刚性挡墙平动模式下非极限土压力计算研究

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经典的土压力理论所求结果均为极限状态下的土压力值,在实际工程中随挡土墙位移的发展其受到的土压力会逐渐变化,土压力与墙体位移有关。大量试验及工程实践均发现,在一般情况下挡墙产生的位移均较小,并未能达到主动或被动极限状态,因此,绝大部分正常工作的挡土墙所受土压力在静止土压力与极限土压力之间。在挡土墙设计时如果仍采用经典土压力理论计算有可能会造成不必要的浪费,也可能会引起不安全的工程事故,为了提高挡土墙工程设计的准确度,对非极限位移状态下的土压力计算进行研究显得尤为重要。本文在前人研究工作的基础上,采用理论分析方法,对刚性挡土结构在平动模式下的非极限土压力理论进行了较深入的研究:基于非饱和土抗剪强度特性,通过水平层分析法,推求非饱和土非极限主动、被动土压力并分析填土物理特性参数对土压力的影响规律;考虑挡墙平动位移模式和地震作用的影响,利用水平层分析法,基于拟动力方法计算模型,推导地震非极限主动、被动土压力计算式,对比分析本文最危险滑动面倾角值与现有理论解的差别,并讨论分析位移对地震土压力的影响规律。主要研究内容及结论包括:(1)基于广义的非饱和土抗剪强度公式,综合考虑填土重度变化、墙体位移大小、土拱效应和土层间剪应力的影响,通过水平层受力分析,推导了考虑墙体平动位移下的非饱和土非极限主动、被动土压力计算公式。(2)随基质吸力的增大,非极限主动土压力呈减小的变化趋势;非极限被动土压力随基质吸力的增大呈增大的变化趋势。大约在墙高0~0.6H的范围内,未考虑土层间剪应力影响得到的非极限主动土压力分布较考虑了层间剪应力的要大,而墙高为0.6H的一下部分与之相反;未考虑土层间剪应力影响较考虑得到的非极限被动土压力分布大约在墙高0~0.8H的范围内相比小,而墙高为0.8H的一下部分相比偏大。无粘性土的非极限主动土压力分布均较粘性土大,而无粘性非极限被动土压力分布均较粘性土要小。(3)基于拟动力方法的基本假定,考虑时间和相位的变化因素,利用水平层分析方法,得到求解最危险滑动面倾角更精确的计算方法,并推导地震作用下非极限主动、被动土压力分布计算式。(4)随内摩擦角的增大,地震非极限主动土压力最危险滑动面倾角呈增大趋势,且变化幅度较大;地震非极限被动土压力最危险滑动面倾角随内摩擦角的增大呈减小趋势。挡土墙位移比的变化并不会改变地震土压力分布曲线的形状,随着墙高的增加,挡土墙所受到的地震非极限主动土压力逐渐增加,达到峰值后又逐渐减小,土压力均呈非线性分布;随着墙高的增加,挡土墙所受到的地震非极限被动土压力逐渐减小,土压力均也呈非线性分布的变化特征。
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