考虑土拱效应的挡土墙地震主动土压力静力研究

 在Mononobe-Okabe拟静力学理论的基础上,对挡土墙后填土进行应力分析,根据静力平衡求得滑裂面水平倾角。再结合土拱效应原理采用水平层分析法,对处于正常受力状态的填土微元体进行应力分析,并根据静力平衡和力矩平衡建立方程组,从而求得适用范围更广的地震作用下墙后土体的主动土压力、土压力系数、土压力合力作用点位置等的计算公式。利用数值方法分析土内摩擦角、墙土面摩擦角以及水平和竖向地震系数对滑裂角、主动土压力、土压力系数、土压力合力作用点位置的影响,并将计算结果与其他计算方法所得结果以及试验结果进行对比分析。     

既有折线滑裂面下挡土墙主动土压力研究

基丁库伦上压力理论,采用平行滑裂面的微分单元法,推导Ⅲ以陡峻的折线型稳定岩石坡面为滑裂面下的捎土墙主动土压力合力大小、土压力分布、合力作用点位置计算式,对规范采用的以稳定岩石坡面为单一直线滑裂面下的挡土墙主动土压力计算式进行改进,算例分析表明：在折线滑裂面下,滑裂面的转折点高度与转角大小变化将使得土压力的计算结果增大;当折线滑裂面退变为直线滑裂面时,既有折线滑裂面下挡土墙主动土压力计算式可以简化为规范公式。     

基于模型不确定的挡墙土压力计算

基于模型不确定性土压力问题,从滑动土体整体静力平衡方程出发,推导了一般情况下土压力泛函极值等周模型,包含了主动和被动极限状态两种情况。通过引入坐标变换对土压力变分问题进行求解,得到了滑裂面函数和沿滑裂面分布的法向应力函数,将土压力的求解进一步转化为以两个拉格朗日常数为未知量的函数的极值问题。在函数Ф随作用点位置系数ξ的变化曲线中,可以找到一段Ф=0的水平直线段,此直线段即为合理作用点位置系数范围,由此可以确定对应的土压力范围。通过算例对主动和被动两种情况予以说明。计算表明,作用点位置系数存在上下界限值,且分别对应土压力最大值和最小值及对应的滑裂面。土压力的大小和作用点位置依赖于挡墙变位模式,作用点位置系数上下限处所对应的土压力构成的数值范围,包含了各种挡墙变位模式下的土压力。通过本文提出的方法可以得到挡墙不同变位模式下,土压力大小和作用点位置的区间估计,以便为工程设计人员选用。     

基于滑楔平衡法的土钉力计算

现有土钉力计算方法大多是基于土压力理论分析的,而土压力理论在土钉墙中是否适用值得探讨;近年有的学者提出增量法计算土钉力,而增量比例系数颇受争议。针对现有土钉力计算方法的不足,本文提出了有效下滑力的概念和基于滑楔平衡法的土钉力计算方法。通过对有效下滑力分布规律、土钉受力机理分析表明:土钉受力主要受临界深度以下土体的有效下滑力影响。用工程实例对基于滑楔平衡法的土钉力计算方法进行验证,结果表明这种计算方法是合理的。     

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°+j/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。     

考虑土拱效应的非垂直挡墙地震主动土压力

由土拱效应原理得到滑裂土体的墙面和滑裂面上的应力,然后根据拟静力法和滑裂土体的整体受力平衡,得到平移模式下非垂直刚性挡土墙的地震主动破裂角计算式。进一步根据水平层分法获得墙背地震主动土压力及其系数、地震主动土压力合力及其作用点高度等的计算式。此外,分别讨论墙背倾角、填土内摩擦角、墙土摩擦角、地震系数和填土表面荷载等对地震主动破裂角、法向地震主动土压力分析、地震主动土压力合力系数、地震主动土压力合力及其作用点相对高度等的影响。     

黏性土求主动土压力的库尔曼法及应用

基于库仑理论的平面滑裂面假设,利用库尔曼图解法求无黏性土土压力原理,考虑滑裂面上填土的黏聚力和填土与挡土墙背之间的黏着力,推出求黏性土主动土压力的新方法。方法可以使用假定滑裂面的方式进行编程试算从而求得主动土压力及破坏面倾角。采用VB.net为开发平台编制了程序。计算显示该方法易于实现且精度高,原理简单,便于推广应用。     

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。     

L型挡土墙主动土压力计算的基底摩擦系数折减有限元法

提出了通过将基底摩擦系数进行折减,按与传统刚塑性体极限平衡理论相对应的变形体极限平衡理论,采用有限元接触模拟算法进行L型挡土墙主动土压力计算的方法。按照该方法,利用著名非线性有限元分析软件ABAQUS进行了实例计算,以数值模拟手段揭示了坦墙后第二滑裂面的存在,证实了理论上的假设。真实揭示了符合坦墙条件的L型挡土墙后填土中第一和第二滑裂面的位置,且揭示对不严格符合坦墙条件的L型挡土墙,其填土中可能出现第三滑裂面。该方法具有理论上的严密性,而且算例计算比较表明,可更为准确合理地计算出L型挡土墙立板上主动土压力的分布形式及大小,较朗肯土压力理论更加可靠,现行朗肯理论计算的抗滑移稳定安全系数偏于保守,而抗倾覆稳定安全系数偏于危险。同时,该方法计算效率较高,因而具有良好的应用前景。     

