挡墙后有限宽度土体土拱效应分析及土压力计算方法研究

论文摘要

土力学学科中,挡土墙上由墙后土体施加的土压力求解问题一直是热门的研究方向之一,也是岩土工程设计中的关键性问题。目前传统的土压力计算大多采用经典朗肯、库仑计算方法或者基于此类经典理论的修正后表达式,但其必须建立在挡墙后是半无限空间土体的前提之上。而实际工程涌现了大量挡墙后为有限宽度填土的工况,如毗邻地下建筑的基坑工程、靠近基岩面的边坡支挡工程等等。此时,经典土压力理论显然并不适用。另外,有限宽度挡土墙墙背不是绝对光滑的,经典朗肯、库伦计算方法则认为墙背光滑无摩擦作用,从而忽略了墙土摩擦力的影响。众所周知,挡墙和土体界面存在的摩擦力会造成墙后填土主应力方向发生偏转从而形成土拱现象。墙后土体宽度狭窄的情况更易如此,从而影响土压力强度分布情况。所以,在墙后有限宽度土体情形下土压力的计算问题中考虑土拱效应,对于土压力的合理求解十分必要。鉴于此,本文在前人研究的基础上,对挡墙后有限宽度土体平动模式下考虑土拱效应的土压力计算问题开展了理论研究及室内试验。主要工作如下:(1)考虑挡墙和土体界面摩擦对土体土压力应力分布的作用,研究土体的应力状态,从而揭示了有限宽度土体情况下墙后填土的主应力方向偏转现象和土拱形成机理。同时,对比研究了悬链线迹线、圆弧型迹线与抛物线型迹线这3种不同的土拱形态,由此确定了合理的土拱迹线表达式。另外,对前人关于有限填土土压力计算方法的研究成果进行总结,并分析了极限分析法、极限平衡法以及水平层分析法三种方法的优缺点;(2)采用无粘性砂土土样开展了刚性挡土墙在主动平移模式情况的有限填土土压力室内模型试验,研究了各填土宽度下土体破坏形式和主动土压力强度的分布状况,且和库伦计算方法展开比较研究。试验结论表明:挡墙后土体为有限宽度时,填土的破坏面是经过墙踵和固定墙体顶点的连续曲线,且填土破坏面随填土宽度增大而不断往外移动,最后稳定在一个固定点,其位置一直处在经典库仑破裂面的内部;(3)在室内模型试验结论的基础之上,结合变分原理探讨了有限宽度砂土在平动模式情况的土体破坏方式,从理论上验证了挡墙后有限砂土破坏面是对数螺旋曲线。在此滑裂面基础上,引入土拱现象在土体的土压力强度上产生作用,假定小主应力拱为圆弧形土拱,采用薄层单元法导得了有限填土主动土压力合力及其作用点的理论公式,与试验监测结果及其他学者方法对比表明,本文的理论计算方法可应用于工程实际。而后对有限土体主动土压力参数进行了分析,结果表明:有限宽度填土主动土压力沿挡墙深度的分布形式不变,均是先随着挡墙深度不断增大,而后至一定深度时渐渐缩小;另外,在同一挡墙深度位置,有限宽度填土主动土压力值随着内摩擦角?值以及墙土摩擦角?值的增大而减小。最后,针对墙后有限宽度填土的特征建立了一种有限和无限宽度填土的合理界定法。

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摘要

Abstract

第1章绪论

1.1 引言

1.2 有限宽度填土土压力研究现状

1.2.1 理论研究

1.2.2 试验研究

1.2.3 数值模拟研究

1.3 土拱效应的研究现状

1.3.1 理论研究

1.3.2 试验研究

1.3.3 数值模拟研究

1.4 本文主要研究内容

第2章土体中的土拱效应及分析

2.1 引言

2.2 墙后土拱效应的应力分析

2.2.1 墙后有限土体成拱效应

2.2.2 墙后有限土体土拱应力分析

2.3 土拱迹线分析

2.3.1 悬链线型土拱

2.3.2 圆弧形土拱

2.3.3 抛物线型土拱

2.3.4 不同土拱迹线形状的对比

2.4 本章小结

第3章考虑土拱效应的有限宽度填土土压力计算

3.1 引言

3.2 极限分析理论

3.3 极限平衡理论

3.4 水平层分析法

3.5 考虑土拱现象的土压力求解

3.5.1 水平侧压力系数

3.5.2 土压力侧向和竖向应力分布

3.5.3 主动土压力合力及合力作用点

3.6 本章小结

第4章有限无粘性填土主动破坏模式与土压力试验

4.1 引言

4.2 试验设计

4.2.1 试验器材

4.2.2 量测系统

4.2.3 试验土样

4.2.4 试验步骤

4.3 试验结果分析

4.3.1 边界效应消除效果

4.3.2 不同填土宽度的土体破坏模式

4.3.3 试验土体破坏规律

4.3.4 试验中的土拱效应现象

4.3.5 主动土压力强度分布

4.4 本章小结

第5章曲线破裂模式的有限土体主动土压力求解

5.1 引言

5.2 土体破坏模式分析

5.2.1 基本假定

5.2.2 破裂面形状推导

5.3 考虑土拱效应的主动土压力求解

5.3.1 墙后土体滑裂面方程

5.3.2 墙后有限填土应力状态分析

5.3.3 主动侧向土压力系数

5.3.4 主动土压力合力及其分布

5.4 前人方法比较

5.4.1 Frydman和 Keissar[14]的模型试验

5.4.2 Take和 Valsangkar[31]的模型试验

5.5 本章小结

第6章曲线破裂模式有限土体主动土压力参数分析

6.1 引言

6.2 有限宽度土体的临界宽高比

6.2.1 宽高比临界值

6.2.2 有限宽度临界值的参数分析

6.3 土体性质的参数分析

6.4 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录A（攻读学位期间所发表的学术论文）

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 吴志勇

导师: 杨明辉

关键词: 主动土压力,有限宽度,土拱效应,室内模型试验,曲线破裂面

来源: 湖南大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地质学,建筑科学与工程

单位: 湖南大学

基金: 国家自然科学基金资助项目(51278184,50708030)

分类号: TU432

DOI: 10.27135/d.cnki.ghudu.2019.002250

总页数: 80

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