（岩土工程专业论文）考虑位移效应挡土墙土压力的有限元对比计算研究.pdf

考虑位移效应挡土墙土压力的有限元对比计算研究 摘要 土力学计算是土力学中的一个重要课题，经典的库仑( c o u l o m b ) 土压力理论 和朗肯( r a n k i n e ) 土压力理论，因其计算简单和力学概念明确，在土木工程中得 到广泛应用。但是经典的库仑土压力理论存在着一些明显的不足之处：一是要求 刚性挡土墙为均匀平移，这与正常工作条件下挡土结构的实际位移情况不符；二 是严格意义上库仑土压力理论只能求得土压力合力，土压力直线分布只是一种假 定，并且实测得到的土压力大多呈非线性分布；三是要求墙后土体达到极限平衡 状态，求得该极限状态下的土压力，如主动土压力，而对于墙体背离填土移动的 情况，实测得到的土压力通常大于主动土压力。因此，有必要根据工程实际，检 验挡土墙位移模式和位移大小的土压力计算方法的准确性，这也是决定挡土结构 设计合理经济的一个重要因素。 本文以不同位移模式背离填土移动的刚性挡土墙为研究对象，对挡土墙上土 压力随墙体位移的变化进行研究。墙体位移模式包括三种基本位移模式：平移 ( t ) 、绕墙底转动( r b ) 、绕墙顶转动( r t ) 。通过对已有的模型试验分析的结果进 行归纳和分析，得到挡土墙不同位移模式下墙体背离填土移动时，墙后填土的渐 进破坏机理。不同位移模式下，随墙体位移增大，墙后土体塑性区的发展不相同， 这使得填土抗剪强度的发挥和墙土接触面上摩擦力的发挥均不同，而这又将决定 挡土墙上土压力的大小，因此，采用有限元计算模拟填土内摩擦角和墙土接触面 上摩擦角发挥与位移之间的关系，以此反映土压力随位移的发展。同时，根据不 同位移模式下墙后填土渐进破坏的特点，对库仑土压力计算方法计算得出的土压 力值、有限元计算得出的土压力值分别与模型实测值进行比较，发现通过有限元 得出的土压力值较好的反映了墙后填土土压力的实际情况，而通过库仑土压力计 算方法计算得出的土压力值与实测值有不同程度的缺陷。 采用考虑墙体位移模式和位移量的有限元计算方法能较好地反映挡土墙实 际工作条件下的位移情况，并且能计算任意墙体位移下挡土墙上的土压力，避免 了采用库仑主动土压力理论计算得到土压力偏小而使设计安全度降低的缺点。因 此，采用有限元计算方法计算挡土墙墙后土压力能使挡土墙设计更安全合理。 关键词：有限元；土压力；墙体位移模式；刚性挡土墙；渐进破坏机理 c o m p a r i s o na n da n a l y s i so fe a r t hp r e s s u r ea g a i n s tr i g i dw a l l u n d e rc o n s i d e r a t i o no fd i s p l a c e m e n te f f e c t s a b s t r a c t ，n l ed e t e r m i n a t i o no ft h em a g n i t u d ea n dd i s t r i b u t i o no fe a r t hp r e s s u r ea g a i n s t r i g i dr e t a i n i n gw a l li si m p o r t a n ti nt h ed e s i g no fc i v i le n g i n e e r i n g c l a s s i c a le a r t h p r e s s u r et h e o r i e ss u c ha sc o u l o m ba n dr a n k i n ee a r t hp r e s s u r et h e o r yh a v eb e e n w i d e l yu s e dt od e s i g nt h er e t a i n i n gs t r u c t u r e s ，b e c a u s et h e ya r es i m p l ea n dc a nr e f l e c t t h em e c h a n i c a lc o n c e p t sc l e a r l y b u tt h ec l a s s i c a lt h e o r i e sa r eo n l yv a l i df o rt h e b a c k f i l lo ft r a n s l a t i o nw a l la r r i v e st h el i m i t i n gc o n d i t i o n ，a n da s s u m e dt h ee a r t h p r e s s u r ed i s t r i b u t i o nt ob eh y d r o s t a t i c b u tt h er e t a i n i n gs t r u c t u r e si ns e r v i c eu s u a l l y a c c e p ts