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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

墙后三角形填土主动土压力理论计算研究

根据实际工程情况,对挡土墙后三角形填土受力机理进行分析。通过土体极限平衡理论和平面滑裂面假定,建立该种情况下主动土压力分析计算模型,推导考虑粘聚力时三角形填土破裂角的计算公式。公式表明,剪切破裂角是与计算深度、填土粘聚力和内摩擦角、填土与挡土墙体摩擦角、填土与地面的夹角有关的一个变量值。通过算例的参数对比分析,剪切破裂角随计算深度的增加而减小,随填土与地面夹角的增加而减小,随粘聚力的增加而增大,随内摩擦角的增加而先增大后减小。最终,将三角形填土主动土压力计算与朗肯主动土压力计算结果进行对比,验证了推导公式计算的正确性,可给类似工程提供计算参考。     

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。     

传统挡土墙设计的可靠性分析

长期以来，挡土墙的设计一直依据朗肯或库仑土压力理论。为得到闭合解，这些传统土压力理论均似定均质土体，实际上，土体性质是空间变化的，这样设计中就隐含两个问题：(1)取样获得的土体性质能否完全反映墙后所有填土的性质；(2)土体性质的空间差异是否会导致主动土压力与传统方法预测的结果有很大差别。本文把非线性有限元和随机场模拟结合起来，研究了这两个问题，并对目前设计方法的安全性进行了评价。本文对一个二维、墙壁光滑的挡土墙进行了实例研究，墙后是排水的无粘性填土，该挡墙用朗肯土压力理论进行滑移计算。设计所用的摩擦角和土体重度在模拟的随机场中某一位置取样获得，并被当作有效土体参数用于朗肯模型中。当修正后作用在挡土墙上的朗肯土压力小于实际土体参数的随机有限元计算结果时，挡土墙破坏。本文借助蒙特卡罗模拟方法，将传统设计方法的破坏概率用一个包含安全系数和土体空间变异性的函数评估。     

基于滑面正应力假设的土压力计算方法

基于滑面正应力假设,提出一种新的极限平衡方法计算挡土结构土压力。首先假定滑裂面上正应力分布为含2个待定参数的三次拉格朗日插值函数;推导出包含主动土压力的水平力、垂直力和绕挡土墙顶点旋转的力矩平衡方程;然后采用优化方法确定最危险滑裂面位置及对应的最大主动土压力。与传统土压力计算方法相比,作者提出的方法可以给出精度较高的土压力分布,且可分析土压力作用点位置对土压力值的影响,其土压力计算方法可应用于工程上。     

挡土墙与土界面摩擦角为负的地震被动土压力解析解

目前大多数被动土压力问题研究的是挡土墙背与土界面摩擦角为正的情况（墙身相对土体向下移动）,而挡土墙与土界面摩擦角为负(墙身相对土体向上移动)的被动土压力问题则研究的较少。在平面滑裂面假设的基础上,利用散粒体Kötter方程得到破裂面土抗力的分布,结合拟静力法通过极限平衡分析得到了挡土墙与土界面摩擦角为负时的地震被动土压力系数、被动土压力合力和被动土压力合力作用点高度的理论公式。在地震荷载作用下,竖向地震加速度系数总是减小被动土压力,水平向地震加速度系数或减小或增加被动土压力系数取决于挡土墙倾角、挡土墙背与填土界面摩擦角、填土摩擦角。随地震加速度系数的增加,地震被动土压力系数变化越明显。利用破坏土楔弯矩平衡条件得到了地震被动土压力的作用点高度,且土压力作用点高度随水平向地震加速度系数的增加而减小。地震被动土压力系数和土压力作用点高度与相关文献结果吻合较好,可为锚、输电线路等基础受上拔荷载时设计所采用。     

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.     

基于极限平衡的一种朗肯土压力证明方法

应用极限平衡理论和对岩土材料的刚塑性假定来分析挡土墙上土压力分布是工程中常用的方法，通过提取滑动面上的三角形单元，以及与之相关的竖直微条和水平微条，加之一些近似假定，建立三者的静力平衡方程。方程求解结果和朗肯主动土压力和被动土压力一致。     

面板倾角对模块式面板加筋土挡墙筋材内力的影响

土工合成材料加筋土挡墙具有良好的力学性能和优越的经济性等优点,在国内外得到了越来越广泛的应用。然而,众多加筋土挡墙的试验数据表明,对加筋土挡墙受力机理的理论研究是滞后于工程建设实践的。针对筋材内力计算这一重要问题,研究了面板倾角对加筋土挡墙筋材内力的影响。首先,以RMC试验挡墙为原型,验证了数值模拟方法的有效性;然后,利用数值模拟方法,分析了不同工况下,加筋土挡墙内竖向土压力和筋材应变随着面板倾角增大的变化趋势。数值模拟结果表明,筋材内力随着加筋土挡墙面板倾角的增大而降低。在数值研究结果的基础上,从潜在滑动面附近土单元应力状态及滑动楔形体的平衡两个方面分析了面板倾角的作用机理,定位了填土竖向土压力以及面板基底水平摩擦阻力两个影响筋材内力的关键因素。     

RT模式下考虑主应力偏转的刚性挡墙地震主动土压力

依据拟静力学理论,考虑主应力偏转的影响,推导了绕墙顶转动模式(RT模式)下的地震主动土压力的计算公式。通过旋转挡土墙的解析模型,将地震问题转化为静力问题,并根据库仑土压力理论得到地震主动破裂角。在此基础上改进圆弧形小主应力偏转迹线,利用摩尔应力圆得到了RT模式下地震主动侧压力系数和水平微元土层间摩擦系数公式,提出基于微分薄层法的地震主动土压力解析式。分析了主要参数对地震主动破裂角、地震主动侧压力系数、水平微元土层间摩擦系数、地震主动土压力分布和侧向土压力作用位置的影响。将解析结果与其他土压力理论及试验数据进行对比,结果表明本文方法更为可靠。