基于楔体滑动的结合式加筋重力墙主动土压力

文章针对水平柔性拉筋和重力墙组合成的结合式加筋重力墙,开展基于三维楔块滑动模式的墙背主动土压力上限分析,模型建立考虑筋材拉断和筋材拔出2种不同模式,同时,公式推导体现非水平填土面、非竖直墙背、粗糙墙-土界面、土表荷载等因素的影响。研究表明:①主动土压力随着挡墙长高比的减小而减小,且加筋可以增大破坏土体的滑裂角,从而显著降低墙后主动土压力,同时,相较于分离式加筋重力墙,结合式加筋重力墙的主动土压力更小;②随着墙背倾角α、填土倾角β的增大,主动土压力均持续增大,前者对主动土压力的影响更为显著。主动土压力随着内摩擦角φ与墙土界面摩擦角δ的增大而减小。同样地,内摩擦角对于主动土压力的影响远大于界面摩擦角;③主动土压力随筋材抗拉强度T的增大而迅速减小,而与筋材间距呈正相关,同时受竖向间距S_(z)的影响比横向间距S_(x)更大。结合实际施工可行性,0.4~0.6m可作为筋材间距推荐值。

基于离散元模拟的不同挡土墙位移模式下非极限主动土压力

针对刚性挡土墙主动位移过程中砂土非极限主动土压力问题,利用PFC 2D分别对挡土墙绕墙顶转动(RB)模式、绕墙顶转动(RT)模式和平动(T)模式下砂土主动破坏过程进行模拟分析。分析结果表明,不同位移模式下土体内摩擦角及墙土摩擦角调动规律存在差异。挡土墙主动位移过程中,RB模式下土体破坏从墙顶开始,向墙脚发展,土楔体内部只有靠近墙背侧区域出现主应力偏转现象,并且土楔体中内摩擦角调动值均能达到极限值。RT模式下,土体破坏沿着墙背和滑裂面从墙脚开始,向土体表面发展,墙后土楔体中上部区域主应力偏转角度较大,形成了大主应力拱,与此对应的是该区域内摩擦角调动值相对初始内摩擦角减小。T模式下,土体破坏分别沿着墙背从墙顶向墙脚发展以及沿着滑裂面从墙脚向土体表面发展,墙后土楔体内部会出现小主应力拱,且内摩擦角调动值从初始内摩擦角增加,但达不到极限值。

考虑土拱效应的挡土墙主动土压力与被动土压力统一解

土拱效应对倾斜挡土墙下的主动土压力及被动土压力有重要的影响,但是相关计算理论研究略显不足。为了将土拱效应考虑到倾斜挡土墙下的土压力计算中,首先通过应力摩尔圆及静力平衡法分别给出了考虑土拱效应下主动土压力及被动土压力计算所需的两大因素:侧向土压力系数及竖向平均应力公式。在此基础上建立了考虑土拱效应的倾斜挡土墙主动土压力及被动土压力的统一表达式,并将其应用到求解土压力合力及其作用点高度的计算中。算例表明,土拱效应对于主动土压力与被动土压力的影响不同。随着墙体倾角的增大,主动土压力作用点高度逐渐降低,即土拱效应随着墙体倾角的增大而降低。与前述相反,随着墙体倾角的增大,被动土压力作用点高度逐渐降低,即土拱效应的影响随着墙体倾角的增大而增大。

侧移土体被动桩成拱效应及主动侧土压力计算

采用三维数值模型模拟土体水平位移条件下被动桩的成拱效应。分析结果表明,被动桩的成拱效应和桩间距关系最为密切,桩间距较小时,侧移土体在桩周附近呈现出明显的土拱效应,应力等值线密集,相互连通成一整体,并向两端突出,桩间距增大时土拱效应减弱;随着作用于土体侧向荷载的增大,土拱效应增强,桩周应力区增大。在数值分析的基础上,以T.Itos土压力为依据,考虑土体的实际分层,探讨了考虑土拱效应的土压力计算方法,给出了被动桩计算模式,最后将简化方法与数值分析的桩侧土压力进行了对比。

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。

黏性土条件下基坑宽度对被动区土压力影响研究

基坑稳定性计算一般是以单侧半无限空间支护结构作为研究对象,忽略了基坑的尺寸效应,影响了对被动土压力的计算精度。通过以狭窄型基坑作为研究对象,应用ABAQUS数值模拟试验,建立无限空间体模型,详细考察了基坑被动区土压力随宽度变化规律。研究发现:宽度对基坑被动区土压力影响显著,被动区平均土压力与基坑宽度存在单指数(ExpDec1)函数关系,在临界宽度以内,基坑开挖宽度越小,被动区平均土压力增长率越高,曲线斜率越大,随着基坑宽度逐渐增加,基坑被动区土压力逐渐减小,最后逐渐趋于稳定。研究成果为狭窄型基坑在悬臂式支护体系下支护结构的优化、成本的节约提供了借鉴。

