绕顶转动模式下三维被动土压力的数值研究

已有的刚性挡土墙上三维被动土压力的研究主要基于挡土墙平移模式(T位移模式)下开展的，而对挡土墙绕顶转动模式(RT位移模式)下三维被动土压力的研究尚不充分。因此，该文采用数值方法系统地研究了RT位移模式下三维被动土压力及三维空间滑裂面性状。针对无黏性土体，得到了挡土墙宽度与深度比值、土体摩擦角大小和墙土接触面摩擦角比值对三维被动土压力系数及墙后土体滑裂面的影响，并与T位移模式下的三维被动土压力系数和墙后土体的空间滑裂面形态进行了定量的比较。研究结果表明:RT位移模式下的三维被动土压力系数和空间滑裂面形态均受土体内摩擦角及墙土接触面摩擦角比值的影响，且两者之间存在相互联系。RT位移模式下的三维被动土压力系数和空间滑裂面形态与T位移模式下有显著的区别；RT位移模式下的三维被动土压力系数及空间滑裂面相比于T位移模式下较小。研究成果可为RT位移模式下三维被动土压力的进一步研究和相关工程设计提供参考。     

轴对称主动土压力问题的滑移线解

地基中竖向孔支护结构的设计需要以其所受主动土压力为依据,为此常需计算竖向孔开挖后孔壁主动土压力。含竖向圆孔地基是轴对称问题,基于平面应变假设的经典朗肯土压力理论或库仑土压力理论显然不适用,而现有求解轴对称条件下主动土压力方法多采用完全塑性假定或其他假定环向应力与大主应力之比（环向压应力系数?）为常数的方法,理论上不够严谨且误差较大。建立轴对称问题滑移线方程,采用使主动土压力为最大的目标的方法,采用迭代法求解环向压应力系数?,分析了?受土体参数和轴对称竖向孔几何参数影响规律,进而求解轴对称竖向孔孔壁主动土压力的精确值,理论上更为严谨,结果更为合理,并对比平面应变条件下的土压力结果,总结了轴对称条件下主动土压力的规律。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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 。     

临近地下室外墙影响下的考虑土拱效应的挡土墙主动土压力研究

当挡土墙附近存在临近建筑地下室外墙时,其挡土墙土压力与传统的Rankine理论基于无限半空间体假定不符,因而在这种新的工程背景下需要采用合适的理论来计算挡土墙土压力及其作用点高度。已有的研究表明,这种条件下土体的变形趋势可分为上、下两大部分：上部土体变形类似于Terzaghi的活动门试验,土体沿着墙体下滑,而下部土体则沿着土楔形体而变形。因而将土拱效应用于求解挡土墙土压力的计算分成了上、下两大部分考虑。假定土拱形状为圆弧,基于主应力旋转概念分别给出了上、下两部分的侧向土压力系数,运用水平微分层析法基于静力平衡思想给出了两部分的水平向主动土压力分布公式。最后通过坐标平移的方式给出了主动土压力合力及其作用点高度的表达式。算例表明,计算结果与数值计算结果较为接近,其结果对实际工程有一定的参考价值。     

刚性挡墙后非饱和土破坏模式及主动土压力计算

目前主动土压力计算方法多仅针对土体处于饱和或干燥状态,忽略了其从非饱和到局部饱和,或饱和到非饱和的渐变过程,进而导致计算结果失真。鉴于此,首先开展了一系列刚性挡墙非饱和砂土主动土压力模型试验,揭示了墙后土体的破坏规律：（1）墙后土体顶部出现了近似竖直裂缝,且其发展深度随墙面粗糙度和含水率的增加而变大;（2）墙土界面摩擦对塑性区形状影响较小,且在挡墙移动过程中,墙后土体塑性区形状始终近似保持为平面。在试验基础上,引入广义有效应力原理,基于极限平衡分析建立了考虑吸应力效应的非饱和土主动土压力计算方法,理论与试验实测值表明,所提方法相比其他方法,更接近于试验值。分析了各主要因素对非饱和土压力分布规律的影响,结果表明：主动土压力随有效内摩擦角值增加而减少,而界面摩擦角对其分布影响较小;相比于无吸力情况,考虑吸力时主动土压力更小;随着进气值增加,吸应力对主动土压力的贡献减少,最终趋于恒定。     

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。     

考虑土拱效应的黏性填土排桩桩后土压力研究

研究了考虑土拱效应的黏性填土排桩桩后总土压力的计算方法。以黏性填土的单排支护桩为研究对象,将考虑土拱效应的桩后总土压力分为直接土压力和间接土压力。首先,针对已有土压力计算方法的不足,借鉴并改进了挡土墙的主应力旋转理论,认为主应力旋转后大小会发生改变,通过对土拱单元的应力分析和平衡微分方程的求解,推导出了黏性填土排桩桩后直接土压力的解析式,并将计算结果与前人的解析解和试验数据进行对比,表明改进后的方法与实测数据更加吻合。然后,将改进后的方法应用在黏性土间接土压力的分析中,通过将间接土压力看作是由桩间土体滑裂面上的剪应力沿滑裂面的积分,推导出考虑水平土拱效应的桩后间接土压力和总土压力解析式。最后,探究了总土压力随黏聚力和桩土摩擦角的变化规律,结果表明,土拱效应主要影响桩体H/3深度以下部分,使该部分土压力减小,且越靠近桩底,减小速率越大。该研究可为排桩结构的合理设计提供依据。     

