狭窄基坑平动模式刚性挡墙被动土压力分析

对于地铁车站、地下管道沟槽等狭窄基坑,其被动区土体宽度有限,不满足半无限体的假定,采用经典的库仑、朗肯土压力理论计算挡墙被动土压力是不合适的。首先建立了无黏性土中狭窄基坑刚性挡墙的有限元分析模型,研究了挡墙相对平移时不同宽度土体的被动滑裂面的分布规律;借鉴库仑平面土楔假定,建立了狭窄基坑刚性平动挡墙被动土压力的理论计算模型,推导了被动极限状态下滑裂面倾角及被动土压力系数的解析公式;再采用水平薄层单元法,得到了被动土压力分布、土压力合力作用点高度的理论公式。结合算例,深入研究了这种工程背景下挡墙被动滑裂面倾角的影响因素,以及被动土压力合力、土压力分布及合力作用点位置与经典库仑土压力理论的差别,与数值计算结果的对比验证了该理论方法的合理性。研究发现,当被动区土体宽度小于满足半无限体的临界值、且墙土摩擦角大于0时,被动滑裂面倾角大于传统库仑被动滑裂面倾角,被动土压力大于经典库仑解,合力作用点高度则小于库仑解,且基坑越窄,墙土摩擦角越大,其差别越大。     

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。     

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。     

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。     

不同变位模式刚性挡土墙的动被动土压力

基于Mononobe-Okabe假定,通过对滑动土体中水平薄层单元的分析,建立了墙体平动（T）模式、墙体绕基础转动（RB）模式和墙体绕墙顶转动（RT）模式下的被动土压力的一阶微分方程,给出了土压力强度、土压力合力、土压力作用点的理论计算公式,并将该理论计算公式与库仑理论结果进行了比较。结果表明：土压力强度分布呈曲线分布,合力作用点到墙底的距离依（RB）模式、（T）模式和（RT）模式次序增大。     

坑中坑条件下基坑有限土体的被动土压力计算

坑中坑在基坑工程实践中普遍存在,使得基坑底部土体成为有限土体,因此,常规的建立在半无限空间土体假定上的朗肯土压力理论对于坑中坑条件下的基坑不再适用。基于极限平衡理论和平面滑裂面假定,考虑土体黏聚力和滑动土体不同的形状,推导了4种情况下被动土压力的计算公式,并给出了滑裂面剪切破坏角的数学表达式。通过算例,计算了不同内坑位置条件下被动土压力的大小和变化趋势。结果表明,滑裂面剪切破坏角是与土体内摩擦角、黏聚力、计算深度、内坑大小及位置有关的变量,内坑的存在将降低围护结构上的被动土压力,且存在一个内坑影响最不利位置,此时的被动土压力值最小。成果为基坑围护设计中被动土压力的计算提供了理论基础。     

绕墙趾转动挡土墙主动土压力的确定

墙背土压力分布和挡土墙变位模式、位移大小密切相关。考虑位移影响的土压力分析方法是在已知挡土墙位移大小的情况下,方可计算墙背土压力分布。对于绕墙趾向外转动的刚性挡土墙,从满足倾覆稳定性和基底压应力偏心距要求的角度,提出了确定主动平衡状态时墙顶位移大小和墙背土压力分布的方法,并分析挡土墙宽度和墙背摩擦系数对墙背土压力分布的影响。分析结果表明：主动平衡状态时,墙背土压力均大于库仑主动土压力,墙背土压力产生绕墙趾的倾覆弯矩同样大于由库仑主动土压力计算的倾覆弯矩;挡土墙宽度越大,墙背土压力越接近静止土压力;随着宽度的减小,墙背土压力由静止土压力分布向库仑主动土压力逐渐过渡;摩擦系数主要影响倾覆弯矩,对于墙背光滑的挡土墙,满足倾覆稳定性要求的墙宽显著提高     