考虑c-φ回填土坡面倾角影响的挡土墙非线性主动土压力研究

为研究挡土墙后回填土坡面倾角对挡土墙主动土压力的影响,首先基于莫尔圆推导了任意深度处土体滑裂面倾角的理论公式,进而建立回填土非线性滑裂面离散方程.随后考虑回填土重度、黏聚力、内摩擦角以及墙-土界面黏聚力、墙-土界面摩擦角的影响,在非线性滑裂面基础上采用薄层单元法推导了考虑坡面倾角影响的非线性主动土压力递推公式.案例对比表明理论计算结果与实测值吻合很好,验证了理论的正确性;同时,该理论克服了传统的郎肯及库伦法无法求解回填土坡面倾角大于回填土内摩擦角的情况.参数分析结果表明:挡土墙主动土压力合力E_a随着回填土坡面倾角与回填土内摩擦角之间比值的增加而呈非线性增加,并在该比值的临界处达到主动土压力合力最大值E_(a, max);随后E_a随着该比值的增加而快速衰减,这是由于过大的坡面倾角使得土体产生塑性流动破坏.E_(a, max)随着回填土内摩擦角、重度及挡土墙高度的增加而增加,而其他参数对E_(a, max)影响非常小;坡面倾角与回填土内摩擦角临界比值随着回填土黏聚力的增加以及回填土内摩擦角、重度及挡土墙高度的减小而增加.

回填土作用下的竖向分层土主动土压力分析

分层土主动土压力以水平向研究较多,竖向分层土土压力计算还少见。基于极限平衡分析方法,推导回填土作用下的竖向分层土主动土压力计算公式,并分析墙土摩擦角δ、墙背倾角β、回填土深度h、回填土范围a、回填土抗剪强度指标C和φ对主动土压力及破裂角的影响。研究结果表明:本文土压力计算方法适用更广,规范法给出公式是本文方法的特殊情况;主动土压力随着δ、β、C、φ的增大逐渐降低,随着h和a的增大逐渐增加,其中a、C、φ对土压力影响较大;破裂角随着δ、β、h、C的增大逐渐降低,随着回填土范围a的增大先上升后逐渐趋缓,随着φ的增大先降低后增加。

绕墙底转动模式下装配式挡土墙土压力研究

墙背土压力分布及大小是装配式挡土墙设计的关键依据。设计并开展新型装配式混凝土挡土墙现场试验,研究挡土墙在加载条件下的位移模式和土压力分布规律。以现场试验为原型,建立无黏性填土、墙背倾斜且粗糙的挡土墙理论计算模型,同时考虑挡土墙位移模式与大小、土拱效应和土层间剪应力的影响,采用水平层分析法推导了绕墙底转动(RB)模式下挡土墙的土压力计算公式。结果表明:①该装配式挡土墙整体性能良好,绕墙底刚性转动。在RB模式下,墙顶处土体最先达到主动极限状态,土体从上至下逐渐达到极限状态;任意深度处的土体位移S_(c)达到7 mm时将达到极限状态,即S_(c)=0.16%H(H为墙高)。②本文理论解与试验值吻合较好,计算公式可用于求解挡土墙绕墙底转动过程中的土压力分布及大小。③随着挡土墙转动幅度的增大,土压力分布曲线凹向逐渐明显,土压力合力作用点高度呈现先降低后回升的现象;挡土墙转动角度η=0.007 rad为挡土墙达到主动状态的临界值。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

地震条件下挡墙后黏性土主动土压力研究

采用水平层分析法,得到了地震条件下挡墙后黏性土主动土压力合力和作用点位置、土压力强度分布以及临界破裂角的解析解。公式考虑了水平和垂直地震加速度、挡墙墙背倾角、填料黏聚力和内摩擦角、填料与墙背的黏结力和外摩擦角、均布超载等因素,并分析了这些因素对主动土压力的影响。结果表明,朗肯和库伦理论下的主动土压力公式以及Mononobe-Okabe主动土压力公式与地震条件下的主动土压力公式完全一致。地震条件下的主动土压力强度沿墙高呈非线性分布。水平地震加速度增大了主动土压力,垂直地震加速度使得主动土压力有所减小。