o m er e s t r a i n sa n dm a ys u b j e c tt om o v ed i f f e r e n tf r o mt r a n s l a t i o n t h e m e a s u r e de a r t hp r e s s u r e so nr e t a i n i n gw a l la r em o s t l yn o n 1 i n e a r s o ，i t sn e c e s s a r yt o c e r t i f i c a t i o nt h ea c c u r a c yo fm e t h o df o re v a l u a t i n ge a r t hp r e s s u r ec o n s i d e r i n gt h e m o d ea n dt h em a g n i t u d eo f w a l lm o v e m e n t ，a n di t 。si m p o r t a n tt od e c i d et h e r a t i o n a l i t y a n de c o n o m yo ft h er e t a i n i n gw a l ld e s i g n t h es t u d yo b j e c t i o no ft h et h e s i si st h er i g i dr e t a i n i n gw a l lw h o s eb a c ki sv e r t i c a l a n dt h ew a l l s u b j e c t st om o v eo u t w a r da n da w a yf r o mt h eb a e k f i l li nd i f f e r e n t m o d e s 1 1 1 ed e s t i n a t i o no ft h es t u d yi st oi n v e s t i g a t ee a r t hp r e s s u r ea g a i n s tt h ew a l l t o t h er e t a i n i n gw a l lm o v e sl e a v i n gt h eb a c k f i l l ，t h ed i f f e r e n tw a l lm o v e m e n tm o d e s i n c l u d i n g t h r e e k i n d so fb a s i c m o d e s - t r a n s l a t i o n ( t ) ， r o t a t i o n a b o u t b a s e ( r b ) ，r o t a t i o na b o u tt o p ( r t ) b a s e do nt h em o d e lt e s t sa n dn u m e r i c a la n a l y s e s t h a tr e s e a r c h e r se v e rd i d ，t h ep r o g r e s s i v er u p t u r em e c h a n i s m so fd i f f e r e n tw a l l m o v e m e n tm o d e sw e r e i m p r o v e d u n d e r d i f f e r e n tm o d e s ，w i t ht h em o v e m e n t i n c r e a s e d ，t h ef i e n do ff a i l u r ez o n ed e v e l o p m e n ti nb a c k f i ui sd i f f e r e n t i t st h ep a t t e r n o ft h ef a i l u r ez o n es p r e a d i n gi ns o i lw h i c hd e t e r m i n e st h em o b i l i z a t i o no ft h es o i l s h e a rr e s i s t a n c ea n dt h ef r i c t i o no nt h ew a l l s o i li n t e r f a c e a n dt h a td e t e r m i n e de a r t h p r e s s u r ea g a i n s tw a l l ，s ot h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h ew a l lm o v e m e n ta n dt h e m o b i l i z e da n g l e so fs o i li n t e m a lf r i