考虑土拱效应的非极限主动土压力计算方法

针对平动模式下的刚性挡土墙,提出了考虑土拱效应的非极限主动土压力计算方法。考虑墙体平动位移对墙后填土内摩擦角与墙土界面上的外摩擦角的影响,建立了内外摩擦角与位移之间的关系式。对未达到极限位移的挡土墙,分析墙后小主应力拱的应力状态,并结合位移与摩擦角之间的关系,把主动侧土压力系数与挡土墙位移联系起来,将其用于水平微分单元法求解平动模式下挡土墙非极限主动土压力,给出了考虑土拱效应的非极限主动土压力分布、合力及作用点的理论公式,并与不考虑土拱效应的非极限主动土压力计算方法进行了比较。结果表明:该方法可行有效;土压力合力大小相等,但合力作用点与土压力分布存在明显差别;研究成果可为相关工程提供参考。     

基于主应力迹线的有限土挡墙主动土压力计算方法

有限填土土压力分析中常用水平薄层分析模型以期得到墙后土压力强度分布公式,而水平薄层模型中其实际受力情况是土压力计算中最关键之处。为得到水平薄层各点实际受力情况,在现有理论基础上,首先基于墙土间摩擦必然引起挡土墙后土体主应力方向发生偏转的力学机理与特点,引入主应力迹线概念,探讨了挡土墙后主应力迹线型式,得到土体各点的主应力偏转规律,最终得到各点实际受力情况。然后在此基础上,改进了水平薄层法受力模型,建立两侧墙背垂直且粗糙、填土面水平的有限土体主动土压力计算方法。最后通过与现有有限土体挡土墙土压力计算理论进行分析,验证了本文土压力理论的合理性与可行性。     

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。     

基于等效围压理论的加筋土挡墙土压力计算

基于等效围压理论,分别建立是否考虑中主应力影响的加筋挡土墙三维等效围压和二维等效围压土压力计算方法,结合Plaxis数值模拟,研究了加筋挡墙墙背土压力的大小及分布规律。通过理论计算和数值模拟对比试验测量结果,分析表明:三维等效围压和二维等效围压计算土压力分布均呈近线性,且前者小于后者,两者均小于变系数法;数值模拟土压力沿墙高分布规律与试验测量值接近,总土压力偏小,应力峰值接近且位于墙高1/6~1/3处;由误差分析可知,中主应力、筋带拉力发挥值及筋-土界面摩阻力是导致理论计算、数值模拟与试验偏差的主要原因。     

挡土墙墙后土体放坡卸荷时土压力计算方法研究

挡土墙后面土体放坡卸荷可以减小挡土墙上的主动土压力,但目前还没有相应的计算方法。根据墙背土体放坡时土楔达到主动极限平衡的条件,推导出作用在墙背的主动土压力计算公式,并计算了土楔与水平方向的夹角。     

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。     

非极限状态主动土压力与填土张拉裂缝研究

为了进一步完善非极限状态主动土压力计算中的不足,并就填土张拉裂缝深度的理论计算展开研究,以复杂工况下刚性挡土墙为研究对象,综合考虑挡土墙变位模式、填土种类、墙背与填土面倾角、墙土摩擦、填土张拉裂缝影响及超载作用等因素,基于薄层单元法,并结合墙土相互作用强度参数与位移的非线性关系,推导得到一种非极限状态主动土压力计算公式;通过与文献特例、试验数据比对,验证了所构建公式的合理性。当墙背填土为黏性土时,利用土压力计算公式及挡土墙模型中的几何关系,建立了填土张拉裂缝深度与挡土墙位移的关系方程,并绘制出不同影响因素下裂缝深度随挡土墙位移的变化曲线,其变化规律与模型试验结果基本吻合。研究结果表明:考虑因素的增多使得非极限状态主动土压力计算过程变得复杂,但假设条件与实际工况更加接近,其计算误差得以降低,且通过迭代法计算方程可以得到满意的数值解;张拉裂缝开展深度随挡土墙位移呈非线性增长,在位移初期增长较快,而接近极限位移时裂缝开展趋于稳定;不同因素对于填土张拉裂缝开展产生的作用存在差异,其中填土内摩擦角和黏聚力影响显著,超载和填土面倾角影响次之,墙背倾角影响最小;降低填土抗剪强度,增加超载以及选择仰斜式挡土墙均有助于抑制张拉裂缝的开展。     

