膨胀土侧向膨胀力试验研究与应用

侧向膨胀力是膨胀土支挡结构设计计算中的关键参数。为揭示并表征膨胀变形影响下侧向膨胀力的变化规律，研制二维膨胀仪，提出侧向膨胀力试验方法，以广西百色压实膨胀土为对象，分别研究竖向膨胀和侧向膨胀影响下侧向膨胀力的变化规律，并建立相应的关系表达式。试验结果表明：恒体积浸水条件下，侧向膨胀力与竖向膨胀力之比为0.42；完全侧限条件下，侧向膨胀力会因竖向膨胀的增大而减小；竖向应力通过影响竖向膨胀变形从而间接影响侧向膨胀力；竖向膨胀相关的侧向膨胀力折减系数D_f随竖向应力比（竖向应力与竖向膨胀力之比）的变化可用幂函数表征。保持竖向膨胀不变条件下，侧向膨胀力会随侧向应变（侧向膨胀率）的增大而减小；侧向膨胀力越大，最终侧向应变越大；侧向膨胀相关的侧向膨胀力折减系数R随侧向应变比（侧向应变与最终侧向应变之比）的变化亦可用幂函数表征。以浸水条件下大型膨胀土挡墙为例，应用该试验成果分别计算挡墙静止和被推移时的侧向膨胀力沿深度的分布，实测结果验证了计算结果的合理性。提出的侧向膨胀力试验方法和表征公式简单实用，可提高膨胀土支挡结构设计计算中关键参数取值的准确性。     

膨胀土侧向膨胀力及其对重力式挡墙的作用

为研究不同上覆荷载作用下的膨胀土侧向膨胀力及其对重力式挡墙稳定性的影响,在常规固结仪基础上,设计了一种侧向膨胀力试验装置和方法,揭示广西百色膨胀土侧向膨胀力随上覆荷载的变化规律;通过湿热气候长期作用下膨胀土路堤含水率变化的数值模拟,并结合侧向膨胀力试验结果,获得了路堤重力式挡墙静止时墙背侧向膨胀力随时间和深度的变化规律;根据试验间接得到的侧向膨胀力与侧向膨胀率的关系,分析了侧向膨胀力随墙后土体侧向膨胀量的变化及其对挡墙稳定性的影响。研究结果表明:在侧限和无荷条件下膨胀土浸水后仍会产生一定侧向膨胀力;上覆荷载在0~50kPa,侧向膨胀力随其增大而显著增大,且大于相应上覆荷载;上覆荷载大于100kPa后,侧向膨胀力增幅变小并趋于稳定;上覆荷载增至恒体积竖向膨胀力时,侧向膨胀力达到最大;湿热气候长期作用下,膨胀土路堤挡墙墙后土体含水率逐年增加,静止挡墙墙背侧向膨胀力的合力逐渐增大,作用点下移;第5年含水率变化趋于稳定,侧向膨胀力沿墙背分布近似为抛物线规律,其合力为静止土压力的3倍,作用点位于墙背中部;在侧向膨胀力的作用下挡墙会被水平推移2.0cm;若容许墙后膨胀土发生2.6cm的侧向膨胀,可极大减小侧向膨胀力,使挡墙满足规范对其抗滑和抗倾覆稳定系数的要求。     

膨胀土的二维膨胀各向异性试验研究

为给膨胀土地区结构物设计计算提供关键参数，研制了二维膨胀仪，选取广西百色中膨胀土和湖北枝江弱膨胀土，制备不同干密度状态的试样，分别开展了恒体积膨胀力、单向膨胀和二维膨胀试验，分析和表征了竖向和侧向膨胀的规律，并比较了两向膨胀的差异性；通过扫描电镜观察，分析了产生膨胀各向异性的原因。结果表明：恒体积条件下最终侧向与竖向膨胀力之比，以及单向膨胀条件下最终侧向与竖向膨胀率的比值，均会随压实度发生变化，干密度越大两向膨胀力(或膨胀率)的差异性越大；两向膨胀力随膨胀应变的变化均表现出前期快速衰减、后期缓慢衰减的趋势，可用幂函数表征，但拟合参数不同；在二维膨胀条件下，竖向膨胀会影响侧向膨胀，不同程度竖向膨胀后的侧向膨胀规律同样可用幂函数表征，拟合结果表明竖向膨胀会改变拟合参数导致曲线形态的改变，继而影响侧向膨胀力随侧向应变的衰减幅度。干密度增大致使黏土矿物片状颗粒整体更趋向于水平定向排列，这是造成膨胀各向异性的主要原因。膨胀过程中土颗粒的重分布会导致各向异性不断变化，故难以通过竖向膨胀力预测侧向膨胀力，在进行相关计算时建议实测侧向膨胀规律。     