c t i o na n dw a l lf r i c t i o nw e r ed e v e l o p e dt or e f l e c t t h ei n f l u e n c eo ft h ew a l lm o v e m e n tm a g n i t u d eo ne a r t h p r e s s u r e a tt h es a m et i m e i n a c c o r d a n c ew i t ht h ed i s p l a c e m e n tm o d eg r a d u a ld e s t r u c t i o no ft h ew a l la f t e rf i l l i n g t h ec h a r a c t e r i s t i c so fe a r t hp r e s s u r eo nc o u l o m bc a l c u l a t e dc a l c u l a t i o no fe a r t h p r e s s u r ev a l u e s ，f i n i t ee l e m e n tc a l c u l a t e ds o i lp r e s s u r ev a l u e sw e r em e a s u r e da n d m o d e lc o m p a r i s o n sf o u n dt h r o u g hl i m i t e de a r t hp r e s s u r et h a tt h ef e mv a l u eb e r e r r e f l e c t st h ew a l lo fe a r t hp r e s s u r ea f t e rf i l l i n gt h ea c t u a ls i t u a t i o n ，a n dt h r o u g ht h e c a l c u l a t i o no fe a r t hp r e s s u r ec o u l o m b c a l c u l a t e ds o i lp r e s s u r ea n dm e a s u r e dw i t h d i f f e r e n td e g r e e so fd e f e c t s t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o do fe a r t hp r e s s u r ec a l c u l a t i o nc o n s i d e r e dt h ew a l l m o v e m e n tm o d ea n dt h em o v e m e n tm a g n i t u d e t h e yc a nc a l c u l a t et h ee a r t hp r e s s u r e o fe a c hm o v e m e n tm a g n i t u d e ，a n dt h e yc a na v o i dg e t t i n gl o w e re a r t hp r e s s u r eu s i n g c o u l o m b ss o l u t i o nt h a tw i l ll e a dt od e c r e a s et h es a f e t yo ft h es t r u c t u r e s i n d e s i g n s o ，t h ep r o p o s e dm e t h o d sc a l lm a k et h ed e s i g no ft h er e t a i n i n gw a l ls a f e ra n d m o r er e a s o n a b l e k e y w o r d ：f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，e a r t hp r e s s u r e ，w a l lm o v e m e n tm o d e ，r i g i d r e t a i n i n gw a l l ，p r o g r e s s i v er u p t u r em e c h a n i s m s 插图清单 图1 - 1 重力式挡土墙：2 图1 - 2 悬臂式挡土墙2 图1 - 3 扶壁式挡土墙2 图2 - 1 墙身位移与土压力的关系8 图2 - 2 库仑主动土压力计算简图9 图2 - 3 微分土体上作用力的平衡图1 0 图2 - 4 挡土墙主动土压力计算图1 2 图2 - 5 滑动面为平面时的挡土墙主动土压力计算图1 3 图2 - 6 墙后填土在不同墙体位移量下的塑性区分布过程1 6 图2 - 7 准主动状态滑动土楔受力分析。