（岩土工程专业论文）砂土挡墙破坏机理宏细观研究.pdf

摘要 摘要 大量的研究集中于挡墙的土压力和水土压力研究，而对挡墙后的土体变形破 坏研究较少。本文主要对土拱和渗流作用下主动水土压力和墙后土体破坏进行了 系统研究。 土拱和渗流是存在于挡墙后土体中的一种常见现象，在计算挡墙水土压力时 应当考虑其影响。假定土拱曲线为抛物线，分析了挡墙滑楔体内的土拱效应；将 墙后稳定渗流分析转化为求解具有一定边界条件的二维l a p l a c e 方程，得到了渗 流场分布公式。在土拱和渗流作用分析基础上，考虑有效应力原理，结合水平微 分单元方法，推导了土拱和渗流同时作用下水土压力计算公式。分析表明：计算 结果与试验结果吻合较好；考虑土拱和渗流作用时，主动水土压力合力增大，合 力作用点沿墙高上移。同时也研究了挡墙的可靠度和敏感性，获得了随机变量对 挡墙可靠度的敏感性规律。这对设计挡墙有较大的参考价值。 为了研究饱和砂土刚性挡墙后土体被动破坏宏细观机理，自制饱和砂土刚性 挡墙模型箱，测试了不同运动模式下挡墙水土压力分布、土体位移场、超孔隙水 压力的变化规律，获得了剪切带的细观参数。试验表明：不同挡墙位移模式下， 水土压力和土体位移场分布不一样，与库仑理论土压力假定线性分布和滑裂面为 平面有所不同。超孔隙水压力变化反应了密砂剪胀变形，松砂剪缩变形；挡墙平 移时剪切内的颗粒发生了重定向和旋转，孔隙率增大，剪切带的宽度为4 6 个颗 粒直径，倾角为4 0 - 5 0 ：。同时在试验的基础上提出了可将刚性挡墙后土体被动 破坏过程分为三阶段进行分析的观点。 运用颗粒流模拟了砂土刚性挡墙后土体的被动破坏细观机理。挡墙被动运动 导致土体应力增大和旋转，引起靠近挡墙的土颗粒发生复杂的运动，产生剪切带。 不同挡墙位移模式和大小对土体应力，土体位移场和速度场、颗粒运动轨迹和剪 切带的影响不一样。运用颗粒流模拟了挡墙的不同位移模式和大小时主、被动土 压力分布；并采用三维流固耦合颗粒流模型模拟了挡墙被动运动过程中饱和密砂 孔隙水压力的变化规律；假定土体剪切角系数沿着墙高线性变化，将土体离散为 具有滑动连接模型的刚性条块，建立了刚性挡墙颗粒流主动土压力计算模型。并 分别与试验结果进行了比较。运用颗粒流模拟了砂土柔性挡墙基坑变形机理。分 析了不同类型的基坑开挖过程中，墙体抗弯刚度、开挖深度对支护结构的变形、 水平位移、基坑内外土体位移的影响。 关键词：砂土挡墙：试验研究；水土压力；超孔隙水压力；剪切带；颗粒流；土 拱；渗流 a b s t r a c t a b s t r a c t m u c hs t u d yc o n c e n t r a t e so nt h ee a r t hp r e s s u r ea n dt h ee a r t ha n dw a t e rp r e s s u r e a c t i n go nr e t a i n i n gw a l l ，w h i l el i t t e rs t u d yo nf a i l u r em e c h a n i s mo fs o i l b e h i n d r e t a i n i n gw a l l ，s ot h em a e r o - s c a l ea n dm e s o s c a l es t u d yo nt h ef a i l u r em e c h a n i s mo f t h es a n db e h i n dr e t a i n i n gw a l li sp r e s e n t e d ，a tt h es a m et i m et h ee a r t ha n dw a t e r p r e s s u r ec o n s i d e r i n gt h es o i la r c h i n ga n ds e e p a g ef l o wi s a l s op r o p o s e di n t h i s d i s s e r t a t i o n s o i la r c h i n ga n ds e e p a g ef l o wi sc o m m o np h e n o m e n ai nt h es o i lb e h i n dr e t a i n i n g w a l l ，t h e i re f f e c to nt h ee a r t ha n dw a t e rp r e s s u r es h o u l db ec o n s i d e r e d a s s u m i n gt h e s h a p eo ft h ep f i n c i p a ls t r e s sa r c h i n g 嬲p a r a b o l a ，t h es o i la r c h i n gb e h i n dr e t a i n i n gw a l l i sa n a l y z e d n es e e p a g ef l o wa n a l y s i si sp e r f o r m e db ys