基于统一强度理论的有限土体主动土压力研究

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土压力作为岩土工程中经典的研究课题,广泛涉及到地下工程、市政、道路、水利等方面,尤其是对于抵抗岩土体变形的支挡结构而言,土压力计算的准确与否是其设计的合理性及可靠性的主要因素之一。当前,城市建设和城镇化进程不断加快,在邻近建筑物附近开挖基坑及靠近岩面附近修筑路堤已十分常见,对于此类工程中的基坑或路堤进行支护时,其后填土处于有限宽度状态,再使用基于半无限空间假定的经典土压力理论计算是不合适的。此外,工程中填土实际上处于三维应力状态,且受到多因素共同作用,但Mohr-Coulomb理论并没有考虑到中主应力的影响。为此,本文依据实际工程中有限土体的特点,通过理论分析及数值模拟的方式对复杂条件下有限宽度土体土压力的分布形式及作用特点进行系统分析,基于统一强度理论,分别对采用平滑裂面和曲线滑裂面假定,以及非极限状态的土压力进行了深入探讨。主要内容及结论如下:(1)针对经典的梯形土楔体的土压力问题,也即平滑裂面假定,综合考虑了中间主应力、黏着力、临近建筑侧压力、拉伸裂缝高度、填土面超载等影响。首先,基于滑楔体理论推导有限土体土压力公式,考虑土体由半无限向有限状态变化的过程,讨论土体的滑裂面倾角变化情况;其次,考虑土拱的影响,基于薄层单元法推导了主动土压力、合力及作用点的计算公式,讨论了土压力的分布形式,结合数值模拟及前人成果进行了验证。结果表明:对比于以往试验结果本文两种方法均有其合理性,主动土压力随着中主应力的增大而减小,在深度较浅且土体宽度较小时宜使用滑楔体法,而深度及土体宽度较大时薄层单元法更符合。(2)针对地震作用下有限黏性土体的土压力问题,采用曲线滑裂面假定,考虑了土拱效应的影响,将拟静力法与薄层单元法结合推导了有限土体地震作用下的主动侧压力系数及主动土压力解析解,同时也进行了数值模拟,并与前人理论成果进行对比,也通过算例对主要参数的敏感性进行了讨论。结果表明:假定的滑裂面形式与数值解相近,本文解的土压力分布形式与已有理论成果及数值解较为符合,且计算结果与数值解较为接近,本文方法是可行的,而经典的M-O理论为线性且计算结果偏大。(3)考虑到一些对于支挡结构位移严格控制的工程,小位移下支挡结构后土体往往并未达到主动极限状态。依据支挡结构平动模式的位移特点,提出了考虑中间主应力和土拱效应的半无限土体和有限土体非极限土压力计算方法,讨论了支挡结构位移大小对侧向土压力系数、土压力分布及合力的影响。结果表明:考虑中主应力的非极限土体抗剪强度参数符合试验规律,侧向土压力系数随位移的增大逐渐减小,临近主动极限状态时接近本文主动侧压力系数。对于支挡结构位移远小于其极限位移的特殊工况,静止状态时本文解较静止土压力要偏小许多,在初始位移阶段存在大于Rankine解的情况,当达到主动极限状态小于Rankine解,对支挡结构内力计算时需要注意。
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