1 7 图2 - 8r b 模式下墙后填土在不同墙体位移量下的塑性区分布过程1 9 图2 - 9 摩擦角与s ( z ) s c 的关系图2 0 图2 - 1 0r t 模式下墙后填土在不同墙体位移量下的塑性区分布过程2 2 图2 - 1 1r t 模式下土压力计算分析图2 3 图2 - 1 2 滑动面为平面时的挡土墙被动土压力计算图2 5 图2 - 1 3 计算值与实测值的比较2 7 图3 - 1 二维结构实体单元p l a n e 4 2 3 l 图3 - 2 二维杆单元l i n k l 3 1 图3 - 3 二维梁单元b e a m 3 3 1 图3 - 4 接触单元的g o o d m a n 模型3 2 图3 - 5d p 材料屈服面3 4 图3 - 6d r u c k e r p r a g e r 屈月艮面季口m o h r c o u l o m b 屈服面3 5 图3 - 7 纯粹增量近似与牛顿一拉普森近似3 7 图3 - 8 传统的n r 方法与弧长方法的比较3 9 图4 - 1 计算模型尺寸示意图4 l 图4 - 2 有限元计算模型单元网格划分及其约束状况4 l 图4 - 3t 位移模式y 方向主应力云图4 2 图4 4t 位移模式x 方向主应力云图4 2 图4 5t 位移模式最小主应力云图4 2 图4 - 6t 位移模式最大主应力云图4 2 图4 - 7t 位移模式剪应力云图4 2 图4 - 8t 位移模式塑性区分布图4 3 图4 - 9 用有限元计算t 模式下的土压力合力与实测值的比较4 3 图4 一1 0 用考虑位移的公式法计算t 模式下的土压力合力与实测值的比较4 3 图4 1 1r b 位移模式y 方向主应力云图4 5 图4 - 1 2r b 位移模式x 方向主应力云图4 5 图4 1 3 r b 位移模式最小主应力云图一4 5 图4 - 1 4r b 位移模式最大主应力云图4 5 图4 - 1 5r b 位移模式剪应力云图4 5 图4 - 1 6r b 位移模式塑性区分布图4 6 图4 1 7 用有限元计算r b 模式下的土压力合力与实测值的比较4 6 图4 1 8 用考虑位移的公式法计算r b 模式下的土压力合力与实测值的比较 4 6 图4 - 1 9r t 位移模式y 方向主应力云图4 8 图4 2 0r t 位移模式x 方向主应力云图4 8 图4 - 2 1r t 位移模式最小主应力云图4 8 图4 - 2 2r t 位移模式最大主应力云图4 8 图4 - 2 3r t 位移模式剪应力云图4 8 图4 - 2 4r t 位移模式塑性区分布图4 9 图4 - 2 5 用有限元计算r t 模式下的土压力合力与实测值的比较4 9 图4 2 6 用考虑位移的公式法计算r t 模式下的土压力合力与实测值的比较 5 0 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得 金月曼王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名： 玉夕譬【 签字日期：力嘭归岁月珍日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权盒监 兰些盔堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：玉悠 导师签名： 锡辔趁 签字日期：妒富年岁月o 日 ! i i - 71 1 1 1 ：加肛岁月 ，j 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 致谢 本文是在导师钱德玲教授的悉心指导下完成的。在近三年的学习过程 中，钱老师渊博的学识、严谨的治学态度、兢兢业业的工作精神和平易近 人的作风给我留下了深刻的印象，实在是我在以后工作和生活中的学习榜 样，使我受益终生。钱老师在学习上多次为我指点迷津，使我深切的认识 到自己的不足和学海无涯，从而也更加坚定了我求学的毅力。在此，我向 钱老师致以最真诚的感谢和敬意! 感谢王东坡、赵元一、张云峰、杨迎春、雷超、赵跃平、许小健、张 金轮、刘振杰、刘华、张文彦等师兄弟，感谢韩金平、吴建鑫、李宏、吴 大国等同学，三年来朋友们在生活和学习上的关心和帮助使我充满热情和 活力。感谢其他为本文工作提供帮助的老师、同学和朋友。 感谢我的父母对我的养育和教导，二十多年来，他们勤劳质朴的高贵 品质在我心中永远敬仰! 最后，向曾经在一起学习和生活过老师和同学们表示诚挚的谢意! 作者：王鉴 2 0 0 8 年2 月 第一章绪论 1 1 引言 挡土墙是土木建筑、水利水电、铁路交通等工程建设中广泛应用的用来挡土 的墙，是一种墙体或类似于墙体的结构物，是为了保证填土位置或挖方位置稳定 而修筑的一种永久或临时性构造物【l j 。例如，房基侧面的挡墙，路基两旁的护墙， 水工建筑物进出口处的翼墙，桥梁的桥台，河道两岸的护岸墙等等。