膨胀土地区桩板式挡土墙计算方法研究

膨胀土是一种高塑性黏土,具有吸水膨胀、失水收缩和反复胀缩变形、浸水承载力衰减、干缩裂隙发育等特性,性质极不稳定。本文以陕西安康某市政桩板式挡土墙工程为例对膨胀土地区桩板式挡土墙设计计算中涉及的膨胀土抗剪强度折减、水平膨胀力、剩余下滑力、桩板墙结构验算等问题进行了计算研究,为同类工程的设计与计算提供借鉴。     

重载交通下锚拉悬臂式挡土墙受力特性研究

为研究重载交通下锚拉悬臂式挡土墙的力学响应规律,按照几何相似原则和车轮荷载当量圆换算关系,设计了模型试验,监测并分析了不同等级载荷下锚杆轴力、空间土压力、挡土墙侧向位移的分布特征。研究结果表明:锚拉悬臂式挡土墙在顶部车轮荷载作用下,锚杆轴力及锚杆上部沿轴向竖向土压力在锚固段中间位置荷载集中效应显著;锚杆上部竖向土压力较锚杆两侧及锚杆底部偏大;挡土墙侧向土压力的竖向分布及横向分布都在锚固端位置出现集中现象;挡土墙的侧向位移曲线在锚杆作用位置处出现明显拐点,卸载后,挡土墙的侧向位移回弹量较小。该结论的得出对锚拉悬臂式挡土墙的设计与施工具有一定的参考价值。     

互锚式挡土墙土压力分布规律研究

互锚式挡土墙具有整体性好、抗震能力强等特点,但由于锚杆的互锚作用,其土压力的分布规律较传统挡墙差异很大。为研究互锚式挡土墙的土压力分布规律,进行了室内模型试验和FLAC3D数值计算。模型试验在墙后不同填土深度埋设土压力盒,监测了墙不同填土高度的竖向土压力、侧向土压力以及土压力的横向分布。对照模型试验结果,利用FLAC3D数值计算对模型试验结果进行了验证。结果表明:互锚式挡土墙土压力分布存在明显的三维土拱效应;竖向土压力、侧向土压力和横向土压力均呈非线性分布;竖向和侧向土压力的峰值出现在锚杆附近。     

倾斜刚性挡墙主动土压力的土拱效应分析

根据土拱效应原理和摩尔应力圆,获得了考虑墙背倾角影响的墙背法向主动土压力系数,然后根据水平微分滑裂体的竖向静力平衡得到了平移模式下的倾斜刚性挡土墙法向主动土压力、法向主动土压力合力及其作用点高度等的计算式。进一步分析了墙背倾角、墙土摩擦角和填土内摩擦角对法向主动土压力及其系数、法向主动土压力合力及其作用点高度的影响。     

平移模式下挡土墙墙背土侧压力系数的计算

根据库仑土压力理论中墙背滑动楔体整体达到静平衡的基本原理，假定沿墙高方向，土与墙背的摩擦角均达到极限值，从墙背处土体主应力偏转的应力状态分析出发，得到墙背处的主应力偏转角和土侧压力系数的计算公式；把土侧压力系数用于水平层分析法，建立了竖向土压力的基本方程，求解该方程，导出了挡土墙主动土压力、土压力合力及其作用位置的理论公式。经比较，该方法与其他方法对土侧压力系数的计算结果基本一致，所得的挡土墙主动土压力计算结果与模型试验结果也较为吻合。     

