浸水条件下有限土体土压力试验研究与数值分析

采用自主设计自动控制模型箱,开展了墙后有限宽度浸水无粘性土体在绕墙底转动、平动及绕墙顶转动3种位移模式下的主动土压力试验,并通过ABAQUS进行数值模拟,分析研究了墙后不同宽度土体的破坏形式及其土压力分布规律。研究结果表明,3种位移模式下,有限土体宽度较窄时破裂面被固定挡墙截断,随着填土宽度的增加破裂面开始延伸至填土表面,并最终稳定于库伦破裂面内侧。3种位移模式下的有限土体土压力分布均明显小于水土分算值,且随填土宽度的增加而逐渐接近水土分算理论值;绕墙底转动时土压力分布接近三角形分布,平动时土压力随土体宽度增加渐呈“勺型”分布,而绕墙顶转动时则呈“S”型分布规律。     

基于室内模型试验的锚拉式挡土墙力学特性研究

为了研究锚拉式挡土墙在非极限状态下土压力分布及墙体位移变化规律,从力学角度分析了锚拉式挡土墙的作用机理,并基于加筋原理揭示了设置锚杆具有提高墙背土体强度的作用。设计制作了室内模型试验装置,开展了一系列不同预应力水平、不同竖向荷载及二者耦合作用的室内试验。通过分析试验数据,得到了不同影响因素下的土压力合力变化规律及合力作用点位置。结果表明:锚拉式挡土墙由于锚杆的侧向约束作用,墙背土压力峰值出现在锚杆位置处; 分级施加竖向荷载,墙身呈现底部位移略大的平动模式(T模式)外倾; 分级施加锚杆预应力,墙身呈现底部位移略大的向外平动位移模式(T模式); 二者耦合作用下,墙体呈平动叠加绕墙底转动模式(T+RB模式)内倾,但位移量较小; 墙背土压力在预应力、竖向荷载及二者耦合作用下均介于静止土压力与被动土压力之间; 所得结论对工程实践具有指导意义。     

浸水条件下有限土体土压力试验研究与数值分析

采用自主设计自动控制模型箱,开展了墙后有限宽度浸水无粘性土体在绕墙底转动、平动及绕墙顶转动3种位移模式下的主动土压力试验,并通过ABAQUS进行数值模拟,分析研究了墙后不同宽度土体的破坏形式及其土压力分布规律。研究结果表明,3种位移模式下,有限土体宽度较窄时破裂面被固定挡墙截断,随着填土宽度的增加破裂面开始延伸至填土表面,并最终稳定于库伦破裂面内侧。3种位移模式下的有限土体土压力分布均明显小于水土分算值,且随填土宽度的增加而逐渐接近水土分算理论值;绕墙底转动时土压力分布接近三角形分布,平动时土压力随土体宽度增加渐呈"勺型"分布,而绕墙顶转动时则呈"S"型分布规律。     

砂土潮湿状态下悬臂式挡土墙RBT模型试验

鉴于悬臂式挡土墙在实际运营过程中受外界因素影响多呈现为挡土墙平移和绕墙底转动的组合位移（RBT）变形模式,且墙背填料经常处于潮湿状态,经典土压力理论不能合理反映其实际受力状态。为了揭示土体潮湿状态及RBT模式下悬臂式挡土墙墙后土压力分布规律,设计制作了基于RBT模式的悬臂式挡土墙模型试验装置,并开展了不同RBT转动位移量下的模型试验,得到了RBT模式下悬臂式挡土墙墙后土压力分布规律,并与现有理论对比,验证了试验结果的可靠性。依据测试结果,进行了理论公式验证。结果表明:对悬臂式挡土墙施加向外转动位移时,由于潮湿砂土存在较为明显的假性黏聚力,墙背土压力随墙体转动位移的增大而呈现较为明显的先减小后增大的趋势;随着转角增大,水平土压力减小,且下部土体减小趋势较缓,墙体中部位置水平土压力计算值大于实测值。     

两种位移模式下挡墙主动土压力的离散元模拟

挡土墙位移模式是影响挡土墙土压力问题的关键因素之一,位移模式不同,土压力大小、分布也不同。文章用离散元软件PFC2D模拟了不同位移模式下墙后填土为砂土时挡墙土压力问题,分析了总土压力随位移变化情况,土压力分布情况及土体滑裂面形状、顶宽等问题。研究结果表明:土压力分布,大小与挡土墙位移模式有关,挡土墙背离土体平移即T模式下土压力分布呈线性、而绕墙底转动即RB模式下土压力基本呈线性分布,挡土墙位移较小时,土体便能达到主动极限状态;T模式下滑裂面为通过墙底的平面,而RB模式下滑裂面为未通过墙底的平面,T模式下滑裂面顶宽大于RB模式下相应值。     

