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。     

柔性挡墙的主动土压力计算及分布研究

已有研究表明,柔性挡墙在不同位移量和位移模式下,主动土压力的大小和分布均发生变化,其分布也与刚性挡墙有明显区别。在前人室内试验和数值模拟结果的基础上,建立了考虑位移变化效应的柔性挡墙土压力计算模型,采用中间状态系数来统一反映挡墙位移模式和位移量的影响,提出了任意位移柔性挡墙主动土压力合力系数的计算公式;在求得合力基础上,将土体简化为非线性弹簧和刚塑性体的组合体,提出了任意位移下的土压力分布和合力作用点高度的计算方法。以前人模型试验为算例,将本文方法与试验结果、已有理论方法的对比表明,本文方法得到的土压力分布与试验值更接近。研究还发现,随着柔性挡墙位移量的增大,土压力合力逐渐减小,土压力分布的非线性程度逐渐增大;合力作用点位置随挡墙位移形态的变化而改变;在典型鼓胀形变位模式下,土压力呈R形分布。     

不同位移模式刚性挡墙主动土压力研究

假定挡墙后填土沿墙高任一点处侧压力与其水平位移成线性关系,将土体看作是一系列弹簧和理想刚塑体的组合体。在此基础上,分析了挡墙位移模式,改进了Coulomb理论,提出了不同位移模式下刚性挡墙主动土压力非线性分布计算方法。该方法计算合力大小和Coulomb理论计算相等,主动土压力分布和合力作用点位置随挡墙位移模式变化而不同,计算结果和实测结果吻合较好。该方法对刚性挡墙土压力计算具有理论价值。     

墙体绕基础转动情况下挡土墙主动土压力分布

采用库仑土压力理论的假设 ,挡土墙上的主动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 ,在该滑动楔体上沿填土深度方向取水平层薄单元进行分析 ,建立关于挡土墙上土压力强度的一阶微分方程 ,给出了墙体绕地基转动变位模式下 ,土压力强度、土压力合力和土压力合力作用点的理论公式 ,并与库仑土压力理论、墙体平动变位模式下土压力和有关实验结果进行了比较分析。结果表明 ,墙体绕地基转动变位模式下土压力合力与墙体平动变位模式下土压力合力相等 ,并等于库仑土压力理论计算结果 ,但土压力合力作用点和土压力分布有显著差别。     

平动模式下刚性挡墙的地震非极限土压力

传统的地震土压力理论主要研究了地震荷载下挡土墙位移达到极限状态时的土压力,但挡墙能否达到极限位移状态常常与位移模式有关。为更好地反映实际工程情况,需要研究地震非极限土压力理论。针对平动位移模式的挡土墙,考虑摩擦角随挡墙位移的变化,基于水平层单元法,建立了地震非极限主动土压力分布的改进拟动力法,并推导了地震主动土压力合力和合力作用点的计算表达式。将计算所得地震土压力分布结果和前人模型试验的实测数据进行对比,计算的土压力分布曲线与实测分布曲线较吻合,验证了所提方法的合理性。研究成果对发展非极限土压力理论和指导边坡工程的抗震设计有一定参考价值。     

地基条件对挡土墙地震土压力影响的振动台试验研究

地震土压力研究是挡土墙抗震设计的核心内容。汶川地震震害调查发现建于土质地基上的挡土墙较建于岩质上的更易发生震害,因此,研究地基条件对挡土墙地震土压力的影响是十分必要的,然而目前许多国家的铁路或公路抗震设计规范中未包含地基条件对挡土墙地震土压力的影响。鉴于此,为了深入了解地基条件对挡土墙地震土压力的影响,利用大型振动台试验这一最能直接反映地震响应特征的动力研究手段,就地基条件对挡土墙地震土压力的分布形式、合力大小、合力作用点位置的影响开展研究,并把实测结果与几个国家的抗震设计规范进行了对比,提出了挡土墙的抗震设计建议。     

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。     

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。     

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。     

Reexamination of Mononobe-Okabe Theory of Gravity Retaining Walls Using Centrifuge Model Tests

Gravity retaining walls are widely used in Japan because of their simplicity of structure and ease of construction. In design procedure, the seismic coefficient method is widely employed, in which the earth pressure and inertia force are calculated by converting the seismic force into a static load. Earth pressure is usually calculated by the Mononobe-Okabe formula, which applies Coulomb's earth pressure computed from the equilibrium of forces in the static state. However, the Hyogoken-Nambu Earthquake of 1995 prompted the need to reexamine seismic design methods for various civil engineering structures. Gravity retaining wall is one of such structures whose seismic design has to be reexamined and rationalized. At this moment there is no clear empirical basis for converting the seismic force into a static load. The design method has to take into account the behavior of gravity retaining walls during earthquakes. At the Public Works Research Institute, model tests were conducted on gravity retaining walls using a centrifuge. The acceleration and displacement of a retaining wall and its backfill as well as the earth pressure acting on the wall were measured simultaneously together with the deformation behavior of the wall and its backfill, using a high-precision high-speed camera. The data show that the hypothetical conditions of the Mononobe-Okabe formula do not appropriately express the real behavior of backfill and gravity retaining walls during earthquakes.     