刚性挡土墙主动土压力分析

运用条分法,通过单元条块的平衡条件,推导出曲面滑裂面下刚性挡土墙面主动土压力分布,并同库仑土压力理论计算结果进行比较。由计算结果可以看出,库仑主动土压力理论计算的土压力偏小,只有当挡墙面直立和光滑时,墙上土压力分布才为直线型。     

挡土墙上被动土压力的变分求解方法

基于滑楔体整体极限平衡方程,根据变分法原理推导了被动土压力泛函极值的变分模型,并引入拉格朗日乘子,将等周变分模型转化为含有两个函数自变量的泛函极值模型。依据欧拉方程、边界条件和横截条件,得到了滑裂面函数和滑裂面上的应力函数,函数泛函极值模型转化为两个未知量的函数优化模型。算例表明,对于一般土体,在作用点位置系数下界限处,滑裂面呈现对数螺旋曲面,此时被动土压力最小;当作用点位置上移时,被动土压力呈非线性增长,在作用点位置系数上界限处,滑裂面为平面,被动土压力达到最大,与库仑土压力理论解完全一致,但作用点在墙体的相对位置并非在墙高的1/3处。结果表明,被动土压力大小和作用点位置受坡面的起伏和坡面超载的不均匀性影响比较明显。     

极限平衡法计算土压力系数的新途径

对传统的极限平衡条分法进行改进,提出计算无超载情况下无粘性土的土压力系数的一种新途径.针对这种问题的特殊性,将土体划分成三角形条块体系;引入斜条块间推力倾角函数;根据最优性原理,迅速准确地确定最危险的滑裂面;从而得到最大的主动土压力系数或最小的被动土压力系数,并且保证破坏土体的力与力矩的平衡.本文方法避免了严格塑性力学解法的繁琐,同时很大程度上克服了其它近似方法的不精确性等缺点,可用于一般工程设计.     

挡土墙地震主动土压力的库仑解

传统的Mononobe-Okabe法在实际工程中有着广泛应用,但它仅适用于无黏性土的极限土压力计算,且不能给出土压力分布。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,假定墙后塑性区的一簇滑移线为直线即平面滑裂面,考虑墙背倾角、地面倾角、土黏聚力和内摩擦角、墙土之间黏结力和外摩擦角、地面均布超载、塑性临界深度以及水平和竖向地震系数等因素的影响,建立较为完善的塑性滑楔分析模型,进而采用极限平衡法求解挡土墙地震主动土压力、滑裂面土反力及其分布,并且通过量纲一化的分析首次提出几何力学相似原理。研究结果表明,总地震主动土压力随水平地震系数代数值的增大而增大;但随竖向地震系数代数值的增大并非总是减小,当水平地震系数较大时,可能出现先减后增的情况。     

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 和第一道滑裂面倾角 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 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 取定值且 0°时, 随着n的增大而增大,而 和 随着n的增大而减小,当 时, 和 值与库仑解一致;当 0°时,不论n取何值, 和 值恒等于朗肯理论解,且 。     

一种边坡稳定性分析的三维极限平衡法及应用

将离散后的条柱间作用力等效成滑面正应力,依据整个滑体的平衡条件,提出一种适用一般空间形态滑面的边坡三维极限平衡法。首先通过类比经典土压力理论和Spencer的条间力假定,提出了条柱间作用力假设模型,由典型条柱的平衡条件得到滑面正应力的分布函数(含3个待定参数),再根据整个滑体的4个主要平衡条件建立平衡方程,采用数值方法和解析法求解平衡方程组获得三维安全系数。算例验证研究结果表明：该方法计算结果与已有方法相印证,其精度与严格三维极限平衡法相当,适用于任意空间滑面形态。最后,应用该方法初步评价金坪子II区边坡的整体稳定性,取得较理想的效果。该方法理论严谨,结果可靠,计算过程简单且易于编程,可在边坡工程设计及滑坡治理中推广应用。     

刚性挡土墙非线性主动土压力分析

挡土墙后土压力分布受许多因素影响,多数情况下为曲线型。墙后土楔体达到极限平衡状态时,滑裂面形状一般也不是平面。作者运用条分法分析曲面滑裂面下墙背直立刚性挡土墙上主动土压力分布,并同库仑土压力计算结果进行比较。可以看出,库仑主动土压力偏小,只有当挡墙面光滑时,分布才为直线型。     

一般形状边坡三维极限平衡解答

本文基于空间滑面正应力修正模式,提出一般形状边坡三维极限平衡新解法。假设三维滑面正应力的初始分布,用含有3个待定参数的修正函数对其进行修正,使滑体满足3个方向力的平衡条件以及绕垂直滑动方向坐标轴的力矩平衡条件,推导出关于安全系数的3次代数方程,得到边坡3D安全系数显式解。本文方法无需对条柱间作用力进行假设,计算原理简单;安全系数由显式解直接计算,无需迭代,不存在收敛性问题;由于满足4个平衡条件,计算结果可靠;适用任意形状的非对称边坡,工程应用前景广。算例与工程应用计算结果表明了方法的有效性与实用性。