且为无黏性土、δ/?=0等条件下,基于挡土墙端部三维滑裂面方程,求出三维滑裂面的体积。通过力学分析推导了一种三维被动土压力计算方法,并对该方法进行了验证分析。分析结果表明:相较于Soubra被动土压力系数,计算方法得出的三维土压力系数更加接近数值模拟被动土压力系数。三维计算被动土压力系数和朗肯被动土压力系数在挡土墙长深比小于4的时候有明显的差异。随着挡土墙的长深比的增大和土体内摩擦角的减小,三维计算被动土压力系数趋向朗肯被动土压力系数,三维计算被动土压力合力作用点的位置趋向朗肯被动土压力合力作用点位置。     

Reliability of passive earth pressure

Passive earth pressure calculations in geotechnical analysis are usually performed with the aid of the Rankine or Coulomb theories of earth pressure based on uniform soil properties. These traditional earth pressure theories assume that the soil is uniform. The fact that soils are spatially variable leads to two potential problems in design: do sampled soil properties adequately reflect the effective properties of the entire soil mass and does spatial variability in soil properties lead to passive earth pressures that are significantly different from those predicted using traditional theories? This paper combines non-linear finite element analysis with random field simulation to investigate these two questions. The specific case investigated is a two-dimensional frictionless passive wall with a cohesionless drained soil mass. The wall is designed against sliding using Rankine's earth pressure theory. The unit weight is assumed to be constant throughout the soil mass and the design friction angle is obtained by sampling the simulated random soil field. For a single sample, the friction angle is used as an effective soil property in the Rankine model. For two samples, an average of the sampled friction angles is used. Failure is defined as occurring when the Rankine predicted passive resistance acting on the wall, modified by a factor of safety, is greater than that computed by the random finite element method. Using Monte Carlo simulation, the probability of failure of the traditional design approach is assessed as a function of the factor of safety using and the spatial variability of the soil.     

矩形沟埋涵洞顶部垂直土压力试验和理论研究

针对无黏性填土,通过模型试验和理论分析的方法研究矩形沟埋刚性涵洞顶部的垂直土压力。考虑胸腔土体的作用,建立了沟埋涵洞土压力的计算模型和计算公式,结果表明,计算值与试验值相吻合。沟槽宽度等于涵洞外径时,洞顶土压力系数随填土高度的增大呈单调减小的变化规律;沟槽宽度大于涵洞外径时,洞顶土压力系数随填土高度的增大呈先增后减的变化规律;洞顶填土厚度等于初始等沉面高度时,土压力系数最大。槽洞宽比加大时,土压力系数、等沉面高度按双曲线规律增大,7倍洞径的沟槽宽度近似为沟埋式涵洞和上埋式涵洞的临界槽宽。填土内摩角增大时,土压力系数增大。洞顶填土厚度增大,等沉面高度减小。     

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。     

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。     

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。     

竖向稳定渗流条件下的地震主动土压力分析

基于库仑土压力理论的基本假定和拟动力法的分析思路,以无黏性填土的刚性挡土墙为研究对象,考虑填土中存在竖向稳定渗流的两种工况,推导了地震主动土压力和修正土压力系数的计算表达式。通过程序求解问题并进行参数讨论,分析结果表明,主动土压力随水平地震加速度的增大而明显增大,竖向地震加速度对土压力影响较小,可以忽略不计。墙土摩擦角较小时,土压力随填土摩擦角的增大而单调减小,但当墙土摩擦角增大后,土压力随填土摩擦角的增大出现先减小后增大的情况。渗流方向向下时,土压力随水力梯度的增大而减小;渗流方向向上时,变化规律则相反。与已有的理论方法对比,计算结果基本吻合,验证了该理论方法的正确性。     

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。