考虑土拱效应的多层土体墙后主动土压力模式研究

土拱效应已经被广泛证明存在于岩土工程中,然而关于土拱效应的土压力研究目前常局限于单层土体,对于多层土体墙后主动土压力的分布规律尚不清楚。基于土拱效应理论,提出了多层土体挡土墙后非线性主动土压力求解公式,并通过两种典型地层研究了土体内摩擦角和墙土摩擦角对主动土压力分布规律的影响。结果表明:所提出的计算公式能够很好地描述多层土体墙后主动土压力分布规律,计算结果与数值模拟结果基本一致;当上、下土层参数一致时,该公式可以退化成单一土层土压力计算模型;当墙土摩擦角充分发挥时,上层土体墙后土压力受土体内摩擦角影响明显,而当墙土摩擦角部分发挥时,下层土体墙后土压力受墙土摩擦角影响更大。

基坑近接地铁车站主动土压力合力算法研究

针对有限土体主动土压力合力计算公式复杂的问题,以既有地铁车站邻域内新建基坑工程为依托,根据既有地铁车站与基坑的位置关系提出多种有限土体破坏模式,采用薄层微元法,考虑土体与结构界面摩擦作用,建立主动土压力合力计算方法。通过调整新建与既有结构空间位置关系,得到了主动土压力合力等值图,并对其开展了参数分析,提出了主动土压力简便计算方法。研究结果表明:①提出了5种有限土体破坏模式,建立了相应的主动土压力计算公式;②随着近接距离的增加,主动土压力逐渐增大;随着既有地铁车站覆土厚度的增加,靠近基坑的时候主动土压力逐渐增大,远离基坑侧的主动土压力先增大后减小最后增大;③基坑深度对主动土压力影响大,内摩擦角有影响,墙土摩擦角基本上没有影响;④给出了有限土体主动土压力合力空间位置关系系数建议取值情况。通过以上研究,提出了一种简便的有限土体主动土压力合力计算方法,可以为近接工程设计与施工提供参考。

挡土墙后曲面滑裂面下黏性土主动土压力计算

为了研究挡土墙后土体滑裂面的形状并计算土压力,建立了挡土墙后黏性填土滑动楔体达到极限平衡状态时的静力平衡方程.采用变分学方法求解滑裂面曲线方程和主动土压力的计算公式,得到土体滑裂面曲线为一对数螺旋线.将主动土压力计算值与库仑主动土压力、工程实测值分析对比.结果表明,计算所得的主动土压力值比广义库仑理论的计算值大5.37%,且与工程实测值较为接近.最后分析了挡土墙及墙后填土各参数对曲面滑裂面下的主动土压力值的影响,可知填土的黏聚力和内摩擦角是影响土压力值的关键参数.

有限土体主动土压力计算方法探讨

基于库伦理论的平面滑裂面假设及极限平衡理论,假定有限土体水平,支护结构垂直,再依据有限土体的宽度b0(支护结构与已有建筑的距离)与三角滑动楔体之间的宽度b之间的相对关系推导了改进的主动土压力计算公式.分析外摩擦角和支护结构与土体之间的黏着力对滑动土体破裂角以及主动土压力的影响,并提出广义主动土压力系数观点.通过算例对比,结果表明本次提出的计算公式更接近实际,考虑外摩擦角和黏着力的作用有利于节约成本.

一维稳态流下非饱和土主动土压力强度计算模型

针对均质非饱和土层内含水率沿铅直方向变化的特点,基于总强度指标描述的朗肯主动土压力强度公式,结合非饱和土的重度、总强度指标与含水率之间的关系模型,得到了含水率铅直分布函数,推导出主动土压力系数、上覆土重和黏聚力的铅直分布函数,建立了非饱和土主动土压力强度计算模型。通过算例计算分析入渗、静水和蒸发等不同流动方向下,非饱和粉质黏土层内主动土压力系数和主动土压力强度的铅直分布规律。结果表明:不同流动方向下,主动土压力系数均随距地表深度增大呈现出非线性递减的规律,流动方向为入渗时主动土压力系数最小,静水条件次之,蒸发条件最大;主动土压力系数之间的差异随深度的增大而减小;主动土压力强度随距地表深度增大呈现出非线性递增的规律,流动方向对主动土压力强度的影响较小。

基于土拱效应的墙背非极限主动土压力

根据平移模式下的微元滑裂体水平面上的剪力为零的条件和土拱效应,获得受填土内摩擦角和墙土摩擦角影响的非极限滑裂面倾角和非极限主动土压力系数,其中,非极限填土内摩擦角和墙土摩擦角是墙体位移的函数。根据非极限水平微元滑裂体的静力平衡,得到平移模式下考虑土拱效应和位移影响的非极限主动土压力计算式。参数影响分析表明:非极限滑裂面倾角和非极限主动土压力系数均随非极限墙土摩擦角的增大而增大;非极限主动土压力系数和非极限主动土压力均随侧向位移比的增大而减小;非极限主动土压力分别随着非极限填土内摩擦角、非极限墙土摩擦角的增大而减小。理论值及试验值的对比结果显示:相较于其他方法,本文方法的非极限主动土压力理论值与试验值吻合更好。