o l v i n gl a p l a c ee q u a t i o nw i t h c e r t a i nb o u n d a r yc o n d i t i o n t h e nb a s e do ne f f e c t i v es t r e s sp r i n c i p a la n dh o r i z o n t a l d i f f e r e n te l e m e n tm e t h o 也t h ef o r m u l a t i o no ft h ee a r t ha n dw a t e ra c t i v ep r e s s u r e a c t i n go nr i g i dr e t a i n i n gw a l li sp e r f o r m e dc o n s i d e r i n gs o i la r c h i n ga n ds e e p a g ef l o w e f f e c t t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t sa r ec o m p a r e dw i t ht h eo n e so fm o d e lt e s t s ri ss h o w t h a tt h ea c t i v ee a r t ha n dw a t e rp r e s s u r ew i l li n e r e a s ea n dt h ep o i n to fr e s u l t a n tf o r c e w i l lb em o v eu pa l o n gw a l lc o n s i d e r i n gt h ee f f e c to fs o i la r c h i n ga n ds e e p a g ef l o w t h er e t a i n i n gw a l l sr e l i a b i l i t ya n ds e n s i t i v i t yi sa l s oa n a l y z e d ，a n ds e n s i t i v i t yr u l e s f o rr e t a i n i n gw a l l sr e l i a b i l i t ya r eo b t a i n e d s a t u r a t e ds a n dr e t a i n i n gw a l lm o d e ls y s t e mw a sd e v e l o p e dt oi n v e s t i g a t et h e m a c r o - s c a l ea n dm e s o s c a l ep a s s i v ef a i l u r em e c h a n i s mo fs a n db e h i n dr i g i dr e t a i n i n g w a l l t h ev a r i a t i o no fe a r t ha n dw a t e rp r e s s u r ed i s t r i b u t i o n ，d i s p l a c e m e n tf i e l d ，e x c e s s p o r ew a t e rp r e s s u r ea n ds h e a rb a n di so b t a i n e dw i t hd i f f e r e n tw a l lm o v e m e n t t h e r e b ed i f f e r e n te a r t ha n dw a t e rp r e s s u r ed i s t r i b u t i o n ，d i s p l a c e m e n tf i e l dw i t hd i f f e r e n t w a l lm o v e m e n tm o d e l ，a n dt h i si sd i f f e r e n tf r o mc o u l o m bt h e o r y sa s s u m p t i o nt h a t e a r t hp r e s s u r ed i s t r u b i t i o ni sl i n a ra n dt h er u p t u r es u f a c ei sp l a n a r n ev a r i a t i o no f e x c e s sp o r ew a t e rp r e s s u r es h o w st h a td e n s es a t u r a t e ds o i lh a ss h e a rd i l a t a n c y , a n d l o o s es a t u r a t e ds o i lh a ss h e a rs h r i n k t h em e s o s c a l ee x p e r m i n