多级拼装悬臂式挡墙地震响应振动台模型试验

多级拼装悬臂式挡墙是一种可用于高填方工程的新型轻型支挡结构。为确定墙–坡系统的地震动力响应特征,进行几何、重度和时间相似比分别为1∶10,1∶1和1∶3.162的三级拼装悬臂墙支挡边坡的水平振动台模型试验。结果表明:坡体加速度沿墙高呈明显的非线性放大效应;墙后静止土压力和动土压力均呈"三峰型"分布模式,各级墙踵板对其下部墙背土压力存在遮蔽效应,动土压力沿墙高呈显著的多段折线型分布模式;在地震波波峰时刻,墙体位移急剧增大并接近永久位移;地震作用过程中墙–坡系统的变形发展可分为PGA≤0.4 g时的多级墙体微小变形、0.4 g相似文献   

软土地基加筋土挡墙数值模拟及稳定性探讨

 对一软土地基加筋土挡墙建立二维数值模型,模拟其在分级堆载情况下挡墙和地基内的沉降、水平位移、土压力,以及土工格栅轴向应变的变化规律,模拟结果与现场实测结果基本吻合。采用有限元强度折减法计算的挡墙稳定性和滑裂面位置与实测情况一致,表现为深层滑动失稳。模拟和实测的各层筋材最大应变出现在距墙面4～6 m的位置,与目前土工合成材料加筋挡墙设计理论的朗肯破坏面位置不同,其原因是目前的挡墙设计理论基于刚性地基假定,未考虑地基变形对筋材应变分布及稳定性的影响。采用该数值模型探讨加长挡墙底部筋材对其稳定性的影响,得出挡墙稳定性与底部筋材加长长度和层数关系密切。得到的挡墙稳定性与筋材加长长度和层数的关系曲线,对于软土地基加筋土挡墙设计有指导意义。     

刚性挡土墙地震失效模式的数值研究

采用离散元方法建立了某刚性重力式挡土墙的数值模型,并根据室内材料试验结果标定了数值模型的微观参数,使数值模拟结果建立在可靠的参数选择基础上。利用颗粒流软件的微观实时测量优势研究了地震荷载作用下挡土墙的失效模式。研究结果表明:加载初期,挡土墙在墙后动土压力、自身地震惯性力和基础摩擦力的作用下保持稳定;随着加速度峰值的增大,动土压力的波动偏离静土压力并逐渐增大,挡土墙发生水平滑移和旋转,当基础破坏后挡土墙还将发生竖向位移。     

两种加筋土挡墙的动力特性比较及抗震设计建议

为分析比较条带式和包裹式加筋土挡墙的地震动力响应特征,开展了两种加筋土挡墙模型的大型振动台试验.结合震害调查的结果,发现砌块式加筋土挡墙在地震作用下的破坏模式主要表现为局部砌块的松动变形,很少会出现整体垮塌的情况.相比条带式加筋土挡墙,包裹式加筋土挡墙在地震作用下产生的变形量要小.在相同地震量级作用下,包裹式加筋土挡墙相应部位的水平加速度放大系数要小于条带式加筋土挡墙,但峰值动土压力却要比条带式加筋土挡墙大,这是因为包裹式加筋土挡墙面板在地震作用下的变形量小,对土体的约束能力强所致.因此,在抗震设防区,特别是是高地震烈度区进行加筋土挡墙的选型时,包裹式加筋土挡墙应作为一种优选结构.分析认为加筋土挡墙的抗震设计除了要进行整体稳定性的验算外,还应注重墙体变形量的控制,加筋土挡墙在地震作用下的最大变形量应小于允许的变形量.为维持线路的正常使用,加筋土挡墙的变形指数应控制在4%以内.若验算得到的变形量超出允许值,可采取增大墙后填土的压实度和增加拉筋长度,以及加厚墙体和降低墙体坡率等措施.     

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。     

Seismic Earth Pressure Exerted on Retaining Walls Under a Large Seismic Load

In recent years, serious damage has been done to retaining structures because of large earthquakes. In order to establish practical methods for evaluating the seismic earth pressure, which is one of the important external forces acting on retaining structures during large earthquakes, a series of shaking table tests was conducted on retaining wall (RW) models. The experiments revealed that the seismic active earth pressure was considerably smaller than that obtained by the Mononobe-Okabe theory, particularly under a large seismic load. Furthermore, it was demonstrated that the seismic earth pressure had an upper limit, which was determined by the force equilibrium of the soil wedge at the critical state when the RW lost its stability. On the basis of the test results, a new method to evaluate the seismic earth pressure for practical designs under a large seismic load has been suggested. This proposed method provides a reasonable earth pressure as well as an angle of failure plane, those of which depend on the seismic stability of the retaining wall. It has been confirmed that earth pressure obtained by the proposed method agrees well with the measured seismic earth pressure exerted on several retaining walls with different degrees of stability.     

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。     

地震荷载下重力式挡土墙的抗倾覆稳定性分析

基于平面滑裂面假设,采用水平层分析法推导了地震荷载作用下的主动土压力计算公式,并给出了地震土压力沿墙高的分布及土压力合力作用点的位置。在此基础上提出了重力式挡土墙的抗倾覆稳定性验算公式,为实际工程中挡土墙抗震设计提供了理论依据。稳定性分析结果表明,随着水平地震荷载的增大,抗倾覆稳定性显著降低。