Lateral force and centroid location caused by horizontal and vertical surcharge strip loads on a cross‐anisotropic backfill

This work presents analytical solutions for determining lateral force (force per unit length) and centroid location caused by horizontal and vertical surcharge surface loads acting on a cross‐anisotropic backfill. The surcharge loading types are point load, line load, uniform strip load, upward linear‐varying strip load, upward nonlinear‐varying strip load, downward linear‐varying strip load, and downward nonlinear‐varying strip load. The planes of cross‐anisotropy are assumed parallel to the backfill ground surface. The proposed solutions, derived by integrating the lateral stress solutions (Int. J. Numer. Anal. Meth. Geomech. 2005; 29 :1341–1361), do not exist in literature. Clearly, the type and degree of material anisotropy, loading distance from the retaining wall, and loading types markedly impact the proposed solutions. Two examples are utilized to illustrate the type and degree of soil anisotropy, and the loading types on the lateral force and centroid location in the isotropic/cross‐anisotropic backfills generated by the horizontal and vertical uniform, upward linear‐varying and upward nonlinear‐varying strip loads. The parametric study results demonstrate that the lateral force and centroid location accounting for soil anisotropy, loading distance from the retaining wall, dimension of the loading strip, and loading directions and types differ significantly from those estimated using existing isotropic solutions. The derived solutions can be added to other lateral pressures, such as earth pressure or water pressure, required for stability and structural analysis of a retaining wall. Additionally, they can simulate realistically actual surcharge loading problems in geotechnical engineering when backfill materials are cross‐anisotropic. Copyright © 2007 John Wiley & Sons, Ltd.     

非对称荷载单层对撑基坑计算方法研究

支护桩（墙）加内支撑作为基坑支护的一种重要型式,已经被基坑支护工程广泛采用。但是,由于基坑所处地质条件、周围环境和土方开挖的复杂性,给基坑支护体系的精准设计计算带来障碍。对非对称荷载作用下的单层内支撑支护设计计算方法进行了探讨。首先,基于极限土压力法分析了单层内支撑与支护桩支点铰接和固结条件下的不动点调整系数的差异性;其次,利用杆系有限单元法分析了基于位移土压力和基于《规程》给出的主动土压力这两种土压力方法计算的桩身位移、弯矩和剪力的差异性。由于非对称荷载作用于基坑支护体系,引起荷载大小侧支护桩桩身位移不同,导致荷载大小侧支护桩受到的土压力也不同,大小侧支护桩桩身内力存在较大差异现象应引起重视。提出的不动点调整系数计算方法和位移土压力计算支护桩受到的土压力计算方法更为合理。     

加筋土挡墙静动力学特性大模型试验研究

为了研究加筋土挡墙在交通荷载作用下的受力变形特性,分别设计了在静载和动载作用下的加筋土挡墙大模型试验,分析了加筋土挡墙的竖向土压力、挡墙面板变形、加载板沉降以及动力加速度等参数的分布规律。试验结果表明：静、动荷载作用下加筋土挡墙受振源荷载的水平影响范围约为0.16H～0.54H（H为墙高）,挡墙土压力均呈现水平方向上由振源中心向两侧减小的趋势;同时静动荷载下挡墙面板水平位移的主要影响范围为墙顶往下约为0.55H;加载前期加筋土挡墙内部结构是一个逐渐压密的过程,动荷载作用下加载板沉降量在整个逐级荷载值变化临界处随荷载值的增大呈斜坡“阶梯”式发展;筋土结构对加速度响应有着显著的消散作用,且随着离荷载作用点距离的增大而减小。     

多级支护边坡屈服加速度及因素敏感性分析

基于拟静力法,结合塑性极限分析上限定理和强度折减技术,推导了桩板式挡墙与二级锚杆挡墙支护高边坡地震作用下的水平屈服加速度系数的上限解,分别计算了多级支护结构总高度、边坡平台宽度、土的抗剪强度折减系数、桩板墙桩侧土压力分布经验系数、锚杆挡墙倾角、锚杆轴力及倾角等因素下,多级支护边坡的水平屈服加速度系数的临界极限值。根据正交分析法,给出了地震条件下基覆边坡水平屈服加速度系数影响因素的敏感性顺序。研究表明,多级支挡结构高度和锚杆轴力敏感性较大,而锚杆倾角、桩侧土压力分布经验系数和边坡平台宽度的敏感性较小。锚杆倾角、锚杆挡墙倾角、边坡平台宽度、桩板墙抗力及桩侧土压力分布形式的选择等,对水平屈服加速度系数的影响较小。土的抗剪强度参数中,黏聚力对水平屈服加速度系数的影响较小,而内摩擦角的影响较大。     