e n ts h o w st h a tw i t h r e t a i n i n gw a l lt r a n s l a t i o n ，t h es a n dp a r t i c l e si nl o a c a lp o s i t i o nm o v ef o r w a r da l o n gt h e o n ed i r e c t i na n dr o t a t e ，t h e ns h e a rb a n di so n s e t i ti sa l s os h o w st h a tt h ev o i dr a t i o si n s h e a rb a n di n c r e a s e ，t h ew i d t ho fs h e a rb a n di st h ed i m a t e ro f4 6p a r t i c l e s ，a n dt h e a n g l eo fs h e a rb a n di s4 0 5 0 0 b a s e do ne x p e r i m e n t a ld a t a ，t h eo p i n i o no ft h r e es t a g e s a n a l y s i so ff a i l u r eo ft h es o i lb e h i n dr i g i dr e t a i n i n gw a l li sp r e s e n t e d 1 1 p f c 2 dm o d e lo ft h es a n dr i g i dr e t a i n i n gw a l li su s e dt os t u d yt h em e s o - s c a l e p a s s i v ef a i l u r em e c h a n i s m o fs a n db e h i n dr i g i dr e t a i n i n gw a l l t h ep a s s i v em o v e m e n t o fr e t a i n i n gw a l ll e a d st oa ni n c r e a s ea n dar o t a t i o no fp r i n c i p a ls t r e s s e s ，a n dt o d i f f e r e n tc o m p l e xm o v e m e n to fs o i lp a r t i c l e t h i si sm a i nr e a s o nf o rs h e a rb a n d t h e m o v e m e n to fr e t a i n i n gw a l lp l a y sam a j o rr o l ei nt h es t r e s s e sf i e l d ，t h ed i s p l a c e m e n t f i e l d ，t h ev d o d 哆f i e l d ，t h em o v e m e n to fp a r t i c l ea n dt h es h e a rb a n d i ti ss i m u l a t e d u s e dt h ea b o v ep f c 2 dm o d e lt h a tt h ep a s s i v ea n da c t i v ep r e s s u r ed i s t r i b u t i o nb e h i n d r i g i dr e t a i n i n gw a l lu n d e rd i f f e r e n tm o d e so f w a l lm o v e m e n t ；i ti sa l s os i m u l a t e du s e d t h ec o u p l e df l u i d - p a r t i c l ep f c 3 dm o d e lt h a t t h ee x c e s sp o r ew a t e rp r e s s u r e d i s t r i b u t i o ni ns a t u r a t e ds a n db e h i n dr e t a i n i n gw a l lw i t ht r a n s l a t i o n i ti sp r o p o s e dt h a t t h ec o e f f i c i e n to fs h e a ra n g l ev a r i e sw i t ht h ed e p t ho fw a l l ，a n ds o i lm a s s i sc o m p o s e d o fr i g i db l o c k sw i t hs l i pc o n t a c tm o d e l s ，t h e nt h ep f c 2 d m o d e lo fr e t a i n i n gw a l li s b