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。     

基于弹性理论的有限位移条件下挡土墙上土压力解析

经典土压力理论都是通过研究弹性半空间体内的应力状态,根据土的极限平衡条件和楔体的静力平衡条件而得出的。因土具有蠕变及固结特性,所以产生主动土压力和被动土压力的时机都是暂时的,从长久角度来看,因蠕变及固结现象作用在挡土墙上的土压力也都是非极限平衡条件(有限位移)下的土压力。为计算有限位移条件下作用在挡土墙上的土压力,依据线弹性本构理论建立了有限位移条件下挡土墙上的土压力计算式,引入Duncan-Chang非线性弹性模型中的切线模量来反映土体模量随围压的变化,并推导出发生朗肯主动土压力、静止土压力、主应力方向偏转、朗肯被动土压力的界限应变,依据这4个界限应变将作用在挡土墙上的土压力分为5个状态分区,即主动破坏状态区、有限位移主动土压力状态区、主应力反转前有限位移被动土压力状态区、主应力反转后有限位移被动土压力状态区和被动破坏状态区。通过将所提公式的计算结果与模型试验结果对比分析,得出如下结论:当挡土墙产生水平平动位移、绕墙脚的转动位移和水平平动+绕墙脚转动组合位移时,土压力分布均呈非线性分布,且不同位移下土压力随墙深度的计算值与实测值基本一致,说明提出的有限位移条件下土压力的计算式能够很好地应用在实际工程的挡土墙设计中。     

不同位移模式下挡土墙的模型试验及数值模拟

 使用角钢和高强度的有机玻璃,结合按照原型比例设计的尺寸,自制挡土墙模型箱。测试挡土墙在不同运动状态下,墙后土体的水土压力分布,获得剪切带的细观参数。在模型试验基础上,通过二次开发PFC2D颗粒流程序对砂土挡土墙进行离散元仿真模拟。研究不同位移模式：平移(T)、绕墙底转动(RB)、绕墙顶转动(RT),以及2种组合位移模式：绕墙底以下某点转动(RBT)、绕墙顶以上某点转动(RTT)下挡土墙被动破坏机制。分析挡土墙运动过程中侧压力的变化、土体位移场和变形以及挡土墙到达一定位移时颗粒集合体内部的剪应变率分布。通过对比分析模型试验结果与数值模拟结果,结果表明,墙后土体水土压力的模拟结果与试验结果吻合很好,反映水土压力的分布规律。     

绕墙顶转动位移模式下黏性土挡土墙的被动土压力研究

以黏性土为研究对象,针对挡土墙在绕墙顶转动下的土拱效应进行研究。根据土拱曲线的土体应力状态,给出黏性土条件下的侧向被动土压力系数及层间摩擦系数求解公式。在上述两大系数基础上提出了变换方法,将其运用到薄层微分法中,给出了绕墙顶转动下的挡土墙被动土压力分布解。试验结果表明,绕墙顶转动位移模式下挡土墙被动土压力与绕墙顶转动位移模式类似,也呈凹形曲线。随着土拱效应δ/φ的增大,被动土压力非线性分布加强。     

改进的绕墙趾转动主动状态土压力

墙背土压力分布与挡土墙的位移大小、位移模式以及平衡状态密切相关。针对绕墙底向外转动的刚性挡土墙,基于已有的土压力计算理论,结合由卸荷路径三轴试验所建立的填土内摩擦角与挡土墙位移间的关系,提出一种改进的考虑位移影响的主动状态土压力计算方法。分析表明:随着挡土墙位移的发展,墙背土压力由静止土压力逐步减小,当挡土墙位移达到临界值后,相应的墙背土压力均收敛到库仑主动土压力。填土内摩擦角发挥值的分布显著影响墙背土压力分布。非极限平衡状态时,墙背土压力大于库仑主动土压力。     

RTT位移模式挡土墙非极限状态被动土压力分析

挡土墙非极限状态土压力是常态化的。用滑动土楔和水平单元计算概念,就绕墙顶转动加平移之挡土墙被动土压力进行研究。结果表明,RTT位移模式挡土墙非极限被动土压力为上凹曲线分布,合力作用点在墙高的下三分区,随墙体转动和平移量增大,被动土压力非线性增长。墙体转动相对多,合力作用点下移,墙体平移相对较多,合力作用点上移。     

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。     

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。     

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。     

不同位移模式下衡重式路肩墙离心模型试验研究

以某山区公路旧路拓宽改造工程中新建的衡重式路肩挡土墙为原型,设计了墙体在平移(T)、绕墙趾转动(RB)、绕墙顶转动(RT)以及平移与绕墙趾转动复合形式(T+RB)4种位移模式的土工离心模型试验,讨论了挡墙位移模式对墙背土压力和路基填土变形的影响,分析了墙后不同深度土体进入主动状态的进程,试验表明:1位移模式对上墙土压力大小及分布形态基本无影响,但上墙浅层土体在挡墙位移与墙高比值小于0.3%~0.5%时,存在墙–土摩擦引起的土拱效应,使水平土压力系数增大;2由于衡重台的存在,对下墙距衡重台约1/3下墙高度范围的土压力有遮蔽作用,其结果是降低了土压力合力作用点位置;3位移模式对填土沉降有明显影响,在墙体位移最大值相同时,T位移模式的填土沉降明显大于RB和RT位移模式,而RT位移模式,衡重台向下偏转,促进了填土下沉,最终使其填土沉降大于相同位移面积的RB位移模式,也更容易使上墙出现第二破裂面。     