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。     

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。     

高速铁路膏溶角砾岩深埋隧道支护荷载确定方法

合理的支护荷载确定方法是膏溶角砾岩深埋隧道设计和施工过程中的关键科学问题。以石太客运专线太行山隧道累计穿越4 410 m膏溶角砾岩地层为依托,通过现场支护荷载量测试验,统计得到初支围岩压力和二衬接触压力。采用泰沙基理论、比尔鲍曼理论、谢家烋理论、铁路隧道设计规范和普氏理论共5种方法分别计算围岩压力,并与现场实测值相比较。结果表明：围岩压力以竖向为主,泰沙基理论值与现场实测统计值最为接近;围岩压力在竖向、水平分布模式不同于传统计算方法,推荐竖向压力采用双峰型或均匀分布,水平压力采用折线型分布;初支和二次衬砌共同承担荷载,二衬分担比例为50.1%。研究成果可为高速铁路膏溶角砾岩以及类似地质条件深埋隧道修建提供参考。     

非线性被动土压力

用双曲线数学模型描述被动土压力变化和挡土结构位移变化的关系。基于Mindlin弹性解,推导了土体某深度矩形区域作用均布水平荷载时该矩形区域内任意点水平位移的表达式,并用该表达式确定双曲线模型初始刚度。应用对数螺旋线被动土压力理论求解被动土压力,把该法求解的做图过程转化为数学迭代过程。算例表明,这样的被动土压力理论概念明确,结果准确。      

加筋土挡墙静载模型试验及其力学性能研究

为研究加筋土挡墙在墙顶荷载作用下土体受力和变形形态,通过改变筋材层数、筋材长度和替换加筋材料等方式对加筋土挡墙进行了4种工况的模型试验。对4种工况下的加筋土墙体内竖向土压力、墙面水平位移、墙顶竖向位移和筋材应变等进行对比研究。研究表明,挡墙上部竖向土压力增长较快且各层竖向土压力最大值由加载点下部向墙面处移动;墙顶荷载超过130 kPa时,由于不均匀沉降,第5层筋材对应墙面处有向内收缩趋势,墙面水平位移最大值大约在上三分点位置;整个加载阶段,筋材总体应变值增幅不大且远小于筋材设计应变峰值;增加挡墙内筋材层数和增加筋材长度均可提升挡墙各方面性能,但增加筋材层数提高效果要优于增加筋材长度;使用废旧轮胎代替单向格栅进行加筋可有效提高挡墙整体性能,分散超载引起的附加应力,有效减小墙面水平位移和墙顶竖向位移。     

Lateral stress caused by horizontal and vertical surcharge strip loads on a cross‐anisotropic backfill

This study derives analytical solutions for estimating the lateral stress caused by horizontal and vertical surcharge strip loads resting on a cross‐anisotropic backfill. The following loading types are employed in this work: point load, line load, uniform strip load, upward linear‐varying strip load, upward nonlinear‐varying strip load, downward linear‐varying strip load and downward nonlinear‐varying strip load. The cross‐anisotropic planes are assumed to be parallel to the horizontal surface of the backfill. The solutions proposed herein have never been mentioned in previous literature, but can be derived by integrating the point load solution in a Cartesian co‐ordinate system for a cross‐anisotropic medium. The calculations by the presented solutions are quick and accurate since they are concise and systematized. Additionally, the proposed calculations demonstrate that the type and degree of material anisotropy and the horizontal/vertical loading types decisively influence the lateral stress. This investigation presents examples of the proposed horizontal and vertical strip loads acting on the surface of the isotropic and cross‐anisotropic backfills to elucidate their effects on the stress. The analytical results reveal that the stress distributions accounting for soil anisotropy and loading types are quite different from those computed from the available isotropic solutions. Restated, the derived solutions, as well as realistically simulating the actual surcharge loading circumstances, provide a good reference for the design of retaining structures for the backfill materials are cross‐anisotropic. Copyright © 2005 John Wiley & Sons, Ltd.     