u i l tu pt oa n a l y z et h ea c t i v ep r e s s u r ed i s t r i b u t i o nb e h i n dr i g i dr e t a i n i n gw a l lw i t h d i f l 5 暑r e n ti n o d 销o fw a l lm o v e m e n t a l lt h es i m u l a t i o nv a l u e sa r ec o m p a r e dw i t ht h e e x p e r i m e n to n e s p f c 2 dm o d e lo ft h es a n df l e x i b l er e t a i n i n g w a l li su s e dt os t u d yt h e d e f 0 n n a t i o nm e c h a n i s mo ff o u n d a t i o np i te x c a v a t i o n t h ei n f l u e n c eo fb e n d i n g m o m e n ts t i f f n e s so fw a l la n dt h ed e p t ho fe x c a v a t i o no nd e f o r m a n t i o no ff o u n d a t i o n p i ti sa s s e s s e di n c l u d i n gd e f o r m a t i o no fa n dh o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n to fe x c a v a t i o n s u p p o r t i n gs t r u c t u r e ，t h ed i s p l a c e m e n to f f o u n d a t i o np i ts o i l k e yw o r d s ：s a n dr e t a i n i n gw a l l ；e x p e r i m e n t a ls t u d y ；e a r t ha n d w a t e rp r e s s u r e ；e x c e s s p o r ew a t e rp r e s s u r e ；s h e a rb a n d ；p f c ；s o i la r c h i n g ；s e e p a g ef l o w i i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 位毫一躲劫渺牝 溯年争月77 日 、： 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、己公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：锄 岬年呼月f 日 也缸 第l 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 挡墙是一项古老的工程，也是一项崭新的工程。目前在我国民经济建设工程 中，广泛用于铁路、公路、桥梁、河道、城市高层建筑和轨道交通等许多工程建 设中，发挥着重要作用。在工程实践中发展起来了越来越丰富结构形式，具有很 强的生命力。 挡墙是挡墙本身和其后填土相互作用的体系，一直以来挡墙土压力和水土压 力是挡墙研究的重点。挡墙位移模式、挡墙自身刚度、土拱作用和渗流作用等等 都对土压力和水土压力分布规律、合力大小产生影响，但是经典c o u l o m b 和 r a n k i n e 土压力无法考虑以上因素的影响。因此，综合考虑多种因素影响的土压 力理论是有待解决的问题，还需深入而广泛研究。本文对墙后土拱和渗流作用进 行了分析，在分析的基础上提出了土拱和渗流作用的下刚性挡墙主动水土压力计 算公式，同时对挡墙的可靠度和敏感性进行了分析，得到了各种随机变量对挡墙 可靠度的影响规律。 墙后土体变形、破坏对深入研究挡墙土压力和水土压力，评价挡墙的工作性 能具有重要意义。挡墙运动过程中，墙后土体的变形破坏受到各种因素的影响。 如挡墙的运动模式、挡墙的速度、土体的应力状态、密度、含水量、内摩擦角和 粘聚力等等。填土为饱和砂土的挡墙不同的运动方式和速度对挡墙水土压力、超 孔隙水压力、土体的位移场和剪切带的形成产生各不相同的影响。为了研究墙后 土体的变形破坏规律，有必要从宏观和细观角度对此进行系统的试验研究。本文 自制模型箱，研究了挡墙不同运动模式时，挡墙水土压力、超孔隙水压力、土体 位移场的变化规律，及其土体剪切带的细观特性，进而揭示了揭示了挡墙土体破 坏的宏细观机理。 在刚性挡墙运动过程中，墙土接触面处可能会发生相对较大的滑动位移，墙 后土体变形破坏中会产生大位移和大变形、剪切带等现象。有限元方法是以宏观 连续力学基本假定为基础的，因此，用有限元方法模拟此现象，需要复杂的本构 模型才能获得较好的结果。