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。     

悬臂式挡土墙主动土压力研究

在填土水平且无粘性条件下,通过水平微元法推求悬臂式挡土墙后四边形滑动土楔形成的主动土压力,得到主动土压力合力作用点高度以及方向的变化规律,并利用数值分析方法得出破裂面倾角的计算公式。结果分析表明：主动土压力系数随土体内摩擦角和墙体倾角的增大而减小,墙土摩擦角的影响较小;计算所得主动土压力小于朗肯、库伦土压力;主动土压力呈凸曲线型分布,作用点高度大于三分之一墙高。     

平移模式下挡土墙主动土压力的确定

平移模式下的挡土墙主动土压力的分布与墙体位移量密切相关。本文考虑挡土墙在满足滑移稳定的前提下,利用改进的极限平衡理论,建立了滑移与抗滑移平衡方程,得到了墙体位移未知情况下,挡土墙主动土压力确定的一种新方法,并分析了墙顶宽度对挡土墙主动土压力分布的影响。结果表明:墙顶宽度有一个合理的取值区间,其区间的上、下限值随挡土墙的基底倾角、墙面倾角的增大而增大,随填土表面超载的增大而减小;当墙顶宽度小于区间下限时,挡土墙滑移失稳;当墙顶宽度在区间范围内增大时,达到主动平衡状态的位移逐渐减小,主动土压力大致由库伦土压力向静止土压力过渡;当墙顶宽度大于区间上限时,主动土压力分布则与静止土压力分布一致。     

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 。     

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。     

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。     

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。     

挡土墙土压力非线性分布的计算方法研究

基于数学方法对斜单元体进行力和力矩的平衡分析, 得到了墙背粗糙且填土坡面倾斜情况下的土压力解析解, 并进一步分析了填土坡面倾角对土压力的影响。对比分析表明: 经典朗肯土压力理论可看作是解析解在墙背光滑、填土坡面水平情况下的特例; 在填土内摩擦角一定时, 挡土墙墙后滑动楔体的极限破裂角随着填土坡面倾角或墙土之间摩擦角的增大而减小。基于解析解得到的土压力分布呈现明显的非线性特征, 且在填土面水平情况下挡土墙墙脚处的土压力为0, 这与实测数据取得了很好的一致。分析还表明, 随着填土坡面倾角的增大, 墙脚处的土压     

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。     

岩石基坑内的填土作用在地下室外墙上的土侧压力实用计算方法

挡土墙后的土侧压力必须按照挡土墙在土压力作用下的可能位移情况来区别对待。当挡土墙在土压力作用下有位移时,随着位移的增大,墙后土压力将逐渐减少,当位移达到一定数值时,土体内出现滑裂面,墙后填土达到主动极限平衡状态,此时作用在挡土墙上的土压力为主动土压力。     

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。     

有限土体刚性挡墙平动模式被动土压力试验研究

经典的库仑或朗肯土压力理论无法适用有限土体情况下的土压力问题。利用研制的土压力试验模型装置,进行了一组不同填土宽度的刚性挡墙平动模式室内模型试验,采用微型土压力盒量测从静止状态到被动极限状态的水平土压力分布的变化,利用颗粒图像测速技术研究土体内滑裂面发展规律。试验结果表明:半无限土体情况下的被动土压力大小、分布和合力作用点与库仑被动土压力较为接近。而有限宽度情况下移动挡墙上各深度的被动土压力值均大于库仑被动土压力,且土体宽度越窄,挡墙的被动极限位移有增大趋势,挡墙下部的被动土压力增大更明显,土压力分布的非线性程度愈高,被动土压力系数越大,被动土压力合力作用点明显往墙底移动。随着填土宽度的减小,填土表面的隆起愈明显,滑裂面的倾角略有增大。当移动挡墙达到或接近极限状态时,固定边界上的水平土压力随填土宽度的减小而逐渐增大,甚至接近库仑被动土压力。     

