考虑土拱效应的非垂直挡墙地震主动土压力

由土拱效应原理得到滑裂土体的墙面和滑裂面上的应力,然后根据拟静力法和滑裂土体的整体受力平衡,得到平移模式下非垂直刚性挡土墙的地震主动破裂角计算式。进一步根据水平层分法获得墙背地震主动土压力及其系数、地震主动土压力合力及其作用点高度等的计算式。此外,分别讨论墙背倾角、填土内摩擦角、墙土摩擦角、地震系数和填土表面荷载等对地震主动破裂角、法向地震主动土压力分析、地震主动土压力合力系数、地震主动土压力合力及其作用点相对高度等的影响。     

基于土拱效应的刚性挡墙墙后主动土压力

考虑平移模式下刚性挡土墙墙后填土中的土拱效应,采用中心圆弧拱迹线法得到了不同填土内摩擦角和墙土摩擦条件下,挡土墙的滑裂面倾角和侧向主动土压力系数。在此基础上,采用水平微分层法求解得到了作用在挡土墙上的主动土压力、主动土压力合力及其作用点的解析式。与前人理论研究成果及试验监测结果的对比分析表明：本文理论得到的平移模式下刚性挡墙墙后主动土压力合力略小于Paik和应宏伟计算结果,大于章瑞文计算值;土压力合力作用点高于Paik理论解和应宏伟计算结果;侧向主动土压力系数与Paik理论解和应宏伟理论解基本相等。相较于其它方法,本文理论得到的刚性挡墙墙后主动土压力分布与模型试验结果吻合得更好。     

考虑土拱效应的挡土墙主动土压力分布

假定挡土墙后土体小主应力拱为圆弧,考虑墙土摩擦角变化对挡土墙后土体滑裂面倾角的影响,分析表明,土拱形状与现有方法有明显差异,并得到了对应不同内摩擦角和墙土摩擦角的侧土压力系数,将其用于水平微分单元法求解平动模式下的挡土墙主动土压力,给出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,并与库仑土压力理论、模型试验数据和已有方法进行比较分析。结果表明:挡土墙主动土压力强度与模型试验结果基本吻合;土压力合力与库仑土压力合力相等;但土压力合力作用点和土压力强度计算结果有明显差别。     

有限宽度无黏性砂土悬臂排桩柔性挡墙被动土压力试验研究

针对无黏性砂土,采用自制模型设备,模拟悬臂式排桩等柔性挡墙前倾挠曲变形位移模式,开展有限宽度范围土体变形破坏特征及被动土压力分布规律的室内模型试验。试验结果表明,柔性挡墙后被动区土体滑动破裂面不通过墙踵而交于墙身,接近或达到被动极限状态时形成贯穿的连续曲面,墙后剪切滑裂面与墙土界面之间形成竖向土拱,活动挡墙与滑裂面底部夹角处部分土体被"楔紧"。随着水平位移增大,挡墙上部被动土压力增大较明显且在有限宽度范围内一直呈增大趋势,挡墙下部土压力较易达到稳定;随着宽高比增大,达到临界状态进入半无限状态时,被动区砂土土压力均趋于稳定。柔性挡墙被动土压力呈非线性分布,随着深度增加,被动土压力逐渐增大,然后快速减小,有限宽度内宽高比越小,被动土压力的峰值越大,相同宽高比条件下,挡墙嵌固深度越大,土压力峰值越大。     

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。     

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。     

一种考虑主应力偏转的平移挡墙地震土压力算法

遵循 Mononobe-Okabe理论,考虑墙后破裂体内的主应力偏转,并假设小主应力偏转迹线形状为圆形下段部分的一段,通过转动挡土墙的解析模型,再结合库伦土压力的相关概念得到地震主动破裂角。采用微分薄层法,对墙后滑裂微元体进行应力解析,推导得到平移模式(T模式)下的地震主动土压力的计算公式,并分析了土中各参数以及地震动系数对地震土压力的影响情况。本文旨在改进地震土压力算法,不仅在计算中考虑了主应力的偏转,而且大大简化了地震土压力的计算过程。最后将计算值与前人方法及试验数据进行对比,结果显示本文算法得到的地震主动土压力分布与模型试验数据更为吻合。     

