支挡结构抗震设计的2个关键技术问题

对"5·12"汶川特大地震四川灾区约3000km公路和铁路支挡结构的破坏类型、破坏模式进行了全面调查.根据调查结果,对支挡结构的性能设计和挡土墙墙背地震土压力作用点位置这2个问题进行了讨论,提出支挡结构的抗震设计应考虑墙体位移对支挡结构抗震设计三级设防的要求.对支挡结构的抗震性能可做如下规定:性能要求1:与多遇地震水平一致,位移指数在1.0%以内;性能要求2:与设计地震水平一致,位移指数在3.5%以内;性能要求3:与罕遇地震水平一致,位移指数在6.0%以内.研究表明,地震作用下墙背土压力作用点距挡土墙底的高度为0.45～0.63倍墙高,作用点位置与墙高和墙后土体的性质有关.

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。

关于库仑土压力理论的探讨

以滑动体静力平衡的力的平衡方程为基础,引入Lagrange乘子,将主动土压力和被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,进而结合问题图形中的几何关系进一步转化为带有约束的函数极值问题。这种函数极值可利用Matlab6.1优化工具箱提供的fmincon函数进行求解。在确定了主动土压力和被动土压力的大小后,利用滑动体静力平衡的力矩平衡方程计算力的作用点在墙体的相对位置。在本文中,土体沿平面滑动破坏是由理论推导得出的结论,土压力大小的结果与库仑土压力理论完全一致,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。

桥台台背土压力的试验研究

快速铁路桥台台后填土的填料选择、施工控制、质量监测等方面均不同于常规铁路,由于对桥台台背土压力研究并不多见,再加上影响土压力的因素比较复杂,目前的土压力理论还难以准确地反映土压力分布的实际情况。因此,结合现场试验,对快速铁路桥台台背土压力进行长时间观测,分析了土压力随时间的变化、土压力随填土高度变化以及填土完成后台背土压力的大小和分布情况。分析结果表明,台背土压力沿桥台深度方向呈非线性分布,土压力随着至桥台顶部距离的增大而增加,但到达一定深度后,随着深度的增大,土压力反而减小;土压力合力作用点要比理论上的土压力合力作用点有所上移,在0.41倍填土高度处。

考虑土拱效应的挡土墙地震土压力及其分布

以Mononobe-Okabe理论的基本假设为前提,采用水平层分析法建立了地震作用下主动土压力强度的一阶微分方程,得到了土压力分布、合力及合力作用点的理论公式,并与不考虑土拱效应影响的计算方法和模型试验数据进行了比较。结果表明,所得合力公式与Mononobe-Okabe公式吻合;地震影响系数对土压力强度分布影响较大,合力作用点高于墙高1/3,并随地震系数的增大逐渐提升;土拱效应对合力作用点的位置影响较大,在墙土接触面较粗糙时应考虑土拱效应的影响。

考虑地震加速度时程影响的挡土墙动土压力分布

针对传统拟静力法在计算挡土墙动土压力时不能考虑地震荷载等特点的问题,采用拟动力法,考虑地震加速度随时间及挡土墙深度的变化,采用薄层分析法并结合极限平衡理论,推导了地震荷载作用下挡土墙动土压力随地震加速度时程变化的表达式,研究了墙后破裂面倾角、动土压力系数、动土压力合力作用点位置随地震时程的变化特征及地震加速度对挡土墙动土压力分布的影响。结果表明:动土压力合力作用点位置随地震加速度时程呈周期性变化,合力作用点高度高于传统方法所确定的H/3;地震荷载下挡土墙主动土压力呈非线性分布,地震加速度、内摩擦角对动土压力分布有显著影响。

关于水平层分析法的讨论

基于极限平衡法变分法得出的已有成果的基础上,分析了水平层分析法两个假定的合理性。研究表明,主动土压力强度沿墙高的分布对土条顶底面的法向力作用点位置系数非常敏感;法向力作用点位置系数为墙高的函数,除非在特殊情况下取常数1/2;土条间的切向作用力除非在特殊情况下为0,一般情形下为墙高的函数;水平层分析法使墙顶部的主动土压力强度变大,墙底部附近的主动土压力强度变小,提高了作用点的位置。

