挡墙前有限斜坡土体被动土压力研究_赵其华.pdf
《挡墙前有限斜坡土体被动土压力研究_赵其华.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《挡墙前有限斜坡土体被动土压力研究_赵其华.pdf(11页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、书书书Journal of Engineering Geology工程地质学报10049665/2022/30(6)-1882-11赵其华,蒋峻峰,郑涛,等 2022 挡墙前有限斜坡土体被动土压力研究J 工程地质学报,30(6):18821892 doi:1013544/jcnkijeg20210552Zhao Qihua,Jiang Junfeng,Zheng Tao,et al 2022 New procedure for lateral earth pressure calculation in finite soil of sloping condition J Journal ofE
2、ngineering Geology,30(6):18821892 doi:1013544/jcnkijeg20210552挡墙前有限斜坡土体被动土压力研究*赵其华蒋峻峰郑涛彭毅王谊(地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学),成都 610059,中国)(华南防灾减灾研究院(深圳)有限公司,深圳 518001,中国)摘要为探究挡墙前存在斜坡临空面条件下土体破坏与侧土压力特征,采用强度折减法研究了不同临坡距与嵌入深度下的挡墙前侧有限斜坡土体的破坏特征,并用水平层分析法与静力平衡法,推导了一种考虑斜坡坡度、临坡距及临空斜坡内土体层间剪切力的被动土压力理论计算公式。通过与室内试验、数值
3、模型及其他计算理论对比,建议方法同模型试验、数值解及其他理论计算结果基本吻合,证明了建议方法对计算有限斜坡条件下被动土压力的有效性,最后分析了斜坡坡度、临坡距对被动土压力与临空斜坡土层中层间剪力的影响。研究表明:平动模式下的有限斜坡土体破坏面主要沿墙底与斜坡坡脚附近破坏,这与半无限空间条件的破坏特征明显不同;斜坡条件下的被动土压力随深度呈指数增加规律,且随临坡距减小与坡度增大,被动土压力均出现了一定程度的减小,其中临坡距为 0 时,被动土压力相比半无限空间条件时降低幅度达到 30%50%;平动模式下的临空斜坡土体中的层间剪切系数为 0.070.1;当墙背光滑且临坡距足够大时,建议方法可简化为理
4、想条件的朗肯被动土压力公式。关键词斜坡坡度;有限土坡;强度折减法;层间剪切应力;水平层分析法中图分类号:TU432文献标识码:Adoi:1013544/jcnkijeg20210552*收稿日期:20210802;修回日期:20210830基金项目:国家自然科学基金面上项目(资助号:41272333),国家重点基础研究发展计划(资助号:2011CB013501)The research is supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant No 41272333)and National Program o
5、n Key Basic esearchProject of China(Grant No 2011CB013501)第一作者简介:赵其华(1965),男,博士,教授,博士生导师,主要从事岩土工程方面的研究 E-mail:zhqh163com通讯作者简介:蒋峻峰(1986),男,博士生,工程师,主要从事岩土体稳定、防护结构健康诊断与监测等方面的研究 E-mail:jjf524973903outlookcomNEW POCEDUE FO LATEAL EATH PESSUE CALCULATION INFINITE SOIL OF SLOPING CONDITIONZHAO QihuaJIANG
6、JunfengZHENG TaoPENG YiWANG Yi(State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection,Chengdu University of Technology,Chengdu 610059,China)(South China Disaster Prevention and Mitigation esearch Institute(Shenzhen)Co,Ltd,Shenzhen 518001,China)AbstractA new approach is proposed t
7、o evaluate the destruction mode and lateral earth pressure of the finitesloping soil based on the slices method and limit equilibrium method The strength reduction method is used to studythe failure characteristic of the finite sloping soil in front of retaining wall with the different slope distanc
8、es andembedded depths The proposed method takes into account the gradient,width between retaining wall and crest ofthe slope(WWCS),and shear stress of soil mass The accuracy of the proposed method is demonstrated bycomparing the experimental results,numerically calculated results,and other theoretic
