基于主应力轴旋转理论的修正Terzaghi松动土压力

基于土体主应力轴旋转理论,提出了Trapdoor上方土体侧向土压力系数的一般表达式,从而修正了传统的Terzaghi松动土压力计算公式。对于无黏性土,该系数是一个只与土体有效内摩擦角相关的参数,其值介于1.0和被动土压力系数Kp之间,且随着有效内摩擦角的增大而增大。黏性土的侧向土压力系数则与Trapdoor上覆土体厚度、重度、有效黏聚力和有效内摩擦角及Trapdoor宽度等参数有关。与传统计算方法相比,修正后的Terzaghi松动土压力计算结果与国内外Trapdoor模型试验结果及FLAC数值分析结果更为吻合,可广泛应用于地下管道、地基局部沉陷及隧道工程的土拱应力分析。     

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。     

上软下硬岩质地层浅埋大跨隧道松动压力计算

针对现有方法在上软下硬岩质地层中浅埋大跨隧道松动压力计算方面存在的问题,通过离散元数值模拟和正交试验,分析了围岩的松动破坏机制、风化层厚度和岩体中节理分布状态对隧道松动区形状和范围的影响规律及敏感性。结果表明：影响松动区的主要因素依次为风化层厚度、隧道埋深、贯通倾斜节理的倾角和间距、风化层水平节理间距;松动区可分为拱形和塌穿形两种类型,其边界曲线分别可用抛物线和乘幂函数近似表示。针对塌穿形松动区,通过回归分析建立了地表松动宽度和拱顶松动土条水平长度的计算公式。按照应力传递原理,在松动区内以梯形微分岩土条为对象,通过分层积分,推导出可反映节理产状和风化层厚度影响的浅埋大跨隧道围岩松动压力计算公式。工程实例计算表明,与现有方法相比,所提方法计算的松动压力值最小。     

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...     

初始应力各向异性状态下圆柱孔扩张机制分析

采用静止土压力系数K0描述土体初始应力各向异性程度,建立了压力控制边界条件的柱孔扩张数值模型,分析压力为边界条件的圆柱孔扩张特性。计算结果表明,初始应力条件各向异性时,柱孔周围的土体的径向位移是不相等的,扩张后的柱孔呈椭圆形,初始应力各向异性是柱孔非对称扩张的内在原因;塑性区的分布具有明显的方向性,塑性区最大半径位于柱孔周围初始大主应力方向上;在相同的扩张压力下,随不排水抗剪强度增加,土体的塑性区减小,且土体初始应力各向异性造成的土体塑性区分布各向异性程度也随之减小;在相同的扩张压力下,柱孔初始应力越大,其塑性区范围越大,且土体初始应力各向异性造成的土体塑性区分布的各向异性程度也越大。     

地层渐进成拱对浅埋隧道上覆土压力影响研究

砂土及完整性较差、黏聚强度较小的破碎岩体中,浅埋隧道地层拱作用机制随地层变形发展而变化,受此影响隧道松动土压力也相应变化。常规方法忽略了地层拱不同阶段力学机制的不同,同时未考虑剪切面转动与大主应力旋转之间的相互关系,因此,不能解决浅埋隧道地层能否成拱、地层拱何时贯通至地表以及地层拱发展对隧道松动土压力影响等问题。针对这一情况,提出渐进地层拱力学模型以反映不同阶段地层拱的力学机制;其次,同时考虑主应力旋转、剪切面转动及二者相互关系,确定拱内土体应力分布;随后,优化了传统主应力偏转与地层差异沉降间的数学模型。在此基础上确定了渐进地层拱对隧道松动土压力的影响。改进方法结果与传统方法结果及试验结果的对比验证了改进方法的有效性与适用性。通过参数分析研究了隧道初始松动压力、随地层变形发展的松动压力以及地层拱贯通至地表时的极限变形等关键参数。最后,对下北山超大跨浅埋隧道的研究说明了改进方法的实用性。结论显示：（1）初始松动压力为初始松动区内土体重力,初始松动区范围不受覆跨比影响,而受地层强度影响,随内摩擦角增加而减小;（2）最大拱效应阶段以后,松动土压力随地层变形发展而增加,深埋、小跨度隧道（ ）增长速率较慢,反之较快;（3）极限变形随覆跨比、内摩擦角增加而增加,深埋、小跨度隧道地层拱效应更明显;（4）对于下北山隧道,初始地层拱存在,初始松动土压力为0.37 ,极限松动土压力为0.41 ,最终松动土压力为0.54 ,隧道变形应控制在5.7%以下避免地层拱贯通至地表。     

土体洞室松动土体压力计算

本文指出《岩土工程勘察规范》ＧＢ５００２１－９４,附录第１８４￣１８５页有关土体洞室松动土压力的计算,公式中有三处字母有误。接着又对上覆土层性质较好的浅埋洞室松动土体压力的计算方法提出了质疑,并提供了修改意见。     

基于离散元方法的不同挡墙变位模式下有限土体主动土压力研究

为研究挡墙变位模式以及墙后填土宽度对无黏性有限土体主动土压力的影响,在不同墙后填土宽度条件下分别开展了挡墙平动(T)模式、绕墙底转动(RB)模式以及绕墙顶转动(RT)模式的离散元模拟。根据离散元模拟结果对主动土压力、墙后土体破坏模式以及应力状态进行了分析。研究结果表明:挡墙变位模式和墙后填土宽度的变化使得土体破坏模式和应力状态发生变化,引起主动土压力大小及分布的差异。T与RB模式滑动土楔中内摩擦角调动值会相对初始值增加,且T模式滑动土楔中会出现小主应力拱。RT模式较为特殊,在填土宽度较小时,其应力状态与T模式相似;在填土宽度较大时,滑动土楔上部会出现内摩擦角调动值相对初始值减小的区域,并出现大主应力拱。     

