地震条件下倾斜挡土墙被动土压力研究

挡土墙的抗震设计是减小地震灾害的一项重要措施。在Mononobe-Okabe平面滑裂面假设的基础上,将随机出现的地震力按最不利工况下的静力考虑,利用水平层分析法得到了地震加速度沿墙高均匀分布时不同挡土墙倾角、填土摩擦角、墙背摩擦角下的地震被动土压力系数、被动土压力强度、被动土压力合力和被动土压力合力作用点的理论公式。分析了地震加速度系数、挡土墙倾角、填土内摩擦角对被动土压力系数和土压力分布的影响,结果表明,地震被动土压力合力与Mononobe-Okabe理论相同,地震土压力强度为非线性分布。在最不利工况下,地震力的出现大大减小了被动土压力,减小的程度随地震加速度的增加而增加。     

地震荷载下的土压力线性分布解

Mononobe-Okabe土压力理论广泛应用于地震效应下的土压力计算,但由于其理论基础为库伦理论,因而只能计算土压力合力。基于Mononobe-Okabe土压力理论的平面滑裂面假设,在拟静力分析法的基础上采用斜向条分法,推导了考虑多种复杂条件下的地震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。分析表明:斜向条分法能够有效验证Mononobe-Okabe理论假设土压力强度沿墙高线性分布的合理性,且在相应简化条件下,该公式给出的土压力合力与Mononobe-Okabe理论的计算结果完全一致。通过探讨水平和竖向地震荷载对土压力的影响初步获得了地震土压力的变化规律。     

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。     

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。     

物部-冈部(Mononobe-Okabe)地震主动土压力计算方法的改进

物部-冈部(Mononobe-Okabe)土压力理论广泛应用于地震作用下的土压力计算,但其关于土压力分布及合力作用点位置的假设与实际情况不符。从墙后滑动楔体中取出一顶面与填土表面相平行的局部楔体,通过建立楔体的力矩平衡方程,获得了侧向土压力系数的理论计算式,在此基础上推导出基于Mononobe-Okabe理论的非线性土压力分布及合力作用点位置公式,相关公式中考虑了挡墙发生偏转对土压力的影响。与试验实测数据的对比分析结果表明:土压力分布及合力作用点位置理论计算值与实测值基本吻合,改进的Mononobe-Okabe理论在有、无地震作用下均较好的反映了土压力的变化规律。     

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。     

考虑土拱效应挡土墙绕墙底转动的主动土压力

采用库仑土压力理论的假设,通过研究刚性挡墙绕墙底转动极限状态土体内主应力拱形状,计算了土层平均竖向应力和剪应力,得到了对应于不同内摩擦角和墙土摩擦角的侧土压力系数和水平摩擦系数的理论公式。将其用于水平微分单元法求解挡墙绕墙底转动时的主动土压力,得到了挡土墙主动土压力强度、土压力合力和合力作用点的理论公式,分析了填土内摩擦角和墙土摩擦角对土侧压力系数、水平摩擦系数、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了比较。     

平移模式下挡墙非极限土压力计算方法

在考虑挡墙平动位移效应和内摩擦角折减系数的基础上,利用薄层斜条分法,提出墙后填土为无黏性土时挡墙非极限主动和被动土压力计算公式。为验证该方法的可行性,对平移模式下挡墙进行主动和被动土压力模型试验,并利用该方法对2个模型试验进行计算分析。试验及计算结果均表明:不同s/sc比值情况下,主动土压力随深度增加表现出先增大后减小的趋势,且在0.6H(H为挡土墙高度)位置与库仑土压力曲线出现交点;被动土压力沿深度非线性增大,但其值均小于库仑被动土压力值;主动土压力合力作用点位置均高于库仑土压力合力作用点,而被动土压力合力作用点位置均低于库伦土压力合力作用点,并且随着s/sc比值的提高差距越大。     

基于库仑理论的主动土压力非线性分布特征

基于库仑土压力理论的假设,挡土墙土压力是由墙后填土在极限平衡状态下出现的滑动楔体产生,对局部三角形滑楔体进行力和力矩平衡分析,建立挡土墙上土压力强度的两个基本微分方程式;比较两式得到了主动土压力分布系数,由此推导了土压力强度和土压力合力作用点高度的理论公式,并分析了填土内摩擦角、墙背摩擦角、填土倾角、墙背倾角和填土表面...     