9、al methods The comparisonresults show that the proposed method is appropriate for predicting the distribution of passive earth pressure in thesloping condition At last,a parametric study was undertaken to evaluate the effects of the gradient and WWCS onpassive earth pressure and shear stress by the
10、proposed method The results show that the characteristic of the failuresurface is mainly damaged along the bottom of retaining wall and the toe of the slope under translation mode of thefinite sloping soils,which is significantly different than that in the semi-infinite space condition The passive e
11、arthpressure increases exponentially with depth,and increases with the increasing gradient and decreasing WWCSWhen WWCS is 0,compared with the semi-infinite space condition,the passive earth pressure is reduced by 30%to 50%The coefficient of shear stress in the infinite slope soil is 0.070.1 under t
12、ranslation mode The proposedformulation can be simplified to ankines formulation of passive earth pressure when soil-wall interface is smoothand WWCS is enough largeKey wordsGradient;Finite soil slope;Strength reduction method;Layer shear stress;Horizontal layer analysis0引言有限斜坡岩土体广泛存在于河道斜坡上的桩板墙、基坑中半
13、逆作法施工条件下的围护桩墙、半挖半填路堑边坡上桩板墙等挡墙工程中。这些条件下挡墙前的有限斜坡岩土体,由于受斜坡坡度、挡墙与斜坡边缘距离等因素的影响,导致此种条件下的土体破坏模式与侧土压力分布特征同半无限空间条件下有较大不同(Hu et al,2020)。因此,挡墙前有限斜坡土体能否提供足够的被动土压力,对准确确定有限斜坡土体中挡墙的稳定性具有重要意义。目前被动土压力的研究多以半无限空间条件为研究前提。在被动土压力的试验研究方面,国内外众多砂土的被动土压力的室内试验与原位测试结果表明(Clough et al,1991;Fang et al,1994;顾慰慈,2001;徐日庆等,2002;Bec
14、ker et al,2006;赵建军等,2019),当墙体平移时,在半无限空间中的被动土压力大致呈三角形分布,当在墙体绕墙脚转动和绕墙顶转动模式下,被动土压力随深度呈现出较强 的 非 线 性 分 布。试 验 测 试 结 果 与 经 典 的ankine 理论与 Coulomb 理论中的土压力随深度呈线性分布的特征存在矛盾之处,因而一些学者根据试验监测结果,在静力极限法(Jiang et al,2021)、图解法(顾慰慈,2001)、应力状态法(朱建明等,2015)、水平层分析法(王元战等,2006)、有限元法(张建勋等,2004;Liu et al,2020;史克宝等,2020;赵亮亮等,202
15、0)等方法的基础上提出了较多关于半无限空间的被动土压力的改进计算理论,主要有对数螺旋线滑面被动土压力计算(Terzzghi etal,1996;顾慰慈,2001),考虑土拱效应的被动土压力计算(Hu et al,2020),侧向有限土体中的被动土压力计算(韩同春等 2018;徐日庆等,2020;Chen et al,2021),弹性地基梁法(陈继彬,2017),应 变 楔 形 体 计 算 模 型(Ashour et al,2004;Nimtyongskul et al,2018;杨明辉等,2019),考虑位移影响的非极限被动土压力(Ni et al,2018)等。对有限斜坡岩土体中的被动土压力
16、研究,应宏伟等(2011,2016)采用室内模型试验和数值模型研究了土体有限侧限宽度对被动土压力的影响,但并未考虑斜坡坡度与临 坡 距 影 响。Nimtyongskul et al(2018)、Yin et al(2018)和喻豪俊等(2018)则是研究采用原位试验或数值模型研究了斜坡坡度对水平受荷单桩的侧向地基承载力与地基反力系数分布特征的影响,并对半无限空间的水平受荷单桩侧向极限承载力公式进行了改进。Muraro et al(2014)和Pirone et al(2018)采用强度折减法研究了斜坡条件下单桩加固坡体后的桩位移、被动土压力与结构内力分布特征。由上述被动土压力的研究现状可见,考
17、虑斜坡坡度、临坡距及土层内部剪力的被动土压力的理论计算仍不多见,而目前实际工程中,斜坡条件下挡墙前有限土体的被动土压力的计算仍多采用传统的半无限空间的土压力理论进行折减计算,由于忽略了斜坡坡度、临坡距等因素对侧土压力的影响,导致传统的被动土压力计算理论在斜坡有限土体中的计算误差较大,进而因水平抗力不足而出现挡墙倾覆或推倒破坏等工程问题,如四川茂县黑虎四村滑坡、三岔湖雷打石滑坡等。针对以上情况,本文采用水平层分析法、静力平衡法与数值模型,研究斜坡坡度、挡墙与斜坡边缘距离以及土条水平层间剪切力等因素对被动土压力的影响,推导了一种斜坡上有限土388130(6)赵其华等:挡墙前有限斜坡土体被动土压力研