从细观力学角度模拟墙后填土的破坏还需要进一步的 研究。颗粒流( p a r t i c l ef l o wc o d e2 d ，p f c 2 d 和p a r t i c l ef l o wc o d e3 d ，p f c 3 d ) 是一 种细观力学方法，该方法抛弃了宏观连续力学中位移连续的假定，能较好的模拟 岩土工程中的大变形、颗粒运动、破碎等现象的细观机理。因此，该方法在岩土 工程中得到越来越广泛的运用，这为研究墙后填土的变形破坏提供了个新的角 第1 章绪论 度。运用p f c 2 d 模拟了砂土刚性挡墙运动过程中，挡墙侧压力，土体的应力场、 位移场变化规律，以及剪切带的分布。 基坑工程是伴随着大规模的城市建设发展起来的。基坑支护结构是一种典型 的柔性挡墙。基坑柔性挡墙上的土压力和基坑变形都是基坑工程研究的重点，并 且在目前和将来工程实践中，基坑变形控制研究越来越重要。因此，有必要对基 坑工程变形的机理研究进行深入的研究。运用颗粒流方法可以从细观角度研究基 坑工程变形机理。 1 2 挡土墙土压力和水土压力研究现状 f l c o u l o m b 于1 7 7 3 年提出c o u l o m b 土压力理论，r a n k i n e 于1 8 5 7 年提l b r a n k i n e 土压力理论，挡墙土压力理论研究至今有两个世纪了。c o u l o m b 土压力理论和 r a n k i n e 土压力理论属于极限平衡理论，但是两者的假定有所不同。c o u l o m b 土压 力理论假定墙后滑动土楔体处于极限平衡状态，满足结构力学静力平衡条件，不 计土体本身的压缩变形。r a n k i n e 土压力理论假定墙后土体为半无限空间弹性体， 在自重作用和挡墙对其外力作用下处于应力极限平衡状态，满足m o h r c o u l o m b 破坏准则。c o u l o m b 和r a n k i n e 土压力理论因为计算简单，至今在工程实践中仍得 到广泛运用。1 1 k 克列因【2 】于1 9 5 6 以极限平衡理论为基础建立了散粒体力学基 本理论，极限状态的应力通过双曲线偏微分方程组来求解。运用该理论可以推导 得到墙背倾角为任意角度的挡墙主、被动土压力计算公式。黄文熙院士( 1 9 5 0 ) 3 1 采用水平微分单元方法得到了曲线分布的土压力计算公式。王元战( 2 0 0 0 ) 【4 】采用 水平微分单元方法也获得了曲线分布的土压力计算公式。b a n g ( 1 9 8 5 ) 【5 】认为土体 从静止状态到极限主动土压力状态是一个渐变的过程，提出了“中间主动土压力” 概念。建立了绕墙底转动土压力分布计算公式，该方法考虑墙体变位模式和变位 大小对土压力计算的影响。挡墙土压力至今形成了包括极限平衡理论、能量理论、 水平分层计算方法、土压力空间理论在内的一系列理论。 国内外许多的学者对挡墙土压力进行大量的试验研究。t e r z a g h i ( 1 9 3 2 ，1 9 3 4 ， 1 9 3 6 ) ( r1 0 1 通过大规模试验研究获得了极限状态土压力和挡土结构变形之间的关 系。试验研究表明：只有当挡墙水平位移达到一定大小时，土体才产生剪切破坏， c o u l o m b 和r a n k i n e 土压力理论计算值才是正确的。m i l l i g a n 和b r a n s b y ( 1 9 7 6 ) u l j 研究了悬臂挡墙的主动和被动土压力分布，f u k u o k a 和y o s h i d a ( 1 9 7 7 ) z j 测试了墙 后超载对挡土墙土压力分布的影响，模型挡墙高3 m ，属于大比例模型。m a t s u o ( 1 9 7 8 ) 【1 3 】测试了l o m 高挡土墙模型的静止、主动和被动土压力分布。s h e r i f 和 m a c k e y ( 1 9 7 7 ) 0 4 】、s h e r i f 和f a n g ，y s ( 1 9 8 4 ) t l s 】测试了刚性挡墙静止和主动状态土 2 第1 章绪论 压力。s h e r i f m a i s h i b a s h i i ( 1 9 8 2 ) t 1 6 】测试了震动台上挡墙主动静土压力和动 土压力。 y u n g s h o wf a n g 和i s a oi s h i b a s h i ( 1 9 8 6 ) 1 7 】试验研究了砂土刚性挡墙主动土压 力分布。研究表明：试验结果和c o u l o m b 理论计算结果不一样，主动土压力分布、 合力及合力作用点随挡墙位移模式不同而不同。挡墙绕墙顶转动时，主动土压力 为非线性分布，其合力比c o u l o m b 理论计算结果大1 7 ；同时由于土拱效应，靠 近墙顶处的土压力比静止土压力要大，且土体密度越大，土拱效应越显著，合力 作用点越往上移动。 