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。     

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。     

平动模式下考虑剪应力作用的刚性挡土墙主动土压力计算

以墙后为无黏性填土的刚性挡土墙为研究对象,假定破裂面为通过墙踵的平面,且墙后土体中形成圆弧形土拱,考虑滑动土楔内水平土层间的平均剪应力,修正水平层分析法,得到平动模式下主动土压力的表达式。通过与文献中模型试验结果和现有理论成果的对比分析证明了修正方法的合理性。参数分析表明,水平土层间的平均剪应力和主动土压力一样,沿墙高为非线性分布,主要受墙背倾角、墙土摩擦角、填土内摩擦角等因素的影响。对于墙背竖直或墙背较陡且比较粗糙的挡土墙,考虑水平土层间平均剪应力作用算得的主动土压力合力作用点位置高于库仑解且低于不考虑剪应力作用的理论解答,而对墙背较缓且比较光滑的挡土墙,情况则正好相反。而且,不论是否考虑水平土层间的平均剪应力,主动土压力合力作用点位置都会随墙背变缓而降低。     

New procedure for active earth pressure calculation in retaining walls with reinforced cohesive-frictional backfill

A new approach is suggested to determine the active earth pressure on retaining walls with reinforced and unreinforced cohesive-frictional backfill based on the horizontal slices method. A 4n formulation for unreinforced backfill and a 5n formulation for reinforced backfill are introduced and the tensile forces of the reinforcements and angle of failure wedge are calculated. The proposed method shows that the variation of active earth pressure by the depth of the wall in cohesive-frictional soils has a non-linear distribution. Also, the point of application of the pressure always shifts to the lower two-thirds of the wall height. The angle of failure wedge for cohesive-frictional soils increases linearly with an increase in the cohesive strength of the soil. A comparison of the analytical results obtained from the proposed method with those of previous research and AASHTO method results shows a negligible difference. The analytical method presented can be used to calculate the active earth pressure, tensile force of reinforcements and angle of failure wedge for unreinforced and reinforced walls in cohesive-frictional soil.     

考虑土拱效应的挡土墙空间土压力研究

 研究表明土拱效应是影响挡土墙土压力分布的一个重要因素,但目前关于空间条件下考虑土拱效应的挡土墙土压力研究还很少。通过将土拱效应原理引入顾慰慈等建立的空间土压力计算模型建立了考虑土拱效应的空间土压力计算模型,并将该模型划分为I、II、III、IV四个区域,通过在各个区域内取水平微分单元体,建立各微分单元体的水平和竖向静力平衡方程,推导出了各区相应的挡土墙空间主动土压力计算公式,该公式可以计算出墙背任意位置的主动土压力;并提出了空间土压力合力及其合力作用点的计算方法。通过算例计算可以直观的看出挡土墙后主动土压力的空间分布,由此可以看出,当空间效应存在时考虑土拱效应的挡土墙主动土压力沿墙长的分布与平面应变条件时有很大的不同,此时挡土墙两端附近区域的主动土压力远小于平面应变条件下计算出的主动土压力,同时可以看出考虑空间效应的挡土墙主动土压力合力作用点要比平面应变条件下的位置要高,挡土墙长高比B/H越小空间效应对主动土压力沿墙长的分布和主动土压力合力作用点位置的影响越大。     

Solution to active earth pressure of narrow cohesionless backfill against rigid retaining walls under translation mode

In urban construction, retaining walls are usually constructed adjacent to existing structures, and the width of the backfill is limited. In such cases, classical earth pressure theories, such as those by Coulomb or Rankine, are unsuitable. The active earth pressure acting on the retaining wall of a narrow backfill under the translation mode was explored in this study using a finite element limit analysis. The results show that due to the boundary conditions, reflective shear bands occur in the backfill when it is failing. The number of reflective shear bands is determined. Moreover, a theoretical method is proposed using the limit equilibrium method to estimate the active earth pressure acting on the retaining wall of the narrow backfill. The influence of the parameters on the failure mechanisms and the active earth pressure is also discussed.