平动模式下挡土墙非极限状态主动土压力计算

改进了极限平衡理论,用于非极限状态主动土压力的研究。对挡土墙后滑动楔体的片体单元进行了分析,建立了关于非极限状态主动土压力强度的一阶微分方程,得到了平动变位模型下,非极限状态主动土压力强度、土压力合力和土压力合力作用点的理论公式,将计算所得结果与模型试验数据进行对比分析。结果表明:墙体平动变位模式下非极限状态主动土压力强度、土压力合力和土压力合力作用点理论公式的计算结果与已有模型试验结果基本吻合。

无黏性有限土体主动土压力解析解

经典土压力理论的应用是基于半无限土体,但当墙后土体范围有限时经典土压力理论可能就不再适用,出现有限土体土压力问题。针对较复杂条件下无黏性土的有限土体土压力问题,建立了计算模型,并采用薄层单元法推导出解析公式,证明经典的郎肯土压力和库仑土压力皆为所提出的新公式的特解。在综合考虑不同计算条件后,制定土压力计算流程,涵盖了各个条件下土压力计算方法。通过计算分析表明:极限破裂角不为定值,随计算参数的变化而变化;不存在有限土体时,所提新公式解与库仑解较接近;出现有限土体时,新公式解趋近于模拟解,从而证明了新公式解的合理性。此时与库仑解相比,则存在明显差异。

刚性挡土墙主动土压力数值分析

采用有限单元法对作用于刚性挡土墙上的主动土压力进行数值分析,土体采用弹塑性的Mohr-Coulomb本构模型,在土与结构接触面间引入无厚度的Goodman接触单元,接触面上剪应力和剪切位移采用弹塑性的本构模型,研究了不同挡土墙的变位模式、不同墙面摩擦特性以及土体变形特性等因素对土压力大小和分布的影响。

非极限状态挡土墙主动土压力研究

利用薄层单元法对挡土墙非极限状态主动土压力进行研究,认为挡土墙土压力是由墙后填土在平衡状态下出现的楔形土体产生,取挡土墙后楔形土体沿平行于填料坡面的薄层作为微分单元体,通过作用在微分单元体的力和力矩平衡条件,建立挡土墙非极限状态主动土压力微分方程,得到非极限状态土侧压力系数、土压力强度、土压力合力和作用点的理论公式。根据非极限状态摩擦角与墙体位移关系,分析填土内摩擦角、墙土摩擦角和挡土墙位移比对土侧压力系数、土压力分布、土压力系数和作用点的影响。分析表明采用极限平衡理论计算平动模式下刚性挡土墙非极限状态时的抗倾覆稳定性偏于危险。另外,公式计算结果与实测模型试验进行对比分析,主动土压力分布曲线吻合良好。

有限土体主动土压力计算

建立在半无限土体假定基础上的朗肯、库仑土压力理论并不适用于有限土体土压力的计算。根据实际情况,建立有限土体土压力计算模型,基于极限平衡理论及平面滑裂面假定,在考虑土黏聚力及有限土体宽度的基础上,推导有限土体滑裂面剪切破坏角的数学表达式,并建立有限土体主动土压力计算公式。所建立的计算公式表明,有限土体滑裂面剪切破坏角不再是库仑土压力理论给出的定值45°+/2,而是一个变量,与计算深度、土内摩擦角、土黏聚力及有限土体宽度有密切关系。通过算例分析发现,有限土体滑裂面剪切破坏角随深度增加成非线性增长;而与土黏聚力和有限土体宽度成负相关;随着土内摩擦角的增大,剪切破坏角先是减小,随后增大。最后,将有限土体土压力计算结果与朗肯土压力进行对比,证实了有限土体主动土压力计算公式的合理性。

挡土墙后粘性填土的主动土压力计算

根据库伦土压力的计算原理,从滑动楔体处于极限平衡状态时力的静力平衡条件出发,推导出了计算粘性土或无粘性土主动土压力的公式。该公式适用于均布荷载作用于挡土墙后任意位置。对重力式挡土墙设计中土压力的计算具有一定参考价值。

考虑邻近地下室外墙侧压力影响的平动模式挡土墙主动土压力研究

对于挡土墙距既有地下室很近,墙后填土宽度有限的情形,采用经典的库仑、朗肯土压力理论计算挡墙主动土压力是不严格的。通过有限元数值分析发现,当挡墙平动、填土达到主动极限状态时,无黏性土滑动土楔与邻近地下室外墙并未脱开,地下室外墙上全深度承受侧压力;随着填土宽高比n的不同,挡墙与地下室外墙间土体内将形成一道或多道滑裂面,且最靠近地表的滑裂面与挡墙或地下室外墙交点以上的土压力近似为库仑主动土压力。由此建立新的土压力计算模型,给出了挡墙主动土压力系数K min和第一道滑裂面倾角θa的求解方法,采用水平薄层单元法,得到了挡土墙主动土压力的分布以及合力作用点相对高度ψ的理论公式,并通过典型算例,与经典土压力理论、前人理论方法及有限元数值解进行对比。研究发现,挡土墙土压力为非线性的鼓形分布,当土体内摩擦角?和墙土摩擦角δ取定值且δ>0°时,K min随着n的增大而增大,而θa和ψ随着n的增大而减小,当n≥n cr时,K min和θa值与库仑解一致;当δ=0°时,不论n取何值,K min和θa值恒等于朗肯理论解,且ψ=1/3。