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。     

基于EPS板减载的不同矢跨比高填黄土明洞土压力及影响因素离散元分析

利用离散元计算软件PFC2D模拟EPS板减载措施下不同矢跨比(0.4~0.9)拱形明洞的土压力变化状况,从微观角度对减载明洞上方垂直土压力、竖向位移、侧面水平土压力及颗粒间接触进行深入分析,明确内部土体的土压力变化规律。同时,对最佳矢跨比下的不同槽宽比和边坡坡角进行参数敏感性分析。结果表明:EPS减载下,明洞顶出现“土拱效应”,明洞顶垂直土压力沿水平方向呈“U”形变化,竖向位移呈“V”形减小,明洞侧面水平土压力沿竖向呈斜“S”形变化;在最佳矢跨比0.8下,颗粒间接触呈现接触力最小、配位数最小、孔隙率最大的良好状态。当槽宽比越大时,平均垂直土压力越大,竖向位移差和平均水平土压力越小,颗粒间接触状况越差;当边坡坡角越大时,平均垂直土压力越小,竖向位移差和平均水平土压力越大,颗粒间接触状况越好。研究成果可为沟谷地区高填减载明洞结构选型和施工提供参考。     

动载下土工格栅加筋桥台挡墙承载性能分析

为研究加筋土桥台结构在顶部条基动载作用下的动力响应问题,通过MTS伺服加载系统施加循环动载,开展室内加筋桥台挡墙动载破坏试验,对比分析3种格栅长度和3类格栅型式的加筋土挡墙沉降及面板水平位移、土压力、筋材应变等参数的分布规律,揭示加筋桥台挡墙的动力承载性能。试验结果表明：在循环动载下不同格栅长度及型式的加筋桥台挡墙破坏模式存在差异,M、A、B型格栅加筋长度 1.0H（H为挡墙高）的挡墙破坏模式均为冲切剪切破坏,A、B型格栅 0.7H和 0.4H的挡墙破坏模式为局部剪切破坏。加筋桥台挡墙面板侧移随筋材长度增加依次减小,A型格栅加筋土挡墙侧移系数总体上相比B型小。桥台挡墙因加筋格栅长度及型式不同导致动土压力衰减规律差异明显,当 1.0H时M型及A型筋材竖向动土压力衰减系数沿墙高呈抛物线函数模型,当 0.7H时,A型和B型筋材竖向动土压力衰减系数沿墙高皆呈指数函数模型。     

多级重力式挡土墙土压力分布试验研究

对某高填方路基挡土墙的现场实测水平土压力数据进行了分析,研究表明:该挡墙墙后土压力呈曲线分布,类似字母"R",土压力最大值出现在挡墙底部,而下部的值略小于底部值,最小值出现在挡墙中部。在本级挡墙施工时,墙后第1、2层土压力值接近静止土压力值,大于主动土压力值,第3、4层土压力值小于主动土压力值;在其上若干级挡墙或边坡施工时墙后各点土压力值均小于主动土压力值,即随着填土深度的变化挡墙后各点的土压力系数是在不断变动着的,土压力系数与土压力数值大小的变化规律一致。同时,土压力作用点介于(0.4～0.5)H,且随填土深度增加作用点位置上移;每级挡土墙之间的平台宽度越小,上级挡土墙对下级挡土墙的影响就越大,土压力作用点就越高。研究结论对高填方多级挡土墙的设计具有理论指导意义。     

考虑摩擦条件下临近既有建筑物的有限土体土压力上限解

针对现有刚性挡土墙与支护结构工程有限土体土压力研究大都基于墙背光滑的假定,本文考虑挡土墙与填土之间及建（构）筑物与填土间的摩擦作用,挡土墙背倾角及填土顶面竖向荷载的影响,引入极限分析上限理论进行研究。根据临近建（构）筑物有限宽度土体的工程特性,基于平动模式采用直线滑动破裂面,在土压力上限求解中引入粗糙挡土墙及粗糙建（构）筑物与土界面间的摩擦能耗计算,分别建立有限宽度土体在主动极限状态和被动极限状态下的土压力计算模型,并利用数值计算方法求解。通过对有限土体主动土压力进行参数分析,表明极限破裂角是一个不确定角,其随着计算深度增大而非线性增大,随有限土体宽度和挡土墙背倾角增大而减小;主动土压力合力随墙土间外摩擦角、挡土墙背倾角及超载增大而增大,墙土间外摩擦角对极限破裂角影响较小,而对土压力合力影响较大。通过工程算例分析并与其它方法计算结果进行对比,表明有限土体主动土压力和被动土压力均小于无限土体土压力。     