砂土中挡墙不同变位模式主动土压力模型试验

针对刚性挡墙不同变位模式,对基坑开挖过程中土体作用于墙上的主动土压力进行模型试验研究。试验模拟了在平移(T模式)、绕墙趾转动(RB模式)和绕墙顶转动(RT模式)3种基本刚性变位模式下挡墙土压力的变化,得到了墙背主动土压力的基本规律。试验观察发现,挡墙平移时,主动土压力呈重心下移的抛物线形,挡墙变位最大位移约0.002H时达到极限平衡状态;挡墙绕墙趾转动时,主动土压力近似呈三角形分布,约0.0035H时达到极限平衡状态;挡墙绕墙顶转动时,主动土压力呈上部大而下部小的抛物线形,约0.0025H时达到极限平衡状态。本文还将得到的主动土压力规律进行简化,得到了3种基本变位模式下的主动土压力简化图,对工程实践具有指导意义。     

挡土墙非极限状态主动土压力分布

改进库仑极限平衡理论,用于非极限状态主动土压力的研究,认为挡土墙土压力是由墙后填土在平衡状态下出现的滑动楔体所产生。在该滑动楔体上沿竖向取水平薄层作为微分单元体,通过作用在单元体上力的平衡条件,建立挡土墙非极限状态主动土压力基本方程,并结合整个滑楔体的力矩平衡条件,由此得到对应不同内摩擦角、墙土摩擦角和挡土墙位移比的侧土压力系数,将其用于水平微分单元法求解刚性挡土墙平移模式下非极限状态主动土压力,得到挡土墙土压力和合力作用点的理论公式。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、土压力强度、土压力合力、土压力合力作用点的影响,并与模型试验数据进行比较。另外,通过探讨位移比对挡土墙倾覆力矩的影响,认为采用极限平衡理论计算平动模式下刚性挡土墙主动非极限状态时的抗倾覆稳定性偏于危险。     

有限宽度土体被动土压力及滑裂面试验研究

采用无黏性砂开展平动模式(T模式)、绕墙底转动模式(RB模式)、绕墙顶转动模式(RT模式)下有限宽度土体模型试验,利用微型土压力计测试了移动挡墙上的土压力,利用数字图像相关法分析土体变形图像得到了剪切应变(滑裂面)、水平和竖向位移等变形特征。结果表明:(1)T模式下,有限宽度土体滑裂面经过移动挡墙墙踵、固定挡墙墙顶,被动土压力值大于库仑被动土压力,位于挡墙下部H/3范围的土压力受B/H影响较大;(2)RB模式下,滑裂面呈现为以挡土墙顶为中心的多道弧线,弧线半径为H/3~H,被动土压力为“鼓”形分布,当B/H≤1.0时,受固定挡墙影响,滑裂面半径缩小;(3)RT模式下,滑裂面线型特征与T模式相似,被动土压力较大值位于挡墙下部,当B/H减少时,挡墙下部土压力值增大,土体滑裂面范围缩小;(4)不同被动变位模式下,土体位移均可形成大小不同的水平土拱、竖向土拱,土拱形状和大小与变位模式、B/H均密切相关,两土拱的外边缘与滑裂面曲线基本一致。     

淤泥土在被动状态下破坏机理的模型实验研究

目前大量的深基坑开挖工程事故主要发生在沿江及沿海饱和淤泥土地区，其关键问题在于对淤泥土的被动土压力认识不足。针对这一问题，通过大量系统的室内模拟试验，对绕刚性墙板上端转动条件下墙后土体的破坏机理进行了研究。在绕刚性墙板上端转动的被动位移形式下，墙后饱和淤泥土体滑移线产生具有渐进性质，被动状态下的发展过程分为三个阶段，即：线性段；渐进破坏段；破坏发展段。同时试验还表明，淤泥土在被动状态发展过程中，土体所承受的被动荷载大小决定于淤泥的流动性质及墙体转动位移的大小。     

RT模式下挡土墙主动土压力的确定

墙背土压力的分布情况与挡土墙变位模式、墙体位移大小密切相关。考虑位移影响的土压力分析方法是在已知墙体位移大小的情况下,才能计算墙背土压力的分布。针对RT(绕墙顶转动)模式下的挡土墙,从满足挡土墙倾覆稳定性和基底不受拉力的角度考虑,利用改进的水平层析法,建立倾覆力矩和抗倾覆力矩的平衡方程,得到了墙底位移未知情况下确定挡土墙主动土压力的一种方法。分析结果表明:墙宽有一个合理的取值区间,在区间内墙宽的土压力大致在库伦土压力和静止土压力之间;随着墙宽的增大,墙背土压力增大,倾覆力矩和抗倾覆力矩随之增大,墙底位移随着墙宽的增大而减小;墙背越光滑,则倾覆力矩越大,满足倾覆稳定所需的墙宽就越大。