考虑土拱效应的刚性挡墙主动土压力计算方法

基于极限平衡理论,考虑土拱效应引起的挡土墙后小主应力偏转,将圆弧形小主应力偏转轴近似为直线形。通过改进水平薄层单元法,提出沿圆弧形小主应力拱割线方向划分微分单元进行主动土压力计算的新方法。并推导出平动刚性挡墙以及墙后土体为无黏性土时的主动土压力强度、合力大小及合力作用高度的理论公式。研究了土体内摩擦角、墙土摩擦角、滑裂面倾角参数对主动土压力强度和合力作用点高度的影响。最后通过实例以及与其他方法的比较验证了该方法的适用性。     

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。     

均布荷载作用下的无黏性土地震被动土压力计算

 针对现有地震被动土压力计算方法的局限性与不足,在平面滑裂面假设下,提出采用拟动力法计算填土表面有均布荷载作用下的地震被动土压力,同时得到被动土压力沿墙高的分布曲线。通过分析墙土摩擦角、填土内摩擦角、水平向和竖向地震加速度系数对被动土压力值及其分布的影响,得出地震被动土压力随墙土摩擦角及填土内摩擦角的增大而增大,随水平向及竖向地震加速度的增大而减小。拟动力法计算得到的地震被动土压力值大于Mononobe-Okabe理论的计算值,且所得的地震被动土压力沿墙高呈非线性分布。     

SV波作用下刚性挡土墙地震主动土压力时频域计算方法

 基于弹性波动理论,概化刚性挡土墙的动力分析模型,利用水平分层法,建立单元体的受力平衡微分方程,借助Hilbert-Huang变换,提出地震作用下刚性挡土墙地震主动土压力的时频域计算方法,并通过与振动台试验结果的对比验证该方法的合理性。分析输入波频率对刚性挡土墙墙后填土的临界破裂角、地震主动土压力合力以及作用点的影响,结果表明：随着地震烈度的增大,临界破裂角逐渐减小,地震主动土压力合力逐渐增大,合力作用点位置略有上移;随着输入波频率的增大,临界破裂角和地震主动土压力合力分别呈“倒马鞍型”和“正马鞍形”分布,并且均在输入波频率与刚性挡土墙系统自振频率相近时达到最大,而地震主动土压力合力的作用点则基本上不变;按照现有规范不考虑输入波频率进行刚性挡土墙地震稳定性设计,可能会降低挡墙的地震安全储备。刚性挡土墙地震主动土压力的时频域计算方法不仅能够考虑地震波三要素(峰值、频率以及持时)对挡墙土压力的影响,同时也能够为其他类型支挡结构的抗震时频设计提供一定的参考。     

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。     

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。     

基于微分层平衡挡土墙土压力曲线分布计算理论研究的谬误

微分层平衡是近50年国内外挡土墙土压力曲线分布计算理论研究方法的基础,其侧土压力系数假定方法虽然各不相同但随墙面摩擦角变化规律都与库仑土压力系数悖逆却是共性,推导过程假设计算的侧土压力系数与结论合力土压力系数是仅有定义概念差别的同一物理量却自相矛盾。根据微分层平衡所得土压力分布计算公式数学原理,揭示了只要采用此方法得出土压力为曲线分布的研究成果,必然是假设与结论侧土压力系数自相矛盾并悖逆经典理论的谬论。依该文提出的非极限状态土压力研究方法,有限元模拟计算揭示的变形应力成果,表明挡土墙实际的土压力分布曲线特别是墙底段和铅直土压力根本不同于微分层理论计算结果,进一步阐明了微分层平衡模型不能用于考虑墙面摩擦的挡土墙土压力曲线分布研究,否则假设与结论的自相矛盾、墙底段土压力分布的严重失真而成为谬论,是微分层平衡数学原理和力学模型简化的内在本质必然。