重力式挡土墙墙背土压力及其分布的研究

库伦土压理论问世以来,其压力分布问题一直未获圆满解决。湖南省交通科学研究所从1976年开始进行专题研究,通过理论推导和试验验证,导出了重力式挡土墙墙背主动土压力的非线性分布解。在1986年发表予《中南工路工程》上的“粘性土对挡墙侧压力的非线性分布”一文的基础上,将土压力分布的理论计算公式推广至填料面倾斜的情况,其理论计算方法的要点包括: a.公式推导时所用的假设条件是在库伦假设的基础上加以扩展的;b.公式适用于包括粘性土在内的任何土质,c.重力式挡土墙墙背主动土压力分布强度P的表达式是本理论推导的基本公式,据此计算的主动土压力合力作用点位置,低时不到0.25H,高时可达0.45H左右;d.由P积分求得的合力表达式与用滑楔整体静力平衡法求得的合力公式一致;e.对于理想砂土,本理论导出的合力表达式的简化形式与库伦公式完全相同。介绍的理论计算方法,不但拓宽了库伦主动土压力理论的适用范围,而且解决了主动土压力沿墙高的分布问题。     

不同受力状态下重力式挡土墙稳定性对比分析

以库仑土压力理论为基础,以计算的偏心距e为控制因素。若e≥0即墙后土体主动推挡土墙,则采用主动土压力公式计算;若e<0即挡土墙主动推墙后土体,则取定e=0反算墙后土体的土压力,并以此土压力对挡土墙进行设计。分析给出了主动土压力和修正后土压力作用下重力式挡土墙稳定性计算结果对比,得到出了一些结论。     

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.     

主被动状态间墙体侧向位移与土压力关系

为了研究从静止到主动状态或从静止到被动状态下墙体侧向位移与墙背土压力大小的关系,以应力Mohr圆为出发点,通过引入内摩擦发挥角,推导了主动与被动状态间土压力与内摩擦发挥角的统一表达式。根据所构建的墙体位移与土体剪应变几何方程以及等极限应变下的剪应变-剪应力理想非线弹塑性物理模型,建立了能基本反映土体应力-应变特性和墙后填土初始应力状态的墙体位移-土压力统一函数关系式,并结合Coulomb土压力模型近似考虑了墙背与填土间摩擦力的影响。研究结果表明：影响墙体位移-土压力关系的核心要素是墙背初始应力状态、墙后滑移区范围及填土应力-应变特性;初始侧压力系数的增加,直接导致进入主动与被动状态所需墙体位移出现相应的增大和减小,墙体位移-土压力曲线沿水平轴呈现出整体平移的变化;土体内摩擦角和墙土摩擦角的改变会引起滑移区范围的变化,从而使墙体位移-土压力曲线整体放大或缩小;填土应力-应变特性是墙体位移-土压力关系的微观本质,其模量比与极限剪应变对墙体位移-土压力曲线的平缓程度及极限状态下的墙体位移大小影响显著。     

平动模式下挡土墙非极限状态主动土压力计算

改进了极限平衡理论,用于非极限状态主动土压力的研究。对挡土墙后滑动楔体的片体单元进行了分析,建立了关于非极限状态主动土压力强度的一阶微分方程,得到了平动变位模型下,非极限状态主动土压力强度、土压力合力和土压力合力作用点的理论公式,将计算所得结果与模型试验数据进行对比分析。结果表明:墙体平动变位模式下非极限状态主动土压力强度、土压力合力和土压力合力作用点理论公式的计算结果与已有模型试验结果基本吻合。     

极限平衡法求解加筋土挡墙墙背土压力的通用公式研究

基于极限平衡法,通过严密的数学推导和理论分析提出了适合任意土质、任意墙背倾角、任意单一斜度填料面的加筋土挡墙墙背主动士压力非线性分布的通用表达式,得出了加筋土挡墙土压力分布和合力作用点的高度计算公式。通过泥质红砂岩土石混合填料加筋土挡墙工程现场实测土压力值进行了对比分析,结果表明：上述计算方法合理,计算值与实际相符,拓宽了朗肯土压力理论库仑土压力理论应用范围,可直接应用于工程设计。     

均质黏性土挡土墙地震被动土压力计算

在Mononobe-Okabe理论的基础上,采用拟静力分析法和水平层分析法,推出地震条件下黏性均质填土挡土墙的被动土压力强度分布函数计算式、土压力合力作用点位置高度计算式和墙后土体破裂角计算式。通过与朗肯和库伦土压力理论算例的计算结果进行比较,验证了所推出的计算式的合理性和正确性。因公式推求的条件更为一般化,限制性较小,适用性较强。     