在英文中称 e a r t hr e t a i n i n gw a l i s 或e a r t hr e t a i n i n gs t r u c t u r e s ，也有的称为s o i l r e t a i n i n gw a l l s 或e a r t hr e t e n t i o nw a l l s 挡土墙的主要荷载是土压力，土压力是指挡土墙墙后的填土因自重或外荷载 作用对墙背产生的侧向压力。土压力的最小值发生在挡土墙离开填土移动，使墙 后填土达到极限平衡状态时，也称为主动土压力；土压力的最大值发生在挡土墙 向填土挤压，墙后填土达到极限平衡状态时，此时墙背上的压力称为被动土压力； 挡土墙完全没有侧向移动时的土压力，称为静止土压力【2 】。土压力是土力学中一 个重要课题，是在基坑设计中一个重要设计参数，因此设计挡土结构物时首先要 确定土压力的性质、大小、方向和作用点。土与结构之间的相互作用是分析土压 力问题的关键。而刚性挡土墙在不同位移模式下，墙土间的摩擦特性，墙后填土 随位移增大产生的变形和强度的发展，这些都对挡土结构所受的土压力的大小和 分布产生影响，而经典的库仑土压力理论无法考虑以上诸多因素的影响。因此， 研究刚性挡土墙在不同位移模式下墙土接触面上的摩擦特性、填土随位移的渐进 破坏对土压力的大小和分布规律都是亟待解决的课题。 计算土压力的理论始于1 7 7 3 年，法国的库仑( c a c o u l o m b ) 提出了计算挡土 墙土压力的滑楔理论，其后于1 8 5 7 年英国的朗肯( w j m r a n k i n e ) 又发表了以微 分土体极限平衡为条件的朗肯土压力理论，这些古典的理论和方法直到今天仍不 失其理论和实用价值。此后许多学者，如太沙基( k t e r z a g h i ) 、契波塔廖夫 ( t s c h e b o t a r i o f f ) 、皮克( r b p e c k ) 、毕晓普( a b b is h o p ) 、罗威( p w r o w e ) 等，对土压力的计算理论及方法进行了研究，扩展了库仑和朗肯土压力理论的应 用范围，并且提出了许多新的计算方法和计算理论，如土压力的极限计算理论， 能量理论，图解法等，使土压力的计算方法和计算理论渐趋完善和合理。 从二十世纪五十年代起，现代科技成就尤其是电子技术渗入到土力学的研究 领域，实现了实验测试和计算的自动化、现代化。随着电子计算机的迅速发展和 数值分析法的广泛应用，使土力学的理论和挡土墙的土压力计算取得了令人瞩目 的成就。 1 2 挡土墙设计方法简介 1 2 1 挡土墙类型的选取 挡土墙就其结构型式可大概分为以下几种类型【2 j ： ( 1 ) 重力式挡土墙 ； 重力式挡土墙的墙面暴露于外，墙背可以做成倾斜和垂直的。墙基的前缘称 为墙趾，而后缘称为墙踵( 如图1 - 1 ) 。重力式挡土墙通常由块石或素混凝土砌 筑而成，因而墙体抗拉强度较小，作用于墙被的土压力所引起的倾覆力矩全靠墙 身自重产生的抗倾覆力矩来平衡，因此，墙身必须做成厚而重的实体才能保证其 稳定，这样，墙身的断面也就比较大。重力式挡土墙具有结构简单，施工方便， 能够就地取材等优点，是工程中应用较广的一种形式。本文研究的对象也就是重 力式挡土墙。 ( 2 ) 悬臂式挡土墙 悬臂式挡土墙一般用钢筋混凝土建造，它由三个悬臂板组成，即立臂、墙趾 悬臂和墙踵悬臂( 如图1 - 2 ) 。墙的稳定主要靠墙踵底板上的土重，而墙体内的 拉应力则由钢筋承担。因此，这类挡土墙的优点是能充分利用钢筋混凝土的受力 特征，墙体截面较小。 ( 3 ) 扶壁式挡土墙 当墙后填土比较高时，为了增强悬臂式挡土墙中立臂的抗弯性能，常沿墙的 纵向每隔一定距离设一道扶臂，故称为扶壁式挡土墙( 如图卜3 ) 。 ( 4 ) 其他类型挡土墙 近十几年来，国内外在发展新型挡土墙结构方面，提出了不少新型结构，例 如锚杆挡土墙、锚定板挡土墙和土工织物加筋挡土墙等。锚定板挡土墙一般由预 制的钢筋混凝土墙面、钢拉杆和埋在填土中的锚定板组成；加筋挡土墙是在填土 中分层埋设筋条，加筋条在填土中均匀分布，加筋的一端则与挡土面板相连接， 利用填土重量在加筋条四周产生的摩阻力来固定挡土面板，抵抗填土的压力。 墙趾 墙踵 墙趾墙踵 图卜1 重力式挡土墙 图1 - 2 悬臂式挡土墙图卜3 扶壁式挡土墙 1 2 2 挡土墙的计算 挡土墙的截面一般按试算法确定，即先根据挡土墙所处的条件( 工程地质、 填土性质以及墙体材料和施工条件等) 凭经验初步拟定截面尺寸，然后进行挡土 2 墙的验算，如不满足要求，则应该变截面尺寸或采用其他措施。 挡土墙的设计通常包括以下内容： ( 1 ) 稳定性验算，包括抗倾覆和抗滑移稳定验算； ( 2 ) 地基的承载力验算； ( 3 ) 墙身强度验算。 挡土墙的稳定性破坏通常有两种形式，一种是在主动土压力作用下外倾，对 此应进行倾覆稳定性验算，另一种是在土压力作用下沿基底外移，需进行滑动稳 定性验算。如挡土墙墙背的应力状态能够清楚的掌握，挡土墙的稳定性验算将变 得很容易，本文就是着重对挡土墙墙背的应力状态进行分析。 1 2 3 重力式挡土墙的体型选择和构造措施1 3 】 合理的选择墙型，对安全和经济地设计挡土墙具有重要意义。 ( 1 ) 墙背的倾斜型式 重力式挡土墙墙背倾斜方式可分为仰斜、直立和俯斜三种型式。对于墙背不 同倾斜方向的挡土墙，如用相同的计算方法和计算指标进行计算，其主动土压力 以仰斜为最小，直立居中，俯斜最大。因此，就墙背所受的主动土压力而言，仰 斜墙背较为合理。如在开挖临时边坡以后筑墙，采用仰斜墙背可于边坡紧密贴合， 而俯斜则需在墙背回填土，因此仰斜墙比较合理。反之，如在填方地段筑墙，仰 斜墙背填土的夯实比俯斜墙或直立墙困难，此时，俯斜墙和直立墙比较合理。从 墙前地形的陡缓看，当较为平坦时，用仰斜墙背较为合理。如墙前地形较陡，则 宜用直立墙，因为俯斜的土压力较大，而用仰斜墙时，为了保证墙趾和墙前土坡 面之间保持一定距离，就要加高墙身，使砌筑工程量增加。因此，墙背的倾斜型 式应根据使用要求、地形和施工等情况综合考虑确定。本文选择的墙背倾斜方式 为直立式。 ( 2 ) 墙面坡度的选择 当墙前地面较陡时，墙面坡可取1 ：0 0 5 1 ：o 2 ，亦可采用直立的截面。 在墙前地形较为平坦时，对于中、高挡土墙，墙面坡度可以较缓，但不宜缓于 l ：o 4 ，以免增高墙身或增加开挖宽度。仰斜墙背坡度越缓，主动土压力越小， 但为了避免施工困难，仰斜墙背坡度一般不宜缓于1 ：o 2 5 ，墙面坡应尽量与墙 背坡平行。 ( 3 ) 基底逆坡坡度 在墙体稳定性验算中，滑动稳定常比倾覆稳定不易满足要求，为了增加墙身 的抗滑稳定性，将基底做成逆坡是一种有效方法。但是基底逆坡过大，可能使墙 身连同基底下的一块三角土体一起滑动，因此，一般土质地基的基底逆坡不宜大 于o 1 ：1 ，对岩石地基一般不宜大于0 2 ：1 。本文选择无逆坡的挡土墙作为研究 对象。 ( 4 ) 墙趾台阶和墙顶宽度 当墙高增大时，基底压力常常是控制截面的重要因素。为了使基底压力不超 过地基承载力设计值，可加脚趾台阶，以便扩大基底宽度，这对墙的倾覆稳定也 是有利的。 在挡土墙的项宽如无特殊要求，对于一般块石挡土墙不应小于0 5 m ，对于混 凝土挡土墙最小可为0 2 0 4 m 。 ( 5 ) 排水措施 挡土墙所在地段往往由于排水不良，大量雨水经墙后填土下渗，结果使墙后 土的抗剪强度减低，重度增高，土压力最大，有的还受水的渗流或静水压力影响， 在一定条件下，或因土压力过大，或因地基软化，结果造成挡土墙的破坏。为使 墙后积水易排出，通常在墙身布置适当数量的泄水孔。当墙后排水量较大或在集 中水流处( 如泉水等) ，为了减少挡土墙背后水份聚积的影响，应该增密泄水孔， 加大泄水孔尺寸或增设纵向排水设施。泄水孔入口处应用易于渗水的粗颗粒材料 作滤水层以免淤塞。墙后地面宜铺筑粘土隔水层，为防止墙后积水渗入地基，应 在最低泄水孔下部铺设粘土层并夯实。为防止墙前积水渗入地基，也应将墙前回 填土分层夯实，并修筑三水沟或排水沟。当墙后有山坡时，应在坡下设置节水沟。 ( 6 ) 填土质量要求 挡土墙的回填土料应尽量选择透水性较大的土，例如砂土、砾石、碎石等， 因为这类土的抗剪强度较稳定，易于排水。不应采用淤泥、耕植土、膨胀性粘土 等作为填料，填土料中还不应杂有大的冻结土块、木块或其他杂物。 实际上所遇到的大多数回填土都多少含有一定的粘性土，这时应适当的混以 块石。对于重要的、高度较大的挡土墙，用粘土做回填土料是不合适的，因为粘 性土的性能不稳定，在干燥时体积收缩，而在雨季时膨胀，由于回填土的交错收 缩与膨胀可在挡土墙上产生较大的侧压力。这种侧压力在设计中往往无法考虑， 其数值还可能比计算压力大许多倍，它可使挡土墙外移，甚至使挡土墙失去作用。 填土压实质量是挡土墙施工中的一个重要而且关键问题。填土时应分层夯实。 1 3 挡土墙土压力计算方法的研究现状 1 3 1 近年国内对经典土压力理论的完善和改进 传统经典土压力理论的力学概念简单明确，一直被工程设计所采用。但都有 许多的计算假定和限定范围，随着数学科学和计算机技术的发展，人们在不断的 完善和改进传统土压力理论，以较准确地为工程设计提供合理的土压力参数。 朗肯土压力理论采用半空间的应力状态和土的极限平衡条件，从微观的应力 角度分析得出土压力的分布。但它忽略了墙背与填土之间的摩擦力，使土压力值 有一定的偏差。 李小江、杨成斌【4 】考虑了墙体的摩擦和地下水的影响，采用微单元片体的分 析方法，对朗肯土压力理论作了进一步的改进，得出了较之为符合实际的土压力 公式。 4 周瑞忠等【5 】用神经网络理论中s i g m o i d 函数的优良特性来改进朗肯土压力理 论的不足，以使它适合非极限平衡条件下考虑结构与土体相互作用的影响，并以 此直接用于计算高层建筑深基坑支护的土压力公式中。 梅国雄等【6 】把现场时实分析中的土压力模型应用于朗肯土压力理论中，提出 了考虑变形的朗肯土压力模型，并用离心模型试验验证了该模型的合理性。 宰金眠等【7 j 根据土压力的大小随挡土墙位移的变化而变化的特点，提出了考 虑位移的土压力模型，并在此基础上推导了考虑位移的朗肯土压力公式；又根据 土压力随时间的发展规律，提出了考虑时间效应的土压力计算方法，并提出了考 虑变形和时间效应的土压力计算方法。 