挡土墙背土压力作用点位置

挡土墙背主动土压力作用点高度大于而不是等于或小于挡土墙高度的三分之一．土压力作用点位置应根据土压力作用线通过滑动土换的质心这一特性而不是根据上压力强度呈线性增大这个规律来确定。

挡土墙墙趾地震作用的波动分析

目前国内外规范中对挡土墙墙趾处地震作用的规定很不一致,给工程设计及工程评价带来诸多困难,如何合理考虑其作用已成为岩土工程中的重要课题之一。针对强震地区的重要挡土工程,以墙前2 m覆盖土层的挡土墙为例进行了设计和讨论;基于近场波动数值模拟技术,输入El Centro波、Taft波、河北迁安滦河桥波和天津医院宁河波这四种不同场地条件的地震动进行动力分析,对比墙趾及墙背处的土动剪力时程发现,墙趾土动剪力对挡土墙的动态稳定性起着重要作用;墙趾覆盖土层所产生的动土压力,较有益于挡土墙的抗倾覆、抗滑稳定性。用简化估计的方法,对动土压力及剪力的合力作用点进行分析,发现相同位置的动土压力和剪力的合力作用点比较接近,其值分别是,墙趾处约距墙底0.62H2(H2为墙前覆土厚度),而墙背处约为H1/3,这与以往研究并不相同。最后对地震作用效应折减系数进行讨论,并建议了墙趾地震作用的合理设计取值。这些结果为改进挡土墙的抗震设计、指导工程实践提供了有益的基础。

库伦土压力合力作用点高度解析解

鉴于库伦土压力合力作用点高度的确定目前仍存在诸多争议,基于库伦理论的平面滑裂面假设,采用散粒体极限平衡方程研究了滑裂面上土体反力的分布及合力作用点位置,在此基础上通过建立滑动楔体的整体力矩平衡方程,推导出库伦土压力合力及其作用点高度解析式,分析了墙背倾角、填土坡角、土体内摩擦角及墙土间摩擦角对合力作用点高度的影响,并通过算例进行了验证。结果表明,库伦土压力合力作用点高度解析解考虑了挡墙和填土参数变化时墙后滑动楔体的力和力矩平衡,能够反映出土压力合力作用点高度的变化规律,与实测值相比误差较小,对库伦理论作了必要补充。

库伦主动土压力作用点高度确定方法的改进

库伦主动土压力作用点位置高度确定为墙高的1/3处,分析表明这一结论及其推求过程不尽合理.为解决此问题,针对墙后滑动土楔体的受力情况,根据三力汇交原理,考虑墙背土压力的分布与土楔体对其下稳定土体的压力分布的相关关系,采取几何推导方法,得出了主动土压力作用点位置高度表达式;进一步分析了作用点高度对影响因素的敏感性,结果表明其敏感性从大至小的排序为:墙背倾角、内摩擦角、外摩擦角、填土坡角.

挡土墙地震主动土压力拟静力法的集中与分散模式对比

采用拟静力法计算刚性挡土墙地震主动土压力时,地震惯性力的施加分为分散于土体各处与集中于滑动土楔体质心两种模式。为确定两种施加模式的计算结果差异,针对墙背倾斜、层状填土、表面条形荷载等一般条件下地震主动土压力问题,采用平行于土面的斜向条分方法,基于极限平衡条件推导分散和集中模式下土压力递推计算公式,可确定土压力大小及分布模式。实例分析表明,本文算法与振动台模型试验、数值模拟的结果较为一致;两种模式的地震主动土压力合力大小相等,但二者分布模式及合力作用点位置存在明显差异;集中模式的土压力作用点高于分散模式结果,随着水平地震系数由零开始逐渐增大,二者差异先增大后减小,当水平地震系数取0.2时,集中模式与分散模式的主动土压力作用点高度比分别为0.7、0.48~0.56,二者相差达到最大值;对于墙体稳定性及地基承载力检算,集中模式比分散模式的计算结果均偏安全。

