挡墙后土体应力状态与土压力分析研究

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土压力理论是土力学研究的重要内容,合理分析土压力产生的力学机制,并正确计算作用于挡土墙结构上的土压力,是工程上进行挡土结构设计的重要依据。经典朗肯理论(1857)由于假设条件过于理想而不能受到广泛应用,而库伦理论(1776)只能得到土压力合力却无法求得其分布,且库伦的线性分布假设也无法得到国内外众多试验结果的支持。土压力的分布形式是一个关键性问题,对土压力非线性分布的研究从土拱效应的发现和薄层微分方法的应用开始,取得了重大的进展。土拱方法的基本思路是假定滑动土体整体所有单元处于极限平衡状态,即达到Mohr-Coulomb屈服条件,摩尔圆与抗剪强度线相切,据此先求出墙背上和滑裂面上主应力的偏转角,进而得到墙背处土压力强度与水平层平均竖向应力的比值系数(称为侧土压力系数),最后对水平薄层进行受力分析求解。然而,相关研究和理论论证表明,当土压力达到极限值时,滑动土体内部单元并不一定能完全达到极限状态,因此,基于完全极限条件的土拱方法便不能反映这一要求。并且,当前理论在运用土拱原理进行土压力分布研究时,几乎都没有深究滑动土楔所受反力的分布,也没有考虑在相应土压力解答下,土楔能否满足整体的力矩平衡。因此,当前主流的通过土拱效应求解土压力分布的方法还存在一些理论上的不足,正确认识并计算土楔体受力的边界条件和内部的应力状态,将会使土压力计算方法取得理论上的进步。基于以上研究出发点,本文提出当土压力达到稳定时,土楔内部及滑裂面上土体未完全达到极限状态的不同见解,对墙后土体的应力状态和土压力进行了深入探讨,主要包含以下工作:(1)滑楔土体应力状态分析研究。依据国内外相关文献,对土体的极限破坏状态进行探讨,分析在极限土压力状态下土体状态的表现行为,从试验和数值结果的角度探究极限土压力条件下土体应力状态的分布规律。按照完全极限状态假设,分析土拱理论和薄层微分方法推导土压力理论分布的过程,论证了理论假设之间,及其与力矩平衡条件之间的矛盾性质。(2)建立了考虑非完全极限状态下的土体应力状态和土压力分布求解方法。基于滑裂面上土体达到极限状态,而土楔内部及墙背土体单元未完全达到极限状态的基本条件,依据二维的平衡微分方程,通过合理假设,结合改进的应力状态边界条件,采用主应力比参数对非极限应力状态进行描述,表示出了墙背所受主动和被动土压力的分布形式。进一步,通过分布解积分求解了土楔上各力所受的相应的合力和相对于墙踵的力矩,并代入滑楔土体的静力平衡和力矩平衡方程,使微观应力和宏观的静力平衡得到统一,并由此求解出相应的滑移面倾角和墙背土体非极限状态参数,使土体的应力状态能够同时满足所有的力学基本条件,建立了无黏性土主动和被动土压力的理论计算模型和墙后土体应力状态的分析方法。(3)建立了扩展的无黏性土主动土压力计算方法。基于无黏性土应力分析的有关结论,将理论的适用范围扩展到墙背倾斜,墙后填土为黏性土的条件下,并考虑水平薄层间的剪应力,结合土拱理论与坐标平移方式,得到了改进后考虑黏聚力的滑移面倾角解答以及主动土压力计算公式,同时扩展了理论的适用范围。
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