韩立业、陈道政l s 】更正了粘性土朗肯主动土压力分布示图，更改其中“拉应 力”区的提法提出广义粘聚力概念。并给出了粘性土挡土墙的设计步骤。 库仑土压力理论根据墙后滑动楔体的静力极限平衡条件，从宏观静力平衡角 度建立了土压力的分布公式。但它在理论上只适用于砂土，同时不能用在有地下 水渗流情况的分析。 魏汝龙【9 】运用现代土力学概念，对库仑理论在实际应用中的一些问题，例如 应该水土和算还是水土分算，应该考虑墙前后的静水压力还是考虑渗流力，如何 考虑卸载对土压力的形响等问题做出比较深入的剖析。 徐辟忻、张文戈【1 0 】用简洁的方法推导得出库仑土压力公式并分析了土压力 数值与破裂角的相互关系。 兑关锁、左晓宝【i l 】利用土压力对破裂面斜率求极值的方法，简单直观地获得 了库仑土压力与破裂角的计算公式，给出了公式的各种等价表达形式，建议修正 了某些破裂角公式的简单形式。 1 3 2 国内外土压力的试验研究现状 土压力非线性分布的性质，早在1 9 4 3 年，太沙基( k t e r z a g h i ) 在其所著的 理论土力学( t h e o r e t i c a ls o l lm e c h a n i c s ) 一书中，就已经指出。其后在许 多学者有关土压力试验中也证实了这一点【1 2 ，1 3 ，1 4 】。 太沙基( k t e r z a g h i ) u 4 j 首先通过大量的模型试验获得了极限状态和挡土结 构变位之间的关系。 r o s c o e 1 5 】通过试验研究，证实了被动土压力的大小、方向和作用点通常取 决于挡土结构的变位方式。 f a n g 和i s h i b a s h i 【1 6 j 对砂性填土n u 性挡墙的主动土压力做了模型试验。试验 结果表明：主动土压力的非线性分布，其形式取决于挡土结构的变位方式，但不 同挡土结构变位方式达到主动土压力极限状态所需的位移量基本一致，土压力合 力作用点随着土的密度增加而上升。 5 前苏联的许多试验表明土压力沿墙背为曲线分布，到达某深度的土压力开始 逐渐减少，到墙底接近零值。普利列亚耶夫试验，土压力作用点在1 3 - 1 2 倍墙 高处；肯坎年试验，土压力合力作用点在0 4 0 5 倍墙高处；美列什科夫试验， 土压力作用点在0 4 2 - 0 4 3 倍的填土高度处；卡冈试验，土压力合力作用点在 0 3 7 - 0 4 3 倍的填上高度处i l 引。 y u n g - s h o wf a n g 和t s a n g j i a n gc h e n l l7 j 在台北交通大学用砂土对水平方向 自由的模型做了相应的试验在平动时，土压力的分布是线性的，符合传统土压力 理论的结果。在挡土墙绕墙顶转动( r t t ) 和绕墙底转动( r b t ) 模式下，挡墙的位移 模式对土压力的分布影响很大，但当n 大于2 时，这种影响很小。 y u n g s h o wf a n g 等【1 6 1 对砂土做了挡墙在不同变位模式下的土压力分布试验。 当挡墙绕墙顶转动时，由于土拱作用，靠近墙顶处的土压力值大于静土压力值。 土拱效应也增加了受试砂土的重度，因此，土压力呈非线性分布。作者并对三种 模式下的土压力进行了对比。 徐日庆、陈页开和龚晓南【l8 j 通过模型试验对砂土在不同变位情况下，得出 刚性挡土墙被动土压力的试验结果，最后分析了不同变位条件下的土压力的变化 规律： ( 1 ) 挡土墙的变位方式为平动时，墙后被动土压力的分布均基本上为三角 形分布，不同深度的土体几乎同时达到被动极限平衡状态。 ( 2 ) 挡墙的变位方式为r b t 时墙后土压力为非线性分布，挡墙上部土压力 大于下部土压力值，并且挡墙上部的土体也先于下部土体达到被动极限状态，土 压力合力作用点位于墙底以上0 5 1 h 处。 ( 3 ) 挡墙的变位方式为r t t 时，墙后土压力为非线性分布，挡墙下部土体 大于上部土压力值，并且挡墙下部的土体也先于上部土体达到被动极限状态合 力点位于墙底以上0 2 2 h 处。 王谓漳、吴亚中【1 2 】在某专业码头通过现场试验详细地说明了试验过程，并 对各种试验结果做了比较和分析。 s o v i n c 1 9 】通过模型试验分别对土体的蠕变和剪应力松弛现象进行研究。试 验结果表明：对于应力松弛，当墙体移动到一定位置后停止不动，主动土压力将 逐渐增大，直至静止土压力，抗剪强度发挥6 0 ，被动土压力逐渐减小至静止土 压力。对土体塌变，随着墙体的平移，主动侧土压力逐渐降低到主动土压力，蠕 变位移与时间成对数关系。 y u n g s h o wf a n g 和y i n g c h i e h h o 【2 0 】通过模型试验分析了填土重度对被动土 压力大小的影响。对于重度和内摩擦角较大的砂土，库仑与t e r z a g h i 理论计算的 土压力值过大。当挡墙位移达到墙高的1 2 时，对于不同重度的填土，土压力合 6 力为一不变的值。在位移达到临界值时，填土的破裂角与填土的内摩擦角相似。 