车辆荷载在挡土墙上引起的附加土压力研究

为了研究路面车辆在挡土墙上引起附加土压力的分布规律,结合330国道莲都至缙云段改扩建工程中悬臂式挡土墙的施工,在挡土墙的底板上方和立板内侧埋设了一系列的土压力盒,以工地施工用30 t自卸式货车为荷载源,采用定点停车方式加载,测试了路面车辆荷载(静载)引起的附加竖向和侧向土压力,并将测试结果与规范均匀分布法和弹性力学Boussinesq解进行了对比分析。结果表明:实测附加侧向土压力沿墙高呈非线性分布,峰值出现墙高的中部,峰值随车辆停车位置距挡土墙距离的增加而减小;底板上的附加竖向土压力在横断面方向上也为非线性分布;附加土压力实测值与现行公路设计规范采用的均匀分布法计算结果有较大的差异;若采用均匀分布法确定车辆荷载引起的附加侧向土压力,附加侧向土压力引起的弯矩或倾覆力矩可能被低估,使挡土墙下部的抗弯拉能力和抗倾覆能力不足,同时对于变截面挡土墙(墙身截面尺寸随高度增加而减小),可能造成墙身中上部抗剪强度过小而发生剪切破坏;实测附加侧向土压力的分布规律与Boussinesq解基本一致,但竖向附加土压力较Boussinesq解要大。建议在挡土墙(特别是重载道路挡土墙)设计时采用多车道同时作用有标准车辆时的Boussinesq解作为挡土墙的车辆附加荷载。     

考虑土拱效应的挡土墙被动土压力研究

针对多数挡土墙被动土压力研究未考虑土拱效应和仅考虑砂土影响的现状,对考虑土拱效应的黏性土挡土墙被动土压力进行了研究,给出了黏性土下的侧向被动土压力系数;用应力状态法求解出了绕墙顶转动下的挡土墙被动土压力竖向平均应力及土压力合力及作用点,并结合算例研究了不同土拱效应对被动土压力的影响及不同计算方法对结果的影响。结果表明:由于土拱效应的影响,挡土墙被动土压力呈上大下小非线性分布;随着参数δ/φ的增大,土拱效应增大,挡土墙作用点高度逐步下降。     

墙背及填土面倾斜刚性墙承受的地震主动土压力研究

地震多发区的刚性挡土墙设计,确定地震主动土压力大小及合力作用点位置至关重要,但以往国内外学者多采用拟静力学法进行分析计算.为使理论分析更贴近实际,设地震时墙后填土受到正弦式稳态振动作用并考虑时间和相位差,采用拟动力学的极限平衡方法(仍假定土中破裂面为平面),分析并建立了无粘性填料的墙背及填土面倾斜刚性挡墙地震主动土压力系数、压应力分布及其合力计算公式.在此基础上,探究了填土摩擦角φ、墙背与土摩擦角δ、墙背倾角α、填土面倾角i以及水平与竖向地震加速度对最危险破裂面倾角θ、主动土压力系数及土压应力分布的影响.与已有分析方法比较,该文提出的地震主动土压力呈非线性分布的结论更加符合工程实际.     

均质粘性填土挡土墙地震主动土压力计算方法研究

目前,挡土墙地震条件下主动土压力的计算采用最多的就是Mononobe-Okabe理论公式及其相关改进公式,但这些方法几乎都是在相当的假定和简化条件下进行的,致使公式的适用性受到很大的限制。基于MononobeOkabe理论及其它相关研究成果推求更一般条件下的计算公式,综合考虑墙后填土粘聚力c、内摩擦角φ,墙背与填土间的粘着力c'、外摩擦角δ,填土面倾角β(填土面为单一斜度),地震水平加速度系数kh和竖向加速度系数kv,地面超载q0等因素;并基于拟静力法思想,采用水平层分析法(微分薄层法)得到土压力的分布强度、土压力合力大小,以及土压力合力作用点位置高度计算公式。     

挡土墙墙后填料及计算参数的选择

该文通过比较得出挡土墙墙背填料——砂性土及粘性土的适用条件。同时通过计算,得出在不同高度下粘性土粘聚力对等效内摩擦角Φd的影响,并推导在粘性土粘聚力值的影响下挡土墙墙背填料等效内摩擦角的选用。     

路基挡土墙填土碾压中土压力和位移试验研究

当公路路基挡土墙填筑时,挡土墙受到土体的侧向挤压作用,特别是在碾压时会产生巨大的侧向土压力,导致挡土墙的倾斜。结合盐城示范公路路基挡土墙工程的现场实测数据进行研究,发现在碾压时水平和竖向土压力均有很大增加,但随着压路机的驶离,两者均瞬间减小,但竖向减小的幅度大于水平向;位移的变化随填土高度增加而增加,且后期增加较快。     