不同填料下钱塘江古海塘塘背土压力现场试验研究

为解决钱塘江古海塘外倾问题，结合现场试验，分别对气泡混合轻质土（以下称为轻质土）、原状土和页岩陶粒等3种不同填筑材料下古海塘塘背土压力进行了观测，分析了土压力随时间的变化规律，以及土压力的分布规律和合力作用点的位置，并对3种不同填筑材料的减载效果进行了分析。结果表明土压力呈中间大、两端小，在塘背中部存在着不同程度褶曲的非线性分布；土压力合力作用点在0．42-0．49倍墙高处，较理论计算的合力作用点位置有所上移；采用轻质土作为填料时，其产生的塘背土压力和倾覆力矩较原状土分别减少33．1％和41．4％，是一种有效的古海塘塘背土压力的减载材料。

挡土墙地震主动土压力及其分布形式研究

物部理论认为地震主动土压力呈线性分布，而且作用点位于墙底以上1／3高度处，与实测结果相差较大。基于库仑土压力理论的平面滑裂面假定，根据挡土墙后滑裂土体的力矩平衡，引入了土体对地震的放大效应，提出了地震主动土压力作用点位置的确定方法，给出了地震主动土压力强度的理论公式，并分析了地震放大系数对地震主动土压力及其分布的影响。结果表明，如果不考虑地震放大系数，地震主动土压力值与物部理论的计算结果基本相同，可见物部理论是本文方法的一种特例；地震主动土压力作用点都位于墙底以上0．40—0．50倍高度处，与试验结果比较吻合，说明物部理论有待进一步完善；地震主动土压力强度是一种作用等价的非线性分布，沿墙高的分布形式接近于抛物线，最大值也不再恒定于墙底，在挡土墙的稳定性设计时应予以重视。

考虑土拱效应的黏性土地震主动土压力

以地震作用下刚性挡土墙后的黏性土为研究对象,依据Mononobe-Okabe理论方法的基本假设,考虑填土的土拱效应,利用水平单元分析法,推导得出挡土墙平动模式下的主动土压力强度、土压力合力和合力作用点高度的表达式并分析讨论各因素对土压力分布的影响.结果表明,地震作用和土拱效应都能加剧土压力分布曲线非线性化,此外,土拱效应决定于墙背的外摩擦角,角度越大,土拱效应越明显,土压力合力作用点位置上升,填土的倾覆力矩增大.故在实际工程的计算设计中,为安全起见,需要对土拱效应的作用引起重视.

基于列车荷载影响下的桥梁基坑围护桩土压力研究

为研究成层土动主动土压力的计算方法,以库仑土压力理论为基础,对墙后各自然土层进行细微分层,根据所划分微段单元上的静力平衡条件,给出地震作用下成层土土压力的计算方法。根据所提方法,对哈大铁路客运专线DK329+059.12～DK329+204.82太子河特大桥跨越既有沈大线的226号和227号桥墩基坑围护桩动主动土压力进行计算,计算结果显示,动主动土压力强度分布为底部向内收敛的非线性分布。本文所提方法可有效解决考虑列车荷载影响的临线结构动主动土压力计算问题。

物部-冈部(Mononobe-Okabe)地震主动土压力计算方法的改进

物部-冈部(Mononobe-Okabe)土压力理论广泛应用于地震作用下的土压力计算,但其关于土压力分布及合力作用点位置的假设与实际情况不符。从墙后滑动楔体中取出一顶面与填土表面相平行的局部楔体,通过建立楔体的力矩平衡方程,获得了侧向土压力系数的理论计算式,在此基础上推导出基于Mononobe-Okabe理论的非线性土压力分布及合力作用点位置公式,相关公式中考虑了挡墙发生偏转对土压力的影响。与试验实测数据的对比分析结果表明:土压力分布及合力作用点位置理论计算值与实测值基本吻合,改进的Mononobe-Okabe理论在有、无地震作用下均较好的反映了土压力的变化规律。

库仑土压力理论的不足及修正研究

著名的库仑土压力理论计算结果与实际情况不符,主要有两点不足:一是库仑土压力理论计算所得合力作用点高度在H/3墙高处,如此则导致墙后土体合力距不为0;二是库仑土压力理论计算所得土压力分布为线性,与实际观测结果不同。针对两点不足提出修正:一是采用力矩平衡法计算合力作用点位置,而非直接积分;二是认为土压力沿墙体高度呈抛物线分布,进而求解主动土压力分布方程。修正后公式结果表明:随着φ的增大,土压力作用点逐渐降低,随着δ的增大,土压力作用点逐渐升高;土压力沿墙高呈非线性分布,与实际相符。