r o w e 和p e a k e r ( 1 9 6 5 ) t 8 1 、m a c k e y 和k i r k ( 1 9 6 7 ) 1 9 】、n a r a i n ( 1 9 6 9 ) t z 0 1 、j a m e s b r a n s b y ( 19 7 0 ) 2 1 1 ，y u n g - s h o wf a n g 和l t s a n g - j i a n gc h e n ( 19 9 4 ) 1 2 2 - 2 4 】测试了砂土 刚性挡墙不同位移模式( 平移、绕墙项转动和绕墙底转动) 的被动土压力分布。其 中，y u n g - s h o wf a n g $ f 1 t s a n g j i a n gc h e r t ( 1 9 9 4 ) t 2 5 1 试验研究表明：挡墙平移时，砂 土沿墙高几乎同时达到被动状态，被动侧土压力系数和t e r g a g h i 土压力理论计算 值接近。挡墙绕墙顶转动时，被动土压力非线性分布，被动土压力合力小于 c o u l o m b 理论、r a n k i n e j 里论和t e r z a g h i 理论计算结果，合力作用点离墙底距离为 0 1 8 h ( h 为墙高) 。挡墙绕墙底转动时，被动土压力非线性分布，墙体中部位置 土压力最大，挡墙位移达到o 2h ( h 为墙高) ，土压力合力仍没有达到最大值， 此时合力作用点为o 5 5h ( h 为墙高) 。试验定义旋转中心到墙项( 底) 的距离与墙 高的比值为n 。当n 很小时，挡墙位移模式对土压力分布、合力和合力作用点影响 很大；n 大于2 时，挡墙位移模式对土压力影响不大，不同位移模式测试结果接近 于平移模式测试结果。y u n g s h o wf a n g 和y i n g c h i e hh o ( 2 0 0 2 ) 1 2 5 1 研究了不同填土 密度刚性挡墙被动土压力分布和大小。试验结果表明：松砂和密砂的侧压力系数 随着挡墙位移的增大而增大。密砂的土压力达到最大峰值后稍有减小，当相对位 移超过1 2 墙高时，土压力合力达到一个常数。l u cd e l a t t r e 【2 6 】总结的一百年来挡 墙研究和设计方法。 徐同庆( 2 0 0 2 ) 1 2 7 】试验研究了砂土的刚性挡墙被动土压力。试验结果与文献 【2 5 l 试验结果相同。陈页开( 2 0 0 1 ) 【2 8 1 通过自制模型箱，试验研究了刚性挡墙上的 被动土压力大小和分布规律。研究表明：平动、绕墙项一点转动和绕墙底一点转 动的土压力分布和大小不同，与位移模式有关。 周应英( 1 9 9 0 ) 【2 9 】试验研究砂土和粘土刚性挡墙主动土压力。试验研究表明： 墙后填土为砂土或粘土，刚性挡墙上土压力有相同的分稀规律。绕墙顶转动时， 主动土压力呈上部大而下部小的抛物线分布；绕墙底转动时，近似为三角形分布； 平移时，为一重心偏下的抛物线形分布，但底部土压力不为零。墙体平移、绕墙 顶转动和绕墙底转动三种基本位移类型所产生的主动土压力，分布形式有差别， 第1 章绪论 主动土压力合力大小不相等。该文作者认为墙平移时底部土压力变小是由于土拱 效应的原因，本文作者认为不是土拱效应，可能是试验时墙底漏土，从而导致墙 底部土压力变小。 t 渭漳( 1 9 9 6 ) 3 0 】设计和建造了挡墙土压力模型试验自校验测试系统。试验测 试了墙后填土为不同倾角时挡墙被动土压力。测试的被动土压力合力e k c o u l o m b 理论计算结果大1 4 1 8 。 c h i n g - c h u a nh u a n g 和f a m y u em e n q ( 1 9 9 8 ) 3 1 】试验研究挡墙刚度对侧土压 力分布的影响。试验用直径为1 9 6 r a m 的圆钢模拟土体，用不同刚度的钢板模拟 挡墙。试验表明：测试的静止侧压力分布接近准静止状态土压力分布。绕墙底转 动主动侧压力的合力大小接近c o u l o m b 土压力计算值，但底部的侧压力比 c o u l o m b 主动土压力大。墙体刚度( 墙体的相对变形) 对侧压力系数和侧压力分 布有很大影响。当墙体刚度减小时，侧压力力系数也逐渐减小，侧压力沿墙高基 本上成线性分布，但是墙体刚度非常小时，墙后填土产生土拱效应，侧压力成非 线性分布。 m m d e w o o l k a r ( 2 0 0 0 ) 3 2 】采用离心机试验方法研究了地震对填土为可液化 土的悬臂挡土墙的影响。试验采用粘滞性大的液体代替水来满足相似比要求。试 验测试了挡墙的静、动土侧压力、加速度、弯曲应变和变形。文章同时指出应当 研究动力作用下土一孔隙流体一结构物的相互作用。 c a r d e r 和m u r r a y ( 19 8 0 ) 3 3 】、d u n c a n 和s e e d ( 19 8 6 ) 3 4 】、d u n c a n 和 w i l l i a m s ( 1 9 9 1 ) 3 5 狈1 试了压密状态下静止侧土压力分布。z a r e t s k i i ( 1 9 8 6 ) 3 6 ；澳y 试 了压密状态下主动土压力分布。a d dh a r m a 和h 1 1 a d a lk h o u r y ( 2 0 0 5 ) 【3 7 试验研究 了填土为超固结土刚性挡墙被动土压力分布。为使土体达到指定的超固结比，装 土方法为分层填筑压实法，每层厚度为l o o m m ，用空气夯土机压实。