基于广义有效应力原理的水土压力统一计算理论

为弥补水土压力合算与分算之间的跳跃,需要建立水土压力统一计算理论。以理想饱和砂土模型为分析对象,在"非充分浮力"和"充分浮力"概念的基础上,从一个全新的角度阐述了有效应力原理公式的物理本质及推导过程;在此基础上,通过引入折减系数,将适用于饱和砂土的狭义有效应力原理扩展到适用于饱和岩石等孔隙发育不充分介质的广义有效应力原理;在广义有效应力的基础上,以水土分算为基础,推导出了水土压力合算与分算的统一计算公式;为解决统一计算公式中的抗剪强度指标选取问题,依据有效应力强度指标和总应力强度指标,推导了统一抗剪强度指标公式。水土压力统一计算公式理论依据充分、推导过程严谨,实现了水土压力计算结果从砂土到黏性土的过渡,具有很强的理论意义和工程应用价值,可为完善土力学基础理论体系提供参考借鉴。

对“水土压力统一计算理论的证明及水土共同作用下的压力计算”的讨论

笔者怀着激动的心情拜读了《岩石力学与工程学报》2012年第2期上王洪新先生撰写的“水土压力统一计算理论的证明及水土共同作用下的压力计算”一文（以下简称原文）[1]。原文与王洪新嘲互为姊妹篇，通过这2篇论文，

“对‘水土压力统一计算理论的证明及水土共同作用下的压力计算’的讨论”的回复

首先，非常感谢李大鹏和薛宇龙两位学者对笔者发表在《岩石力学与工程学报》2012年第31卷第2期上的论文“水土压力统一计算理论的证明及水土共同作用下的压力计算[1]”和2011年第30卷第5期上的论文“水土压力分算与合算的统一算法[2]”给予的关注和有益讨论（以下简称“讨论稿”）。

水土压力统一计算理论的对比研究

基于有效应力原理的水土压力统一计算理论,将引入水道率的水土压力统一计算理论和考虑土颗粒接触面积的水土压力统一计算理论用于计算黏性土的水土压力,并与规范的水土合算理论计算结果对比,评估其工程应用价值。结果表明,引入水道率的理论计算结果与水土合算结果接近,如果再进行研究修正,将具有工程应用价值;但是考虑土颗粒接触面积的理论计算结果与水土合算结果差异较大,仍然需要大量样本进行深入研究。

双剪统一强度理论在土压力计算中的应用

基于双剪统一强度理论 ,将挡土结构与土相互作用问题视为空间问题 ,推导出了黏性土与无黏性土的主动土压力与被动土压力的计算公式 ,并讨论了加权系数b对主动土压力的影响。为验证公式的可行性 ,通过工程实例将计算结果和采用朗肯土压力理论所得的计算结果及实测结果进行了对比 ,对比表明 :朗肯土压力理论所得的主动土压力偏大 ,当b =0 .5时 ,采用公式所得结果比朗肯土压力理论所得结果更接近实测值 。

冲击波在水土交界面透射和反射压力的计算

冲击波在水土交界面的透射、反射压力计算尚缺乏可靠的计算理论,利用质量守恒方程、动量守恒方程以及水、土的状态方程,分别推导得到冲击波在水、土介质中传播的Hugoniot关系以及p-u曲线,进而从理论上解析得到冲击波在水土交界面处的透射和反射压力。分别建立了水中自由场、水-土分层介质场的二维数值计算模型,其中水、土参数与理论推导时采用的三相介质饱和土计算模型中的参数保持一致。计算结果表明,水土交界面透射、反射压力的理论解与数值解具有高度的一致性。采用80 g TNT炸药,距离水土交界面0.1~0.9 m(比例爆距为0.232~2.089 m/kg1/3)爆炸时,得到的透射、反射压力的理论解与数值解误差均小于7%,根据解析解得出反射压力与水中入射压力之比,反射压力系数在1.6~1.8范围内;距离水土交界面0.5 m时,饱和土的含气量在0~10%范围内变化,得到的透射、反射压力的范围为63.8~70.0 MPa,此时其反射压力系数在1.55~1.70范围内。推导得出的冲击波在水土交界面透射、反射压力的计算方法,物理意义明确、计算精度高,可为开展水下爆炸对水底土中工程结构的毁伤评估提供理论基础。