路基悬锚式挡土墙墙背土压力分布

路基悬锚式挡土墙是一种新型的挡土墙,其墙背土压力分布与常规挡土墙墙背土压力分布规律不同,不能套用现有的公式进行计算。根据其受力特点,结合项目研究的需要和依托工程的实际情况,确定了以墙高8,9,10 m这3种工况对路基悬锚式挡土墙的墙背受力情况及土压力分布情况进行现场试验和跟踪检测。通过实体工程的实测数据及其结构特点对悬锚式挡土墙的墙背土压力进行了分析,并与墙后土压力设计值及修正后的公式计算值进行了对比。结果表明:路基悬锚式挡土墙各测试点的墙背土压力随时间逐渐增大并趋于稳定,沿墙高呈3段式非线性分布;墙背土压力近似分布图形可以参照现有锚定板挡土墙的计算方法得出,但需进行修正,土压力系数宜取1.2～1.4;为提高挡土墙墙背的受力均匀性及挡墙的整体稳定性,第1层锚杆高度与底板的距离宜为挡墙建筑高度的1/3且距离底板不宜大于2.5 m,各锚杆层间高差宜为2.5～3 m;墙背最上层锚杆位置由于受土压力较小,因此最上层锚杆布设高度宜为距墙顶1/3高处,且适宜高度为2～3 m;悬锚式挡土墙的双层锚杆与锚定板型式建筑高度宜为6～10 m,3层锚杆与锚定板型式建筑高度宜为10～12 m。     

桩承扶壁式挡墙受力特性及监测分析

基于案例和监测数据,通过建立数值模型,分析了桩承扶壁式挡土墙复合结构的位移、应力、土压力随分层填土过程的变化规律。分析结果表明:桩承扶壁式挡墙复合支挡结构可有效控制其自身水平与竖向位移;桩与挡土墙地基土刚度差异对结构水平位移有一定的控制作用;挡土墙与桩的连接处易出现应力集中现象;挡土墙墙背水平土压力分布符合常规的土压力理论,从墙底到墙顶土压力逐渐减小。     

Lade-Duncan准则下的土拱效应原理计算方法分析

现行挡土墙主动土压力计算方法未考虑土拱效应的影响,因而不能全面地反映土体的三维受力特性对挡土墙土压力的影响。根据Lade-Duncan准则在平面应变状态下的表达式,推导了考虑土拱效应影响的挡土墙后侧向主动土压力系数公式及土体竖向平均应力分布公式,得出挡土墙后主动土应力计算理论。结果表明:基于Lade-Duncan准则考虑土拱效应计算的主动土压力较不考虑土拱效应计算的结果偏小,更接近试验结果和实际情况。     

湖南某高速公路膨胀土变形特征相关性试验研究

通过室内大量膨胀土试验，对湖南某高速公路3种膨胀土击实土样的变形特征相关性进行了研究。研究结果表明：对于同一种膨胀土，其膨胀力和膨胀量的大小主要取决于土的含水量和干密度；根据试验数据进行半对数线性回归分析，线性相关显著；同时对膨胀土的变形机理进行了探讨。研究结果为膨胀土路堤的设计及膨胀土地基处理提供了重要依据。     

有限无黏性填土刚性挡土墙主动土压力计算

针对经典的Rankine或Coulomb土压力理论不适用于山区挡土墙或邻近既有地下室基坑工程中常常遇到的墙后为有限宽度填土的情况,以墙背和稳定岩质坡面间为有限无黏性填土的刚性挡土墙为研究对象,假定在平面应变条件下,墙体平移使得墙后土体在极限平衡状态时出现通过墙踵的直线形或折线形滑裂面,且其中形成圆弧形土拱,考虑滑动土楔内水平土层间存在的平均剪应力,引入水平层分析法,得到非线性分布的主动土压力表达式。通过与文献中离心机模型试验结果的对比,验证所提方法的合理性,并在此基础上,以三角形和矩形断面有限填土挡土墙为例,探讨墙背倾角、岩质坡面倾角、墙土摩擦角、岩土摩擦角、填土内摩擦角或填土宽度等参数对主动土压力的影响。计算结果表明：该方法合理可行;有限填土时主动土压力沿墙高一般为非线性分布,且其合力作用点的位置一般不在墙高的1/3处;当填土宽度较大时,主动土压力合力大小有可能大于Coulomb土压力理论计算值,而且对于矩形断面有限填土的挡土墙,滑裂面的倾角都小于Coulomb土压力理论值。     

法国规范体系下膨胀土路基设计方法探讨

结合参与阿尔及利亚东西高速公路项目设计的工作体会,从膨胀土的判别、膨胀土材料利用、膨胀土边坡防护以及膨胀土地基处理4个方面,对法国规范体系下膨胀土地区的路基设计进行初步探讨.