墙后有限宽度无黏性土主动土压力试验研究

针对无黏性土体,开展了刚性挡墙平动、绕墙底转动和绕墙顶转动3种墙体主动变位模式情况下墙后有限宽度土体土压力试验。通过观察墙后不同宽度土体的破坏过程及对土压力的全程量测,对其破坏模式及土压力分布规律进行了探讨。试验结果表明,墙后有限宽度土体的破坏面为一连续曲面,随着墙后土体宽度的增加,土体破坏面逐渐向外侧偏移,最终趋于某一固定位置,但始终位于库仑破坏面内侧。土压力值监测表明,库仑土压力理论并不适用于有限宽度土体。当填土宽度为有限宽度时,土压力值小于库仑主动土压力值,其差距随土体宽度减小而逐渐增大。当墙体平动时,土压力值沿墙高先增大后减小;墙体绕墙底转动时土压力值则呈线性增长趋势;而当墙体绕墙顶转动时,在挡墙上部出现了明显的土拱效应。

非饱和土库仑主动土压力统一解

基于非饱和土双应力状态变量抗剪强度统一解,合理考虑中间主应力效应,建立了非饱和土库仑主动土压力统一解,并对其进行可比性分析,将其计算结果与非饱和土朗肯主动土压力统一解进行对比,得出各因素的影响特性。研究结果表明,中间主应力和基质吸力对库仑主动土压力的影响显著,随统一强度理论参数和基质吸力的增加,库仑主动土压力不断减小直至为0,证明了考虑中间主应力可以充分发挥材料的自承载能力和强度潜能,具有可观的经济效益;库仑主动土压力随墙背倾角与填土倾角的增大而增大,随有效内摩擦角和基质吸力角的增大而减小,外摩擦角的影响不显著。非饱和土库仑主动土压力统一解具有更广泛的适用性,朗肯主动土压力统一解为其特例,其结果对边坡、基坑等工程的土压力确定和支挡结构设计有很好的借鉴作用。

复杂条件下挡土墙主动土压力解析解

基于库仑理论的平面滑裂面假设,综合考虑填土具有黏聚力和内摩擦角、挡土墙墙背和填土面均倾斜、填土与墙背间具有摩擦和黏着力、填土浅表具有张拉裂缝和表面有连续均布超载的复杂情况,采用薄层单元法,导出了作用于挡土墙上的主动土压力的解析解,可适用于黏性和无黏性填土的复杂条件;且证明现行经典朗肯理论和库仑理论主动土压力是解析解相应简化假设下的特例。多个工程实例计算均表明,公式计算结果与实测主动土压力非线性分布曲线吻合良好,因而解析解对实际工程中主动土压力的计算精度是可靠的,具有推广应用价值。

不同位移模式刚性挡墙主动土压力研究

假定挡墙后填土沿墙高任一点处侧压力与其水平位移成线性关系,将土体看作是一系列弹簧和理想刚塑体的组合体。在此基础上,分析了挡墙位移模式,改进了Coulomb理论,提出了不同位移模式下刚性挡墙主动土压力非线性分布计算方法。该方法计算合力大小和Coulomb理论计算相等,主动土压力分布和合力作用点位置随挡墙位移模式变化而不同,计算结果和实测结果吻合较好。该方法对刚性挡墙土压力计算具有理论价值。

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。

墙体绕墙顶转动情况下挡土墙主动土压力分布

根据库仑土压力理论的假设,挡土墙上的土压力是由墙后填土在极限平衡状态下出现的滑动楔体产生,给出了墙体绕墙顶转动变位模式下土压力强度、土压力合力和土压力合力作用点的理论公式,并与库仑土压力理论、墙体平动变位模式下土压力和有关实验结果进行了比较· 结果表明,墙体绕墙顶转动变位模式下土压力合力与墙体平动变位模式下土压力合力相等,且等于库仑理论计算结果。

挡土墙后黏性土的地震主动土压力分析

在Mononobe-Okabe平面滑裂面假设的基础上,考虑地震加速度的放大效应,运用拟动力学的分析方法,得到考虑时间和相位变化的刚性挡土墙后黏性土地震主动土压力系数、地震主动土压力合力和主动土压力分布强度的理论公式。在此基础上,利用优化算法得到地震卓越周期中的最不利工况,分析水平和竖向地震加速度系数、内摩擦角、墙面摩擦角、挡土墙倾角和地震放大系数对最不利工况下滑动面倾角、主动土压力系数、临界深度、合力作用点和土压力分布的影响。研究表明:地震主动土压力分布为非线性;地震加速度的存在大大增加黏性土的主动土压力;挡土墙倾角和地震放大效应对临界深度、合力作用点和土压力分布都有着明显影响。