基于主应力迹线分层的挡墙被动土压力分析方法

为了探讨墙背倾斜与粗糙程度对挡墙被动土压力的影响,首先,结合被动状态下受挡墙墙背和滑动面摩擦影响的滑动土楔内主应力传递特点,采用圆弧形主应力迹线描述滑动土楔中最大主应力传递规律,并提出了最大主应力迹线几何参数的确定方法;然后,采用沿最大主应力迹线的分层方法将挡墙后滑动土楔划分为若干圆弧形曲线薄层单元,并通过该薄层单元受力分析,依据其静力平衡条件建立了挡墙被动土压力分析新方法。该方法不仅可反映墙土摩擦和墙背倾斜程度对被动土压力的影响,而且有效避免了目前土压力分析方法研究中普遍采用的直线薄层单元难以准确考虑复杂的单元实际受力情况的问题,从理论上确保了新提出的挡墙被动土压力分析方法更具合理性;最后,通过试验、现有同类方法及所提方法分析曲线的对比,表明了新方法的合理性与优越性。就墙背倾斜与粗糙程度对挡墙被动土压力分布及合力作用点高度的影响规律也进行了探讨。     

绕墙脚转动的挡土墙主动土压力分布研究

对挡土墙背离填土绕墙脚转动时墙后滑裂土体的应力状态进行了详细分析,建立了墙后滑裂体水平土层墙面反力、滑裂面反力、土层间剪力和土层竖向土压力强度之间的关系式。为了考虑挡土墙绕墙脚转动时墙脚局部土体并未达到极限状态,对墙面摩擦角、滑裂面土体的内摩擦角予以折减。在水平土层单元法的基础上,考虑水平土层间剪力作用、每一土层的墙面摩擦角和滑裂面水平倾角等的变化,建立了土层竖向土压力强度的逐层渐近的计算方法,并给出了挡土墙主动土压力强度、土压力合力及其作用位置的计算公式。经比较表明：挡土墙主动土压力分布曲线与试验结果基本一致,计算得的主动土压力系数与试验结果很接近,比库仑解大;计算得出的滑裂面为一曲面,其顶部开裂宽度比库仑滑裂面小,与工程实际相符。     

刚性挡土墙后三维被动滑裂面的模型试验

针对无黏性土体,采用模型试验的方法,研究平移模式下刚性挡土墙后被动破坏滑裂面的空间形态。自主设计一种模型试验装置,重复开展6次试验,通过记录挡土墙后土体中预埋脆性玻璃条断裂的空间坐标,复原土体发生滑动的位置,绘制出挡土墙后滑裂面的三维形态图。试验结果表明：挡土墙后滑裂面具有明显的三维效应;挡土墙宽度内滑裂面纵向高度呈先缓慢增高后近似直线增高的曲面,初始破裂角度为9°,平均破裂角为26°,朗肯土压力理论的破裂角为28°;最大纵向破裂面长度为1.8倍挡土墙高度,与经典土压力理论的平面假定基本一致;滑裂面均有一定的横向扩展,主平面投影以初始扩散角约45°的斜线往外扩展,距离挡土墙最远处是宽度为0.7倍挡土墙宽度的水平线,斜线与水平线之间以半径为挡土墙宽度的圆弧过渡连接。研究结果为分析土体被动破坏的滑裂面空间形态提供了试验依据。     

基于土拱效应原理求解挡土墙被动土压力

对平移模式下的刚性挡土墙和滑裂面间的楔形土体处于被动极限平衡状态的应力进行分析,考虑墙面和滑裂面之间土体水平力平衡,运用土拱效应原理推导出被动土压力系数和滑裂面水平倾角。并根据水平单元土体的静力平衡条件建立平衡方程,提出被动土压力分布、土压力合力及其作用位置的公式。将公式计算结果与试验结果以及库仑、朗肯理论所得结果进行比较,结果表明,与试验结果接近,验证了所得计算方法的合理性。     

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。     

滑裂面形状对挡土墙主动土压力的影响

滑裂面的准确选取对挡土墙稳定性分析有重要影响。基于塑性极限分析理论,分别推导了直线和对数螺旋线滑移模式下挡土墙主动土压力的计算公式,通过算例对比分析研究了平面滑裂面和对数螺旋滑裂面主动土压力的特点。研究结果表明:直线滑裂面为对数螺旋滑裂面的一种特例,随着滑裂面曲率增大,主动土压力合力作用点逐渐上移,主动土压力合力略有增加,但对墙趾的弯矩显著增加,不利于挡土墙稳定性;挡土墙各参数对直线滑裂面主动土压力合力作用点有不同影响,随着填土内摩擦角、挡墙倾角、填土倾角的增大而上移,随着墙土间摩擦角、黏聚力与容重挡土墙高度的乘积之比的增大而下移,合力作用点位置大致在0.2~0.4倍墙高处,说明主动土压力的非线性分布。研究结果对准确选取滑裂面形状计算挡土墙主动土压力有实际工程应用价值。      

挡土墙主动土压力塑性临界深度的解析解

墙后塑性区的临界深度问题一直没有得到很好解决,传统计算公式仅适用于一些特殊情况。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,假定塑性区的一族滑移线为直线即平面滑裂面,提出弹性覆盖层取代传统的张拉裂缝,建立了较为完善的滑楔分析模型,采用极限平衡法推导了在一般情况下的塑性临界压力、临界深度以及塑性区可能最大深度的解析解。计算结果表明,塑性临界深度的解析解与目前文献采用迭代计算的结果完全一致,传统计算公式是该解析解的一个特例。