试验研究表 明：超固结比增大，挡墙上被动土压力增大。超固结土下若有软弱层，被动土压 力显著减小；超固结土本身若为软弱层，被动土压力影响不大。基于试验结果， 该文提出了超固结土被动土压力系数的经验计算公式。 李兴高( 2 0 0 5 ) 3 8 试验研究了刚性挡墙主动土压力和水土压力。研究结果表 明：绕墙底转动时，主动土压力线性分布；平移和绕墙顶部转动时，主动土压力 成类似抛物线分布，合力作用点分别为墙体中间位置和中间位置偏上。测试所有 位移模式水土压力均成线性分布，但是大小各不一样。平移时，水土压力合力最 小；绕墙顶转动，水土压力合力最大；绕墙底部转动，居中。作者建议用一区间 来表达墙体各种位移模式的土压力大小和合力作用点。 岳祖润，彭胤宗( 19 9 2 ) 【3 9 】利用自制的位移控制液压装置，采用离心机方法， 试验研究压实粘土挡土墙土压力。试验结果表明：压实粘土挡墙主动土压力需要 4 第1 章绪论 的位移量与墙高成正比，约为墙高9 o - 1 0 。达到主动状态时，墙后压实粘土的 裂缝深度与墙高、填土形状无关；土压力沿墙高呈两端小中间大的曲线分布。合 力作用点位置为0 5 h ( h 为墙高) ，因此，该文指出按r a n k i n e 理论分布压力图形 计算的倾覆力矩偏于不安全。 魏元友( 1 9 9 4 ) t 4 0 】通过模型试验测试了扶壁式及l 式挡墙主动土压力分布。试 验表明：土压力存在空间效应。扶壁式挡墙立板的主动侧土压力比r a n k i n e 理论 计算结果小，其大小与肋板之间距离和肋板形状有关。在肋形相同时，肋距是影 响土压力的主要因素。肋距大，侧土压力大；肋距小，侧土压力也小，墙高是肋 距的5 倍时，减压效果最佳。 随着试验研究技术的改进和提高，出现了许多新的测量技术。比如基于数字 图像变形分析的无标点测量方法。该测量方法为土工模型全场变形、渐进破坏过 程、局部化变形和剪切带等岩土工程领域中热点、难点问题的观测和量化分析提 供强有力的新手段，具有广泛的发展前途。无标点测量方法至今以发展成包括x 一射线衍射( r o s c o e ，1 9 6 3 ；g r u s e ，1 9 9 8 ；j u no t a n i ，2 0 0 0 ) 掷j 、激光干涉( t a k a s h i ， m a t s u s h i m a , 2 0 0 2 ) 4 4 】和全息摄影( p i e r r ej a c q u o t , 1 9 9 7 ) t 4 5 】等一系列方法。将该方法 用于挡墙后土体变形测量，得到了墙后土体破坏剪切带的形成过程，剪切带的倾 角。m i l l i g a n ( 1 9 7 4 ) i 删采用x - 射线照射技术研究挡墙后土体的变形破坏。试验运 用获取x 射线照射技术变形土体的声波图像，因为剪切带附近的土体密度比其他 地方的密度减小，反应在x - 射线声波图像上为剪切带的颜色比其他地方的颜色要 深一些。试验测试柔性挡墙后土体密度变化如图1 1 。曾庆有( 2 0 0 4 ) t 4 。7 】运用数字 图像变形量测技术观测了砂土挡墙被动破坏剪切带的形成过程，试验获得的挡墙 剪切带分布如图1 2 。试验表明：剪切带从挡板底部开始以近似直线形斜向上发 展直至顶面。松砂的剪切带不如密砂的剪切带明显。该文作者将剪切带的形成过 程描述为：土体在挡墙向右运动作用下产生持续的向右位移，并逐渐向上隆起， 形成一近似直角三角形的移动块体，其斜边可认为是土体破坏的剪切带。同时在 挡墙向右运动作用下，位于挡板底面深度处土体出现水平方向剪切带。 试验发现墙后土体破坏以剪切带形式表现。一些学者开始用有限元方法模拟 挡墙后土体剪切带形成的过程。应变局部化有限元本构模型适合于对于剪切带敏 感的膨胀摩擦材料。r o n a l d oi b 鲥a 和t i m o t h yy l a i ( 2 0 0 2 ) t 4 8 采用应变局部化 有限元本构模型模拟土体主动和被动破坏的剪切带形成。研究表明：各向同性的 弹塑性土体位移发生跳跃开始于地面处，随着挡墙继续运动( 主动或被动) ，剪应 变以一定角度向墙底部处发展，形成剪切带。土体主动破坏过程中，挡墙具有较 小的位移就能导致局部位置土体位移发生跳跃，进而形成剪切带。d a n u t a ( 2 0 0 1 ) 一州 研究了柔性挡墙背离土体运动过程中的剪切带形成发展模式，提出了一种简化分 第1 章绪论 析方法。该方法基于c o u l o m b 理论，通过假定土体参数随土体变形而变化。 施 。 e | = 0 0 6 9 2 k n r r l ，h = 3 0 0 m m e = 0 0 0 3 k n ? ，h = 3 0 0 m me = 0 0 0 3 k n 州，h = 3 0 0 m m w 5 1 3 7 m m ，e 0 = 0 5 4w = 1 9 5 t a r a ，中等密度松砂= 1 9 5 m m ，e o = 0 7 图1 1 柔性挡墙后土体密度分布图( m i l l i g a n 1 9 7 4 ) - 一。 