基于BOTDR技术的深埋岩溶土洞监测分析

岩溶洞穴发育成地表塌陷影响因素复杂。为了获得岩溶土洞监测标识区域的应力特征,在太沙基松动土压力理论基础上,对岩溶土洞发育历程中松动区竖向土压力进行了分析。松动区的空间位置由洞穴特征及其上方岩土介质的物理、力学性质决定;平面应变和非平面应变条件下,松动区竖向土压力的分布特征差异明显。根据岩溶土洞上方松动区竖向土压力的分布特征,结合BOTDR技术优点,提出应用BOTDR技术监测岩溶土洞的发育,针对光纤监测系统设计中光纤布线型式进行了分析。岩溶土洞应力场变化特征的定量研究对光纤传感技术应用于岩溶土洞监测设计提供理论依据和指导。      

盾构掌子面三维破坏模型构建与极限支护力计算

为明确盾构施工掌子面滑移破坏机制并确定掌子面支护力的合理范围,基于滑移线理论和极限分析上限定理,利用空间离散技术提出了一种盾构施工掌子面三维滑移破裂模型。依据大主应力拱理论计算滑移区顶部竖向土压力值,并以此作为滑移破坏区上部的竖向荷载计算掌子面极限支护力。研究表明,土拱效应显著影响掌子面前方土体竖向应力的大小及分布规律;将本模型与已有研究方法进行比较,验证了本模型获取的掌子面极限支护力极限分析上限解在黏性土地层以及摩擦土地层中的适用性。同时本模型构建的掌子面破坏区域形态更加贴近离心试验结果与数值计算结果。     

Numerical and theoretical research on stress distribution in the loosening zone of the trapdoor problem

The traditional theory of soil arching effect was developed on the assumption that stress distribution in the loosening zone is uniform. However, because of the deflection of principal stress' direction, the stress distribution in the loosening zone is actually ununiform. For the evaluation of principal stress axis deflection and stress redistribution, a discrete element method numerical model of trapdoor problem is established for the simulation of soil arching effect. Based on the numerical results, an arc shape of major principal stress trajectory and uniform horizontal stress distribution at the same depth of the loosening zone are adopted. An analytical model is raised to estimate the average loosening earth pressure acting on the trapdoor and stress distribution in the loosening zone at a limit state. In addition, comparison studies are carried out between the predictions of the proposed solutions and discrete element method numerical results as well as available model test results, thereby validating the accuracy of the proposed theoretical model. Both numerical and theoretical results indicate that the vertical stress distribution in the loosening zone is obviously ununiform. The load acting in the middle of loosening zone is transferred toward two sides so that the vertical stress distribution in loosening zone is concave.     

A theory of loosening earth pressure above a shallow tunnel in unsaturated ground

A theory is proposed to evaluate the loosening earth pressure (vertical earth pressure after excavation) acting on a shallow tunnel in unsaturated ground with an arbitrary groundwater level. The theory is developed based on the limit equilibrium theory, combining soil–water characteristic curves, Mohr–Coulomb failure criteria, and effective stress for unsaturated soils. The proposed theory is applied to predict the vertical distribution of loosening earth pressure in unsaturated ground, which shows a significant difference from that in saturated ground. In unsaturated ground, suction contributes to the increase in effective loosening earth pressure and shear resistance. The remarkable effects of groundwater depth, soil type, and scale of overburden height and trapdoor width on loosening earth pressure are also revealed. Based on the soil–water characteristic curve, the degree of saturation decreases, which causes wet density to decrease and the total and effective loosening earth pressures to have contrary tendencies. Moreover, effective loosening earth pressures vary with soil type as the degree of saturation varies. The total loosening earth pressures are, however, very similar regardless of soil type, because wet density and shear resistance have similar tendencies. The proposed theory provides a valid model for loosening earth pressure in unsaturated ground that will be useful for shallow tunnel excavations.     

考虑界面应力分布不均匀影响的挡土墙主动土压力分析方法

目前关于挡土墙土压力的计算多采用水平分层研究方法,该法在计算分析中常假设分层单元界面上的竖向正应力和水平剪切应力均匀分布,未考虑界面应力分布不均匀对土压力计算结果的影响。为此,本文基于现有的墙后填土应力分布及主应力偏转规律,将界面上不均匀分布的剪应力和正应力等效为作用在楔体单元边界的集中力,通过楔体单元受力分析及其静力平衡条件,建立了可以考虑单元界面剪应力和正应力分布不均匀影响的挡土墙主动土压力分析新方法,并探讨了不均匀界面应力对土压力计算结果的影响。研究结果表明：分层单元不均匀界面应力作为滑动楔体内部土体的内力不会对土压力合力的大小产生影响,但会对土压力分布和土压力合力作用点位置产生影响,且相对于水平剪切应力,竖向正应力对土压力计算结果的影响更大。通过对比论证,发现在考虑界面应力分布不均匀情况下,计算结果可以更准确地描述土压力的分布规律,土压力分布曲线的拐点随着墙土接触摩擦角$\delta $的增大和填土内摩擦角$\varphi $的减小而上升,土压力合力作用点位置随着$\delta /\varphi $的增大而上升。     

挡土墙被动土压力研究

研究土体被动极限状态时的大主应力拱,给出大主应力拱的曲线方程和被动土压力系数;利用水平层分析法,分析被动土压力的分布规律。     

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。     

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。