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。     

基于平面应变统一强度公式的结构性黄土填料挡墙地震被动土压力研究

基于结构性黄土不同含水率方形试样的三轴剪切试验,研究了非饱和黄土的残余强度效应和构度与强度参数的关系,引入两种效应修正了平面应变统一强度公式,分析了地震荷载作用下墙后土应力摩尔圆的变化规律,采用水平层分析法,建立了综合考虑中主应力、土结构性、残余强度的黄土填料被动动土压力公式。研究表明:平面应变统一强度公式计算得到的峰值或残余黏聚力和摩擦角随统一强度参数b值增大而增大,结构性对黏聚力的增幅较大,而对摩擦角影响则不明显;结构性黄土的地震被动土压力系数随b值、构度指标的增大而增大,而随水平地震系数的增大而减小;结构性较大时残余强度计算的地震被动土压力系数较峰值强度大,结构性较小时,两者计算结果接近。     

基于修正应力法的横观各向同性摩尔-库仑准则及被动土压力公式

采用修正应力法考虑各向异性对土的抗剪强度的影响,该方法引入组构张量调整不同方向应力分量的相对大小,使得各向异性土在修正应力空间中等效成各向同性土。用修正应力张量代替真实应力张量,就能将摩尔-库仑强度准则发展至横观各向同性,公式的形式不发生改变,强度参数仍为与加载方向无关的常量。通过对比根据3种不同的修正应力公式得到的内摩擦角与加载方向的关系曲线,分析了组构值对内摩擦角变化规律的影响,在偏平面上绘出了连续规则的强度包线,并预测了不同各向异性岩土类材料的三轴压缩和真三轴试验结果。最后,根据横观各向同性摩尔-库仑准则计算水平沉积地层中挡土墙上的被动土压力,得到了简洁的显式表达式,验证了修正应力法的实用性。     

人工制备土样的非线性破坏试验及对朗肯被动土压力的影响

通过直剪试验研究了土的非线性破坏准则,给出了刚性挡土墙的朗肯非线性被动土压力公式并采用自适应步长Simpson积分法进行了求解,与线性Mohr-Coulomb破坏准则下朗肯被动土压力进行了对比,结果表明,采用线性Mohr-Coulomb破坏准则计算的被动土压力结果偏大35%～40%,在实际工程设计中偏于不安全。最后讨论了不同深度及非线性参数的影响。     

抗滑桩加固边坡三维数值分析中的几个问题

就当前抗滑桩加固边坡三维数值分析中存在的几个问题,开展了有针对性的研究。利用考虑桩-土-边坡相互作用的强度折减有限元程序,结合典型边坡算例,深入探讨了抗滑桩-边坡体系的计算模型尺度、设桩位置、桩间距（S）与桩径（D）之比（S/D）、桩长与桩底接触模式等因素对边坡稳定安全系数及临界滑动面的影响,以及不同桩头约束下抗滑桩内力分布等。研究表明,单桩取半、单桩、双桩取半、双桩、单桩加双桩取半5种尺度计算模型所得边坡的安全系数并无差异,模型尺度为0.5S时的计算工作量最小;抗滑桩加固于边坡中部可获得最大的安全系数,坡顶或坡脚处安全系数略高于无桩状态,总体上其安全系数与设桩位置的变化曲线近似为一抛物曲线;边坡安全系数随S/D的增加而减小,其最优的比值宜为S/D =2～6,此时桩间存在土拱效应;均质土坡中抗滑桩锚固深度宜为2/5桩长;其结果可为抗滑桩工程设计及规范修订提供参考。     

RT模式下刚性挡墙土压力计算方法研究

针对绕墙顶向外转动的刚性挡土墙,提出一种土压力计算方法。根据土体渐进破坏机理,考虑土拱效应,建立了填土内摩擦角及墙土接触面上外摩擦角的发挥与土体位移的非线性关系,并根据初始应力条件确定初始内摩擦角。采用改进的水平层分析法计算各转角下的土压力分布,并得到土压力合力大小及其作用点的计算公式。通过比较,不同转角下土压力强度、合力大小以及作用点计算值与模型试验实测结果接近。     