1 3 3 本文研究内容 对刚性挡土墙上土压力研究的关键问题在于弄清土压力的分布规律、大小及 其影响因素。本文的研究目的在于针对不同位移模式下的刚性挡土墙，分析作用 于挡土墙上的土压力的大小以及分布规律。针对工程实际和设计中存在的问题， 基于a n s y s 有限元软件对挡土墙进行二维建模分析，检验挡土墙位移模式和位移 大小的土压力计算方法的准确性，使挡土墙设计更合理经济。 刚性挡土墙受到的土压力与挡土墙墙背的倾斜度、墙背的粗糙程度、填土性 质及施工方式等因素有关。本文研究的对象具有以下特点：墙背竖直、粗糙的刚 性挡土墙；刚性挡土墙是指墙体本身刚度较大，在土压力作用下墙体基本不变形 或变形很小的挡土墙，在计算这种挡土墙上的土压力时，可以不考虑墙体自身变 形对土压力分布的影响；墙后填土为风干砂土，填土面水平并且无超载；刚性挡 土墙三种基本位移模式( t ，r b 和r t ) 下，挡墙背离填土产生位移，随位移增大，直 至墙后土体达到完全主动状态，对该过程中墙体上土压力的分布规律以及变化过 程进行研究。 本文主要的研究思路：根据己有的对不同位移模式下刚性挡土墙土压力模型 试验结果以及计算方法分析结果，总结出不同位移模式下，墙后填土的渐进破坏 特点以及墙土接触面上的摩擦发挥特性，引入填土内摩擦角及墙土接触面上摩擦 角的发挥与土体位移之间的关系，其中初始摩擦角根据初始应力条件确定。根据 不同位移模式下，土体渐进破坏机理，分别采用改进的库仑主动土压力公式和有 限元方法计算各位移下对应的准主动土压力及主动土压力的分布，并得到土压力 合力大小随位移的变化。通过模型试验结果进行比较分析，对考虑位移模式和位 移大小的土压力计算方法进行评价，期望对挡土墙设计提供参考。 7 第二章解析法计算位移作用下的土压力 2 1 引言 刚性挡土墙在不同位移模式下，墙土间的摩擦特性，墙后填土随位移增大产 生的变形和强度的发展，这些都对挡土结构所受的土压力的大小和分布产生影 响。大量的研究表明，计算位移作用下的土压力应该同时考虑墙体位移模式、位 移的大小和摩擦角的发挥程度。近年来，也有一些学者提出了考虑墙体位移的土 压力计算方法，用于计算准主动状态之前土压力的大小。他们主要根据土压力与 挡土墙位移的关系曲线( 如图2 - 1 ) ，采用各种函数进行拟合，并使得计算公式 能在一定程度上反映土与结构的相互作用。本文的土压力计算方法从墙后填土内 部入手，考虑随墙体位移增大填土渐进破坏机理来计算不同位移量下的准主动土 压力。 图2 1 墙身位移与土压力的关系 2 2 挡土墙土压力计算方法的概述 2 2 1 朗肯土压力理论 朗肯土压力理论是1 8 5 7 年法国人朗肯提出的【2 l 】。古典的朗肯土压力理论是 根据半空间应力状态和土的极限平衡条件得出的计算方法，但必须假设挡土墙墙 背是直立的、光滑的、填土面是水平的，这正是朗肯土压力理论的不足之处。 挡土墙在足够的土压力作用下产生足够的位移和变形，使填土处于极限平衡 状态。当处于主动、被动极限平衡状态时，土压力强度为： 盯。= y z k 。一2 c 4 k 。 g p = y z k p 七2 c 、| k p 8 因此挡土墙主动、被动土压力为： e 口- 毛谭2 k , , - 2 c h 厄4 - 等 e p = 妥y h l kp + 2 c h 厄 e 。朗肯主动土压力系数； e 。朗肯被动土压力系数； h 墙高： y 填土的重度k n m 3 ； c 土体的粘聚力。 朗肯土压力之所以广泛应用于工程中，其优点是公式简单，又可应用于粘性 土。 2 2 2 库仑土压力理论 w 手一6 图2 2库仑主动土压力计算简图 库仑土压力理论是1 7 7 6 年法国入库伦提出的【2 。这一理论是根据墙后滑动 土楔体静力平衡条件得出的。当挡土墙在外力或填土的作用下产生位移或变形， 墙背面填土形成楔形滑裂土体，滑裂体以外的土体处于极限平衡状态，滑裂体以 外的土体仍处于弹性状态，此时根据滑裂土体上作用的平衡条件，即可求得土压 力( 如图9 - 2 ) 。其基本假定为： ( 1 ) 填土为均质的无粘性散粒体，c = 0 ； ( 2 ) 滑动土楔体视为刚体； ( 3 ) 滑动面为一个通过墙踵的平面，滑动面的摩阻力是均匀分布的； ( 4 ) 墙背也是一个滑动面，填土与墙面也存在摩阻力； ( 5 ) 填土表面为水平面或倾斜面； ( 6 ) 土压力计算是平面问题( 二维问题) ，可以取单位墙长来进行计算。 该理论认为滑动土楔体所受作用力有土的白重w ，破坏面的反力r ，墙背对土 9 楔体的反力e 。 当土楔体处于静力平衡状态时，e ，w ，r 、这三力构成闭合的力矢三角形。 求得主动、被动土压力为： k o = 妥y h 2 k ，：寻2 二 c o s2 一口) c 。s2 口c 。sc 口+ 万， + 、唾萼 喜j ；雩写暮弼 2 c o s2 + 口) c o s c o s ) 一 式中口，缈，万分别为墙背倾角、填土面倾角、内摩擦角、外摩擦角。 库仑土压力理论假设条件较少，比朗肯理论应用范围广。 2 2 3 地基基础设计规范推荐