18、究体中的被动土压力计算公式,用室内与数值模型结果验证了该建议方法的合理性。1计算模型1.1数值模型由于影响土压力因素较为复杂,无论是常见的边坡挡墙或是基坑围护结构墙体,现有的众多土压力理论多是基于平动模式下经典的 ankine 理论与Coulomb 理论,故本文研究以简单的平动模式为基础(应宏伟等,2011),采用有限元 Midas GTS 对挡墙前斜坡土体破坏特征进行研究,将初始位移为 0的墙体向左平移 600 mm,使挡墙(总长 16 m 或20 m,墙高 H1为 8 m,嵌入深度 L 为 8 m 或 12 m,墙厚0.8 m,临坡距 b=4 m 或20.4 m)两侧土体达到极限状态,并用
19、强度折减法确定土体最终破坏面位置(Pirone et al,2018)。二维数值分析模型尺寸及边界条件如图 1。模型计算参数如表 1。网格采用 3节点三角形与 4 节点四边形的混合单元平面网格,单元尺寸为 0.52.0 m。土体破坏服从莫尔库仑准则。挡墙前斜坡坡度为 25。已有大量研究表明,位移云图能准确显示土体破裂面的位置(Liu et al,2020)。图 1 中,挡墙前侧土体破裂面均经过墙脚与坡脚附近位置,图 1a、图1b 和图 1c 中的破裂角分别为 22.6、7.9和 11,相比朗肯被动破裂角 29明显偏小,表明斜坡条件的破裂角 45/2;随着墙体嵌入深度与临坡距的增加,由于受斜坡影
20、响,挡墙前土体并未沿朗肯被动破裂角破坏,而是沿着坡脚附近或坡中最为薄弱的位置出现破坏;即使临坡距足够大,且满足 b/L=cot(45/2)时,破裂角可能依然沿坡脚破坏,这与半无限空间条件下的被动区土体破坏特征明显不同。1.2基本模型建立图 2 中 ABCD 为挡墙前土体被动区滑移楔形体。挡墙墙高为 H1,斜坡坡高为 H2,挡墙嵌入深度为 L,挡墙前斜坡土体坡度为,假定破裂面与水平面的夹角为,A、C 点的竖向高度为 L1,C、B 点的竖向高度为 L2,临坡距为 b,土条 ef 与 ef厚度为 dy,土条与 AD 面的竖向高度为 y。1.3基本假定假设:模型处于平面应变状态;挡墙前有图 1挡墙前后
21、土体水平位移分布云图Fig 1Horizontal displacement cloud mapbefore and after retaining walla H1/L=1.5 且 b/L=0.33;b H1/L=1.0 且 b/L=0.50;c H1/L=1.0 且 b/L=2.55表 1数值模型计算材料参数Table 1Material parameters in the finite element model名称砂土挡墙重度/kN m31602500黏聚力 c/kPa500/内摩擦角/()320/弹性模量 E/MPa40300000泊松比 030018限斜坡土体为均质弹塑性体;土体破
22、坏时处于极限平衡状态,并服从莫尔库仑准则;土体破坏面始终经过墙底(Yin et al,2018);挡墙为刚体。2基本模型求解由于 ef 和 ef土条边界条件不同,需以 C 点为4881Journal of Engineering Geology工程地质学报2022图 2斜坡条件的土压力计算模型示意图Fig 2Sketch of lateral earth pressure calculation forthe finite soil in sloping condition边界,分为上下两段 0yL1和 L1yL2,分别对ef 和 ef土条进行受力分析。由于已知 L、b、和,则:L1=L L2
23、L2=(Lcot+b)sin sin sin(+)(1)2.10yL1段 ef 土条受力分析由图 3,该段墙土接触面 f 点处的正应力 w均由土条上下界面处的剪应力承担,因此在平动模式下该段仍需要考虑一定的土体剪应力,才能满足静力平衡。令土条顶面上的剪应力与竖向应力之比为层间平均剪切系数 K1(王元战等,2006),则:m=K1v(2)式中:v为土条上的竖向正应力。图 3土条 ef 受力分析图Fig 3Force analysis of ef trapezoidal layer element假定该段层间平均剪切系数 K1与深度呈线性正相关(陈奕柏等,2015;Hu et al,2020),则
24、:K1=ky=yKCL1(3)式中:KC为 C 点处分界面上层间剪切系数,且 L10。2.1.1墙面粗糙时根据土条 ef 在水平与竖向的静力平衡条件,略去高阶无穷小后,可得:wdy ldmmdycot=0dG ldvvdycot+wdy=0(4)式中:w为 f 点接触面处的正应力;m为土条水平剪应力;l 为土体 ef 的水平长度,l=b+ycot;dG=ldy。由莫尔库仑破坏准则,墙土接触 f 点处的剪应力:w=wtan+cw(5)式中:为墙土接触面摩擦角;cw为墙土接触面黏聚力。其中:朱建明等(2015)建议墙土黏聚力采用cw=ctan tan 计算,式中:c 为土体黏聚力;为土体内摩擦角。
25、联立式(2)、式(4)与式(5),消除 dv/dy 后,则:w=ky(l+cw)1 kytan(6)令 y=L1,代入上式,可得:w|y=L1=kL1(b+L1cot)+cw1 kL1tan(7)将式(6)代入 pp=wcos(Jiang et al,2021),可得L1段侧向被动土压力 pp。pp=ky(b+ycot)+cwcos kysin(8)式中:斜坡倾角 0。上式表明,斜坡条件下的 0yL1段的被动土压力与斜坡坡度、斜坡顶面宽度及土体层间剪切系数密切相关。由于上式中,k 值仍为未知数,后续需通过 C点上下界面处的边界条件相同来进行求解。将式(6)代入式(4),消去 w,则:dvdy=
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 挡墙 有限 斜坡 被动 压力 研究
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。