空间主动土压力双剪统一解的简化计算

基于双剪统一强度理论,将作用在挡土墙上的土压力视为空间问题,推导出空间主动土压力双剪统一解的简化计算公式,讨论了中间主剪应力影响系数对主动土压力及其参数的影响,并与已有文献的实例进行对比分析。计算结果表明:推导出的土压力及土压力系数公式可适用于各种不同特性材料的空间土压力简化计算;得出的解具有广泛代表性;随着中间主剪应力影响系数的增大,空间主动土压力减小,土压力系数及土压力作用点距墙顶的竖直距离均略有减小;通过变换中间主剪应力影响系数值可获得一系列的解;在工程运用中可根据土质和工程的实际情况,适当选择统一强度参数来确定土压力的大小。

直槽沟填式刚性管道土压力计算

针对直槽沟埋式刚性管道,建立了直线滑移面土压力计算模型,基于双剪统一强度理论,推导出了新的土压力计算公式。与传统的土压力计算方法相比较,新的土压力计算方法可以考虑中间主应力对管道土压力的影响,土压力理论计算值更为接近管道的实际受力情况。结合工程实例计算分析,揭示了开槽宽度、上覆土层厚度等对管顶土压力的影响规律。所得结论,对管道工程的优化设计具有一定的指导意义。

基坑支护结构上土压力计算方法

近年来,随着我国大规模建筑基坑和地铁、地下商业等地下工程的蓬勃发展,基坑支护结构设计计算中许多问题逐步凸现出来。在基坑支护结构设计中,支护结构上的水土压力计算问题是重中之重,直接关乎一个基坑的安全;针对不同地质情况、选用合理的计算方法是基坑支护结构设计成败的关键。一、影响支护结构上土压力的若干因素现行《建筑基坑支护技术规程》JGJ120-2012中规定基坑开挖过程中,支护结构上的水土压力按朗肯经典土压力理论计算，但通过工程实例检验，其支护结构内力监测值与用朗肯土压力理论计算出的数值有很大不同。

论有效应力原理与大气压力作用力

该文引入土给水度参数,通过力平衡原理修正了竖直水土压力计算公式,提出自由水作用力在土颗粒上的传递率概念,推导出水土侧压力计算新公式,奠定了水土分算与水土合算计算公式的理论基础,实现了水土分算与水土合算的统一计算。采用同种分析方法,推导出考虑大气压力作用力条件下的饱和土和非饱和土有效应力原理公式,并推导出理论上更正确的水土侧压力计算公式。希望为理论土力学的发展和水土侧压力计算提供参考。

深基坑支护设计中的若干问题及新进展

简述了深基坑支护设计理论中所存在的问题 ,并介绍了近十年来深基坑工程的主要研究成果。

试论深基坑支护设计中的若干问题

简述了深基坑支护设计理论中所存在的问题,并介绍了近十年来深基坑工程的主要研究成果。

考虑渗流效应的盾构始发井土压力研究

采用统一强度理论推导出极限状态条件下考虑渗流效应的土压力计算公式,引入了中主应力对土压力的影响参数b,提出了与各土层物理力学参数相关的系数ξ,研究了某盾构始发井围护工程土压力的分布特征.结果表明:影响参数b不同,中主应力对土压力的计算结果影响程度不同,b值愈大,主动土压力pa愈小,引起土压力值的最大差异可达18%;渗流效应对地下连续墙侧的水土压力影响较大,与未考虑渗流的计算结果相比,最大差异可达20%;系数ξ与土层的水力梯度相关,其计算多层土时的水压力分布呈非线性,得到的总压力值更接近实际情况.

盾构隧道开挖面对数螺旋破坏模式研究

利用水土压力统一计算理论,将盾构隧道开挖面涉及的水土压力分算参数和合算参数转变为统一参数,该方法可应用于土层为砂土和黏土的情况,特别适用于土层为黏质粉土及粉质黏土的情况.基于上述计算的统一参数和极限分析上限法,推导了考虑水压影响的开挖面对数螺旋破坏模式的极限支护压力解析解公式;并利用土层厚度加权平均法,对多层土体参数和水压力进行了简化分析,从而可将上述解析解公式应用于多层土盾构隧道开挖面稳定性评价中.结合上海长江隧道实例,利用推导的解析解公式对盾构隧道开挖面极限支护压力进行了计算,并将计算结果与前人研究进行了对比分析.结果表明:所建立的开挖面对数螺旋破坏模式可应用于盾构隧道开挖面稳定性评价中.