有限黏性土体主动土压力计算分析

当拟开挖基坑距已有建筑物地下室较近时,基坑支护结构承受的是有限土体的土压力,此时土压力不能采用建立在半无限假定基础上的朗肯理论或库伦理论进行计算。根据实际情况,建立有限黏性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,考虑地下室侧壁与有限土体间的相互作用力以及填土裂缝的基础上,建立有限黏性土体主动土压力计算公式,推导出有限黏性土体主动土压力系数表达式。通过与数值模拟结果及以往计算方法结果对比分析,考虑填土裂缝影响的黏性土体主动土压力计算方法更加符合实际。     

狭窄黏性填土刚性挡墙主动土压力研究

对于临近既有地下室或竖直基岩面的挡土墙,由于墙后填土宽度有限,采用经典的库伦、朗肯土压力理论计算挡土墙主动土压力是不合适的。采用有限元分析软件ABAQUS,对狭窄黏性填土刚性挡土墙的主动土压力问题进行研究,探讨了墙后土体的临界裂缝深度和滑裂面的发展规律。考虑墙土之间的黏着力和填土竖向裂缝,建立新的理论分析模型,得到了挡土墙水平主动土压力合力的求解方法和主动土压力分布的解析公式。土压力合力系数与土压力强度的理论解和数值解吻合较好,验证了本文理论解的合理性。研究表明,主动极限状态下,填土表面两侧均将产生竖向裂缝,且临界裂缝深度不随填土宽度变化,其值与朗肯裂缝深度接近;随着填土宽度的减小,填土内将产生一道甚至多道滑裂面,挡土墙主动土压力也从基于半无限土体假定的广义库伦土压力值逐渐减小。     

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。     

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。     

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 。     

无黏性有限土体主动破坏及土压力离散元分析

建立在半无限土体假定上的朗肯土压力理论和库伦土压力理论,在挡土墙后填土有限的情况下不再适用。针对墙后无黏性填土,采用离散元方法分别对光滑、粗糙墙面平动模式下墙后有限宽度土体主动破坏的过程进行研究,分析了挡土墙运动过程中滑裂带发展、土体位移规律以及墙后水平土压力分布的情况。研究结果表明,墙体光滑情况下,滑裂带呈直线,墙后填土宽高比较小时,可以观察到滑裂带的反射,墙后土体呈多折线破坏模式,滑裂带倾角基本与库伦理论滑裂带倾角相等,且与土体宽高比无关,水平土压力合力受土体宽高比影响亦不大。墙体粗糙情况下,滑裂带呈曲线,反射现象随墙体粗糙程度增加而减弱,滑裂带倾角随土体宽高比增大而减小,最终落于库伦理论滑裂带内侧。此时,存在一临界宽高比,当墙后土体宽高比小于此值时,主动土压力随宽高比增大而增大,大于此值时,主动土压力不受宽高比影响。而无论墙体粗糙与否,墙后土体宽高比越小,达到极限状态所需墙体位移均越小。     

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。     

各向异性砂土主动土压力的离心模型试验研究

 利用新研制的土压力离心模型试验设备,通过土压力盒测量作用在挡土墙上的土压力分布,利用非接触图像测量系统(GIPS)测量土体位移,对各向异性的南京云母砂分别进行沉积面铅直和水平两个方向的土压力离心模型试验。通过对比试验得到的土压力分布与理论公式计算得到的各向同性砂土土压力分布,以及两种沉积方向的砂土的滑裂面位置,对各向异性砂土的土压力及土体变形破坏问题进行初步研究。结果表明：随着挡土墙向远离墙后填土方向运动的位移不断增大,作用在挡土墙上的土压力逐渐减小,墙后填土中各点的位移不断增大,在墙后土体中逐渐形成滑裂面。当挡土墙的位移量达到10－3H(H为试样模型高度)时,墙后填土达到主动极限平衡状态。受到片状云母颗粒排列方向的影响,沉积面铅直的土体滑裂面比沉积面水平的滑裂面略显平缓。     

粘性土主动土压力库仑精确解的改进

基于库仑理论的平面滑裂面假设,考虑滑裂面上填土凝聚力及填土与挡土墙墙背接触面上粘着力,对粘性土主动土压力的库仑精确解算法进行了改进。改进的库仑精确解算法对超载的处理及裂缝深度的计算简单;对按不考虑填土表面出现裂缝的情况,只需取Z0=0,与按出现裂缝情况完全相同。公式计算简便,精度可靠,易于推广应用。     

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。     

边坡喷锚支护浅释

主动土压力的滑裂面是产生最大主动土压力的滑裂面，是求极值得到的，有人称滑裂面以上的土体为滑动土体，滑裂面以下为稳定土是不确切的，试问如果坑壁为砂土，支档结构撤除后土坡立即坍塌成为自然安息角Ф的坡面。Ф远小于主动土压力滑裂面的倾角。所以不能将最大主动土压力滑裂面以下的土体称为稳定区，免得产生误解。     