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。     

不同变位模式下无黏性土非极限被动土压力计算分析

假定内摩擦角与位移呈非线性关系,采用所提出的土压力计算理论,结合室内模型试验结果,对墙体的平移（T模式）、绕墙体底采点转动（RBT模式）、绕墙顶采点转动（RTT模式）变位模式下考虑位移的被动土压力进行计算分析,分析表明：计算结果在土压力强度沿墙高度上的分布、土压力合力大小以及合力作用点位置均与实测值较为吻合,从而表明：（1）用该计算理论公式计算不同变位模式下被动土压力是可行的。（2）从土压力强度的计算值和实测值吻合情况来看：RBT变位模式下计算值与实测值符合最好,T变位模式下次之,RTT变位模式下相对最差。（3）从达到朗肯被动土压力合力所需位移量来看：T变位模式下最小,RTT变位模式下次之,RBT变位模式下相对最大。（4）土压力合力作用点位置：T变位模式下在离墙底1/3高度处,RBT模式下均位于离墙底1/3高度以上,RTT模式下均位于离墙底1/3高度以下,并且RBT和RTT模式下均随着转动点至挡土墙最近端点的距离与墙高的比值n的增大逐渐向T变位模式下的合力作用点位置靠拢（即离墙底1/3高度处）,这一观点与事实情况完全相符。     

基于颗粒抗转动模型的刚性挡墙被动土压力临界状态离散元分析

简要介绍了颗粒抗转动模型,并将其引入离散元程序中,通过建立挡墙地基模型和合理选取模型参数,分别考虑了地基填土不同密实度和挡墙不同位移模式（被动T模式、RB模式、RT模式）情况下,刚性挡墙被动土压力随挡墙位移增长发展到达临界状态时,土压力系数 随位移发展的变化规律及墙后填土剪切带的形成规律,并与其他学者的研究成果进行对比分析。研究结果表明,土压力系数 随着挡墙位移增长的变化规律与填土的孔隙比（或相对密实度）和挡墙的位移模式紧密相关。随着孔隙比的减小或相对密实度的增大,土压力系数 会逐渐由位移硬化特性过渡为位移软化特性。尽管中密试样在双轴压缩试验中呈现出应变软化特性,而中密样的土压力系数 随着挡墙平动位移的增长可能呈现出位移软化特性,也可能呈现位移硬化特性。随着刚性挡墙向墙后土体推移,试样中的剪应变随之增大,并会在墙后形成应变局部化,即剪切带的出现。与室内试验剪应变云图相似,离散元较好地模拟了土压力临界状态时剪切带分布规律。同时,墙后土体表面不再是光滑的平面,而是逐渐隆起的凹凸面;随着挡墙位移增长,土体表面隆起量越来越大,直至土体破坏。     

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。     

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。     

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。     

俯伪斜分段密集采煤法三维有限元数值模拟研究

俯伪斜分段密集采煤法,作为一种较新的采煤方法,在我国技术上还不很成熟,因此,首次针对京煤集团木城涧矿大台井的地质条件和赋煤状况,通过简化建立三维立体有限元模型,模拟计算了该矿煤层顶底板在开采前后运动变化情况。结果表明:煤层倾角、推采距离和开采巷道数三者是影响煤层顶底板运动规律的重要因素,得到了表征顶底板运动规律的顶底板法向最大应力和法向最大位移与三影响因素关系曲线,详细阐述了三影响因素下的煤层顶底板运动规律;同时,对现场开采中支撑压力大小,特别是在三影响因素下,超前支撑压力的作用范围与应力峰值位置进行了数值计算,并总结了其影响规律;最后,指出了该数值分析方法对现场开采将具有十分重要的应用价值和指导意义。