地震动土压力水平层分析法

Mononobe-Okabe公式是挡土结构设计中关于侧向动土压力计算的常用方法。但Mononobe-Okabe公式的诸多假设使得其公式适用范围受限,而且无法给出地震动土压力合力作用点位置及地震动土压力强度沿墙背分布情况。为弥补以上不足,基于Mononobe-Okabe平面破裂面假设,采用水平层分析法推导地震条件下主动和被动土压力合力及其作用点位置、土压力强度分布公式,并采用图解法得到临界破裂角的显式解答。公式考虑水平和垂直地震加速度、墙背倾角、挡墙墙背与填料黏结力和外摩擦角、均布超载等诸多因素,可以适用于黏性土和无黏性土的主动和被动土压力计算。分析结果表明,地震条件下土压力强度沿墙高为非线性分布,在相应简化假设条件下公式与Mononobe-Okabe公式完全一致。     

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。     

既有折线滑裂面下挡土墙主动土压力研究

基丁库伦上压力理论,采用平行滑裂面的微分单元法,推导Ⅲ以陡峻的折线型稳定岩石坡面为滑裂面下的捎土墙主动土压力合力大小、土压力分布、合力作用点位置计算式,对规范采用的以稳定岩石坡面为单一直线滑裂面下的挡土墙主动土压力计算式进行改进,算例分析表明：在折线滑裂面下,滑裂面的转折点高度与转角大小变化将使得土压力的计算结果增大;当折线滑裂面退变为直线滑裂面时,既有折线滑裂面下挡土墙主动土压力计算式可以简化为规范公式。     

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。     

挡土墙地震主动土压力的解析解

地震主动土压力公式用微分薄层法来推出,填土料为黏土,挡土墙竖直,填土面水平,填土和墙背有粘聚力c和内摩擦角φ作用,墙后破坏体存在竖直和水平两个方向的加速度,目前所见的地震和非地震的主动土压力都是这个公式的特例。对以上条件下的挡土墙用过墙踵的破坏体作静力平衡分析(如朗肯分析),获得的总土压力与文中微分薄层法获得的总土压力一样,但微分法作用点位置显著增高。因此在设计抗震和非抗震挡土墙时要特别注意。     

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。     

RB模式下挡墙的地震非极限主动土压力分析

基于拟动力法和水平层分析法,以地震荷载下的刚性挡土墙为研究对象,依据已有试验研究结论,考虑挡墙位移对摩擦角发挥值的影响,推导得出RB模式下地震非极限主动土压力和合力作用点的计算表达式。计算模型根据墙顶最大位移的不同分成2种非极限状态工况,并建立挡墙位移,地震动荷载和土压力之间的相互联系。讨论墙顶位移对地震侧土压力的分布、摩擦角发挥程度、土压力合力作用点的影响。结果表明,水平或竖向地震作用以及挡墙非极限的位移状态都能使主动土压力的合力作用点升高。相比于传统的极限状态地震土压力理论,所提方法更合理地描述了地震土压力随挡墙位移的发展过程,对发展非极限土压力理论和改进实际工程中的抗震计算方法具有一定的参考意义。     

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。     

基于土拱效应的墙背非极限主动土压力

根据平移模式下的微元滑裂体水平面上的剪力为零的条件和土拱效应,获得受填土内摩擦角和墙土摩擦角影响的非极限滑裂面倾角和非极限主动土压力系数,其中,非极限填土内摩擦角和墙土摩擦角是墙体位移的函数。根据非极限水平微元滑裂体的静力平衡,得到平移模式下考虑土拱效应和位移影响的非极限主动土压力计算式。参数影响分析表明:非极限滑裂面倾角和非极限主动土压力系数均随非极限墙土摩擦角的增大而增大;非极限主动土压力系数和非极限主动土压力均随侧向位移比的增大而减小;非极限主动土压力分别随着非极限填土内摩擦角、非极限墙土摩擦角的增大而减小。理论值及试验值的对比结果显示:相较于其他方法,本文方法的非极限主动土压力理论值与试验值吻合更好。     

悬臂式挡土墙主动土压力研究

在填土水平且无粘性条件下,通过水平微元法推求悬臂式挡土墙后四边形滑动土楔形成的主动土压力,得到主动土压力合力作用点高度以及方向的变化规律,并利用数值分析方法得出破裂面倾角的计算公式。结果分析表明：主动土压力系数随土体内摩擦角和墙体倾角的增大而减小,墙土摩擦角的影响较小;计算所得主动土压力小于朗肯、库伦土压力;主动土压力呈凸曲线型分布,作用点高度大于三分之一墙高。     

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。     

主动土压力的非线性分布

基于墙后滑裂土体处于极限平衡的概念,根据墙后滑裂土体的静力矩平衡,提出了主动土压力合力作用点的确定方法,给出了主动土压力沿高度的非线性分布公式及其参数的确定方法,对比了文中方法与经典土压力理论及试验结果,表明文中方法与现有的试验结果相当一致。