基于圆形弹性薄板模型求解扁铲侧胀试验侧向基床系数

扁铲侧胀试验是一种便捷、准确的原位测试方法，在仅有几种提供侧向基床系数的测试方法中，具有明显优势。对此，分析了圆形弹性薄板模型的力学微分平衡方程和边界条件，通过设定挠度曲线方程，解答出扁铲侧胀试验侧向基床系数的表达式，并考虑了基础宽度和土体类别、上覆土层压力、加载速度等因子对试验值的影响，提出了相应的修正因子，对修正公式进行了实例工程验证。     

土拱效应计算理论比较与讨论

系统地阐述了土拱效应的起源、验证与发展，并详细介绍了土拱效应在桩承式路堤、挡土墙、被动桩等领域中的应用。将各领域中的土拱方法分为微分单元法与合理拱轴线法，指出各方法中理论上的区别及计算结果差异。微分单元法起源于粮仓效应中的Janssen连续介质模型，最先由Terzaghi提出，后续学者对微分单元法的改进也借鉴了改进的Janssen模型思想；合理拱轴线法即“结构拱”法，起源于普氏拱理论，与土拱效应应力转移本质有些出入。最后，讨论了微分单元法中的侧土压力系数与应力偏转迹线等相关问题，提出了侧向土压力系数新的表达形式，改进了以往水平方向静力不平衡问题，将微分单元法引入抗滑桩，为抗滑桩土拱效应的研究提供了新的思路。     

挡土墙主动土压力分布研究

该文基于极限平衡理论,利用单元分层法分别讨论了墙后无开挖回填和有开挖回填不同工况条件下的挡土墙土压力分布形式,推导出不同工况条件下的主动土压力强度及主动土压力系数理论公式。结果表明,墙后无开挖回填工况条件下墙背主动土压力沿墙高成线性分布;墙后有开挖回填工况条件下墙背土压力沿墙高成非线性分布。     

一类三维土压力盒的设计及试验验证

为测试土体内部一点的三维应力状态,基于常规应力状态与主应力之间的关系,给出了一类三维土压力盒的设计原理和制作方法。与普通土压力盒相比,该类三维土压力盒能测试空间一点完整的应力状态,即3个正应力和3个剪应力。该类装置均由1个特定基座和6个镶嵌于基座上的微型土压力盒组成。基座的形式可以多种多样,但根据6个土压力盒法线的方向余弦得到的转换矩阵必需是满秩的。考虑工程应用方面的要求,分别阐述3种三维土压力盒的制作方法和数据处理方法,并进行了误差和适用性分析。在一个模型槽内对某重塑土进行了压缩试验,分别用给出的3种三维土压力盒测试土中不同深度处的三维应力状态。研究结果表明：土体在一维侧限压力作用下,2个水平方向的正应力均小于竖向应力且与之具有线性关系;随着土体固结度的增加,外荷载引起的土体应力状态变化偏于平缓;采用分层密实方法制备的模型土体仍具备明显的各向异性,外荷载作用下土中的各向应力增量仍存在一定差异;侧限形式和外荷载大小是引起土体应力状态不同的主要因素,分层密实导致的土体初始各向异性在加载-卸载作用后趋于缓和;测得的竖向应力随深度增加逐渐减小,反映出随深度增加附加应力的扩散效应,从而初步证实该类测试装置是科学和可靠的。     

不同扶壁间距的仓扶式支挡结构土压力分布

针对扶壁式挡土墙在高填方工程中支挡高度的限制，提出仓格与扶壁相结合的仓扶式新型支挡结构，考虑支挡高度、扶壁间距等因素对立板侧向土压力计算和分布的影响，进行了数值分析和离心模型试验。采用ABAQUS建立10组工况的数值模型，支挡高度分别为10，20 m，扶壁间距分别为21/100H，6/25H，27/100H，9/25H，12/25H（H为支挡结构高度），提取作用在立板上的接触应力；基于数值分析结果，制作了可调扶壁间距的支挡结构模型，分别在30g，60g离心加速度下模拟了部分工况的实际受力状况，由标定后的微型土压力盒采集数据；最后比较了实测值与理论值的差异，通过回归分析提出库仑主动土压力修正系数。研究结果表明：仓扶式支挡结构立板侧向土压力近似呈三角形分布，由于变形约束效应，在支挡结构中下部实测土压力较理论值偏大；立板侧向土压力在参照库仑理论计算时，需要考虑增大系数进行修正，10，20 m支挡高度修正系数分别为1.13~1.31和1.07~1.12；仓扶式支挡结构中的扶壁具有摩擦减压作用，通过改变扶壁间距可以有效减小立板侧向土压力。