高填方减载式刚性涵洞受力特性模型试验研究

为了研究高填方减载式刚性涵洞结构的减载效果，利用模型试验分别对减载式刚性涵洞、采用一般减载方法的涵洞和未减载涵洞的涵顶垂直土压力和侧墙水平土压力进行对比分析。在此基础之上，建立了减载式刚性涵洞涵顶垂直土压力理论模型，推得了减载式刚性涵洞涵顶垂直土压力计算式，并将模型试验结果与理论分析结果进行了对比分析。研究结果表明，减载式刚性涵洞不仅能够有效缓解涵顶应力集中，而且与一般减载涵洞相比还能有效减小涵洞侧墙水平土压力；对于减载式涵洞涵顶垂直土压力，理论计算结果与模型试验结果一致且两者相差较小，从而验证了理论模型的适用性和正确性。     

Modelling of earth and water pressure development during diaphragm wall construction in soft clay

The influence of a diaphragm wall construction on the stress field in a soft clayey soil is investigated by the use of a three‐dimensional FE‐model of seven adjacent wall panels. The installation procedure comprises the excavation and the subsequent pouring of each panel taking into account the increasing stiffness of the placed fresh concrete. The soft clay deposit is described by a visco‐hypoplastic constitutive model considering the rheological properties and the small‐strain stiffness of the soil. The construction process considerably affects the effective earth and pore water pressures adjacent to the wall. Due to concreting, a high excess pore water pressure arises, which dissipates during the following construction steps. The earth pressure finally shows an oscillating, distinct three‐dimensional distribution along the retaining wall which depends on the installation sequence of the panels and the difference between the fresh concrete pressure and the total horizontal earth pressure at rest. In comparison to FE‐calculations adopting the earth pressure at rest as initial condition, greater wall deflections and surface ground settlements during the subsequent pit excavation can be expected, as the average stress level especially in the upper half of the wall is increased by the construction procedure of the retaining structure. Copyright © 2004 John Wiley & Sons, Ltd.     

RT模式下地震非极限主动土压力的拟动力分析

为考虑挡墙位移效应对地震土压力的影响,依据前人试验研究的结论,将摩擦角表示为与挡墙位移量和位置高度相关的函数,然后基于拟动力法和水平层分析法,推导得出RT位移模式下的地震非极限主动土压力和合力作用点的计算表达式。计算模型可描述摩擦角沿着墙高逐渐发展的不同非极限位移状态工况,并建立了挡墙位移、地震动荷载和土压力之间的相互联系。参数分析讨论了振动时间、挡土墙位移状态、地震加速度参数和土体摩擦角对地震主动土压力分布、合力大小以及合力作用点高度的影响。相比于传统的极限状态地震土压力理论,所提方法更合理地描述了地震土压力随挡墙位移的发展过程,对发展非极限土压力理论和改进边坡工程中的抗震计算方法具有一定的参考意义。     

多级支挡结构地震主动土压力的极限分析

多级组合支挡结构形式在高边坡防护工程中得到了广泛采用,但现有研究却较少涉及这种支挡结构形式的地震土压力计算问题。应用拟静力法和塑性极限分析上限定理,并且基于强度折减技术,推导了重力式挡墙与两级锚杆挡墙组合支挡结构形式的地震主动土压力及其系数的上限解。该上限解考虑了水平和竖向地震系数、墙背倾角、坡面形式及多级支护方式、土体黏聚力、土体与墙背的黏附力等诸多因素。二级锚杆挡墙实例分析表明：静力条件下主动土压力计算值与现有相关方法的计算结果一致,土的抗剪强度折减系数、上挡墙锚杆轴力等参数,对下挡墙地震主动土压力影响显著。二级组合支挡结构地震主动土压力影响参数敏感性分析表明：水平地震系数以及重力式挡墙墙高和倾角的敏感性较大,上挡墙锚杆的轴力和倾角等参数的敏感性相对较小     

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。