霸翟墨j 1 一一e 了1 王 二： 图囡囹翻_ 摧墙位够3 3 m m 时的主体勇应变场 松砂 1 1一；。，一l ，“：4 ic ：， 1 ， 一l 二 j ，! ! z 圜豳：臻曩二r = ! ：工二_ | 一j 了z 二二j j 二薹羽鬣疆疆_ 挡墙位移为1 4 m m 时的鹦瘟变场 密砂 图1 2 刚性挡墙j 亓十体剪应变场图( 曾庆有，2 0 0 4 ) h e m a n t ah a z a r i k a ( 1 9 9 6 ) 5 0 】采用考虑两条剪切带，运用有限元方法模拟了刚 性挡墙后填土主动破坏剪切带形成过程。研究表明：土体渐进失效模式和挡墙的 位移模式有关。主动土压力分布，合力和合力作用点的位置也与模式有关，主动 土压力合力计算结果和c o u l o m b 计算结果相同。 s i m p s o n 和w r o t h ( 1 9 7 2 ) 引】采用临界状态士体本构模型研究了被动土压力， 并与模型试验的结果进行了比较；o z a w a , y t 和d u n c a n ( 1 9 7 6 ) 5 2 1 采用l a d ea n d d u n c a n 砂土弹塑性模型研究挡墙被动土压力。p k w o o d w a r d ( 19 9 7 ) 5 3 】采用弹塑 性本构模型，结合l a d e d u n c a n 破坏准则，运用有限元方法分析了主、被动土压 力。分析表明：l o d e 角对土压力计算结果影响很大。若要得到更加精确的结果， 需要考虑土体的相对密度，土体应变水平、墙体高度等等。这不如c o u l o m b 理 论简单方便，不便于推广应用。 c l o u g h ( 1 9 7 1 ) 【5 4 】采用非线性弹性土体本构模型来分析挡墙上的土压力，同时 引入接触面单元来模拟土与结构相互作用。d a “1 9 9 8 ) 5 5 】采用无厚度接触单元模 第i 章绪论 拟土体与墙体接触面性质，研究表明：接触单元的膨胀角对主、被动极限土压力 和土体变形有重要影响。m a t s u z a w a ( 1 9 9 6 ) t 5 6 】采用双线性接触面本构模型模拟挡 墙与土体之间的摩擦特性，对刚性挡墙上的主动土压力进行了弹塑性有限元分 析。研究表明：墙后填土破坏区域的形成是一个渐变的过程，破坏区域的发展方 向及最终破坏面与墙体位移模式有关，挡墙上的土压力合力和合力作用点也与墙 体位移模式有关。基于有限元模拟结果，建立了挡墙主动土压力分布、合力和合 力作用点与墙体位移模式的经验关系式。 毛石挡土墙广泛用于山区。稳定性研究是毛石挡土墙研究的一个重点。 b v i l l e m u s ( 2 0 0 6 ) t 5 7 】进行了毛石挡土墙模型试验。试验结果表明：相邻毛石块节 理的受剪性能满足摩擦定律，与毛石挡墙尺寸大小无关。毛石挡墙失效主要是由 于相邻毛石块节理失效而导致的，是毛石挡墙内部局部失效导致整体失效的。在 计算设计毛石挡墙过程中必须考虑相邻毛石块节理的粘接受剪性能。 h a r k n e s s , r m ( 2 0 0 0 ) 5 引、d i c k e n s j g ( 1 9 9 6 ) t 5 9 1 、z h a n gx ( 2 0 0 4 ) t 6 0 1 、m a r yc l a x t o n 和 r o b e r ta h a r t ( 2 0 0 5 ) 6 1 】采用离散元模拟了毛石块挡墙的土压力和土体速度场，得 到以下结论：墙体的重度、毛石尺寸对挡墙的稳定性影响较小；毛石的节理强度、 毛石间摩擦系数、墙体厚度和土体重度对墙体的稳定性影响较大；在满足稳定的 前提下，可以在增加毛石节理强度和增大墙体厚度情况下，适当增加挡墙的高度； 毛石节理法向刚度对于墙后土体塌陷需要的挡墙位移有显著影响。墙体刚度若足 够小，可以当作柔性毛石挡墙。该文指出对于挡墙基础的类型对挡墙稳定性的影 响还需要进一步的研究。 r i j 啦( 1 9 9 9 ) t 6 2 】用模型试验研究柔性挡墙在砂性填土中的土压力。试验研究 表明：基坑支护中悬臂板桩、单锚板桩土压力值与r a n k i n e 理论土压力明显不同。 悬臂板桩实测主动土压力合力为r a n k i n e 理论值的7 5 左右，被动土压力合力为 r a n k i n e 理论值的6 0 左右；单锚板桩主动土压力合力为r a n k i n e 理论值的7 0 左 右，被动土压力合力为r a n k i n e 理论值的3 5 空右。该文还推荐了对悬臂板桩和 单锚板桩土压力计算图式。 张彬，李广信( 2 0 0 6 ) 【6 3 】运用模型试验采用显微镜示踪技术研究了悬臂支护 基坑工程不同工况的土体变形规律。土体主动破坏受顶部超载的影响比较大。在 一定超载作用下，竖向位移显著，水平位移不明显，同时坑底开挖面土体稍有隆 起；增大超载作用，挡板水平位移增加，挡墙位移模式可以认为是绕开挖面以下 一点转动；土体竖向和水平位移明显增加，滑移面内的土体发生明显的沉陷，可 以概略的确定主动土体的滑移面形态和位置。 周健教授( 2 0 0 6 ) 6 4 】运用模型试验研究了软土基坑工程突水破坏规律。研究 表明：基坑突水破坏主要导致基坑底面