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。     

挡土墙土压力线性分布解

基于库仑理论的平面滑裂面假设,采用斜向条分法推导考虑滑裂面上填土的黏聚力、墙土间黏着力、均布超载条件下的黏性土主被动土压力合力及其作用点位置、土压力强度计算式,并给出临界破裂角的显式解答。分析结果表明:斜向条分法有效验证库仑理论假设土压力强度沿墙高线性分布的合理性,且现行经典朗肯和库仑土压力理论计算式皆为该公式在相应简化条件下的特例,对应用条分法计算土压力做了重要补充。     

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。     

地震作用下挡土墙主动土压力计算方法

基于朗肯土压力分析原理和拟静力方法,对地震条件下挡土墙后无限倾斜黏性填土进行受力分析,选取菱形的微小单元体为研究对象,采用应力莫尔圆图解法对微小单元体进行应力状态分析,在此基础上推导出倾斜填土条件下黏性土地震主动土压力计算公式,分析外摩擦角、水平地震系数、竖向地震系数、内摩擦角、黏聚力对地震主动土压力系数的影响规律。算例结果表明:经典朗肯土压力公式和倾斜填土面黏性土朗肯主动土压力公式只是本文公式的特殊情况;该公式不仅适用于地震条件还适用于静力条件,和现有几种计算地震主动土压力方法进行了对比分析;本文公式和现有几种方法计算结果相差较小,其最大差值不超过8%;在地震作用下外摩擦角取值大小对地震主动土压力系数影响不大。     

基于CSA和薄层单元法主动土压力计算方法

土压力计算一直沿用经典朗肯和库仑士压力理论，所得土压力沿墙高呈三角形分布。而实际上认为挡土墙后土压力总是沿墙高呈三角形分布是不合理的，墙体位移量和形式不同，土压力分布将呈现不同的曲线形式，墙背与填土间的摩擦以及滑裂面的形状对土压力分布也有重要影响。假定挡土墙后土体潜在滑裂面由对数螺线滑动面和平面组合而成，根据挡土墙后土体薄层单元的平衡条件推导出粘性土层主动土压力的计算公式。通过在普通模拟退火算法中引入复合形法进行局部最优解搜索。得到了一种搜索性能更好的复合形模拟退火算法，并将其用于挡土墙后填土潜在最危险滑裂面搜索和相应的主动土压力计算，并给出了两个算例。其计算结果表明：与传统的朗肯和广义库仑土压力理论的计算结果相比，所提方法更符合实测结果。     

考虑黏聚力及放坡角度的土钉墙侧土压力计算

基于极限平衡理论及平面滑裂面假定,在考虑土黏聚力及放坡角度的基础上,推导了平面滑裂面剪切破坏角的数学表达式。结果表明:平面滑裂面剪切破坏角与土的黏聚力、计算深度无关,与放坡角度和土的内摩擦角均成线性关系。在剪切破坏角计算的基础上,建立了一个符合实际的土钉墙侧向土压力计算公式。实例计算结果表明:建立的土钉墙侧向土压力计算公式适用于不同放坡角度的土钉墙,不但适用于无黏性土,同样适用于黏性土。     

挡土墙被动土压力的库仑统一解

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,指出库仑土压力理论存在的一些缺陷,明确提出极限土压力是由墙后塑性土体产生,并假定塑性区的一族滑移线为直线即平面滑裂面,建立了更为完善的滑楔分析模型,求解了在一般情况下考虑黏性土作用的挡土墙被动土压力、滑裂面土反力以及它们的分布。经典库仑和朗肯被动土压力为其特例。     

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。     

基坑地连墙后有限土受力特性试验研究

为了研究城市基坑施工地连墙后有限宽度无黏性土的破坏模式及其压力分布特征,依托可模拟不同复杂工况的试验模型箱,开展地连墙平动模式下的主动土压力模型试验。通过数码相机记录填土随地连墙平行移动过程中的破坏全过程,采用颗粒图像测速技术分析有限宽度无黏性填土的变形特性和有限填土的破坏形式,并将测得的主动土压力与理论解进行对比。试验结果表明：有限填土几何条件的变化将影响填土的破坏模式,两侧边界的限制是地连墙平动模式下有限填土内部产生多道滑动面的主要原因,滑动面以曲面形式呈现;主动土压力值随填土宽高比的增大而增大,半无限土体状态下,主动土压力值接近库伦土压力值;第一个“反射点”随自然坡面倾角的增大而上移;随着有限填土区域的增大,主动土压力值也逐渐增大。