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第23卷第6期岩石力学与工程学报23(6):989~9952004年3月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringMarch,20042002年3月25日收到初稿,2002年6月5日收到修改稿。*国家自然科学基金(59978045)资助项目。作者陈页开简介:男,1973年生,博士,1995年毕业于沈阳建筑工程学院机械设计与制造专业,主要从事岩土工程方面的研究、教学与设计等工作。E-mail:chenyekai@163.com。刚性挡土墙主动土压力数值分析*陈页开汪益敏徐日庆龚晓南(华南理工大学交通学院广州510640)(浙江大学岩土工程研究所杭州310027)摘要采用有限单元法对作用于刚性挡土墙上的主动土压力进行数值分析,土体采用弹塑性的Mohr-Coulomb本构模型,在土与结构接触面间引入无厚度的Goodman接触单元,接触面上剪应力和剪切位移采用弹塑性的本构模型,研究了不同挡土墙的变位模式、不同墙面摩擦特性以及土体变形特性等因素对土压力大小和分布的影响。关键词土力学,主动土压力,刚性挡土墙,变位模式分类号TU432,TU476+.4文献标识码A文章编号1000-6915(2004)06-0989-07NUMERICALANALYSESOFACTIVEEARTHPRESSUREONRIGIDRETAININGWALLChenYekai1,WangYimin1,XuRiqing2,GongXiaonan2(1SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640China)(2ZhejiangUniversity,Hangzhou310027China)AbstractInthispaper,numericalanalysesforactiveearthpressureproblemsofrigidretainingwallareperformed,aimingatimprovingunderstandingofthefactorsgoverningthemagnitudesanddistributionsoftheearthpressuresonretainingwall.ActiveearthpressureproblemsareanalyzedbyusingaMohr-Coulombconstitutivemodelofsoil.Amethodtodescribethefrictionalbehaviorbetweensoilandwallisproposedusingtheelastoplasticjointelements.Thecomputedvariationsofearthpressurewithwalldisplacementinactivestatesexplainwelltheinfluenceofthewallfrictionandthewallmovement.Keywordssoilmechanics,activeearthpressure,rigidretainingwall,wall-movementmodes1引言在上文“刚性挡土墙被动土压力数值分析中”,作者同时考虑土体的力学特性和土与结构接触面上的变形特性,用有限单元法对作用在刚性挡墙上的被动土压力进行分析研究[1~4],土体采用弹塑性的Mohr-Coulomb本构模型,在土与结构接触面间引入无厚度的Goodman接触单元,接触面上剪应力和剪切位移采用弹塑性的本构模型。本文拟对作用在刚性挡墙上的主动土压力进行分析,土体本构模型、土与结构接触面本构模型均与上文相同,刚性挡墙的变位模式采用墙体平移T模式、绕墙顶上某点转动RTT模式和绕墙底下某点转动RBT模式等3种模式,研究不同变位模式和位移条件对土压力大小和分布的影响[5~10]。2算例分析2.1计算参数及分析方法•990•岩石力学与工程学报2004年仍假定模型假定为平面应变问题。有关计算程序、计算网络、约束条件、填土模型与计算参数同上文所述。通过给定挡墙背离土体,可以获取土体的主动土压力状态,为了分析挡墙的变位模式对土压力大小及其分布的影响,主动状态采用3种变位模式,即T模式,RBT模式和RTT模式,如图1所示。(a)T模式(b)RBT模式(c)RTT模式图1主动状态挡墙变位模式Fig.1Modesofwallmovementinactivestate在这里引进一个参数n,其定义为挡墙转动轴心到墙顶(墙踵)的距离和墙高的比值,从图中可以看出,当=n0时,RTT模式退化为刚性挡墙绕墙顶转动;当∞→n时,RTT模式相当于刚性挡墙平移,即T模式(见图1(a))。2.2主动土压力计算结果2.2.1考虑挡墙变位模式首先,考虑挡墙变位模式对主动土压力大小及其分布的影响,此时,假定墙面光滑(=δ0°),挡墙变位模式分别为T模式,RBT模式和RTT模式。(1)T模式挡墙平移时,在不同位移阶段,墙后的土压力分布如图2所示。由于挡墙发生背离土体的位移,墙后土压力由开始的静止土压力逐渐减小,并最终减小到极限主动土压力值。不同深度处的土体几乎同时达到主动土压力状态,在不同位移阶段,土压力的分布基本上都呈线性,直到土体破坏。但由于模型下边界及左边界的约束作用,在挡墙的底部,土压力计算结果与直线的土压力分布有一定的偏差。定义水平土压力系数hK为水平土压力合力与22Hγ之比,如图3所示,hK随着挡墙位移的增大而逐渐减小,并最终趋向于一恒定值,此值与朗肯主动土压力值较为接近,说明当挡墙表面光滑时,极限土压力值与朗肯土压力理论比较一致。hK与挡墙位移的关系为非线性关系,当挡墙位移=maxS图2水平土压力分布曲线Fig.2Distributionofhorizontalearthpressure图3Kh随挡墙位移变化曲线Fig.3VariationofKhwithwallmovement1.4~1.6mm(=HSmax0.0014~0.0016)时,墙后土体达到主动状态。图4为土压力的合力作用点随挡墙位移增大的变化情况。合力作用点位于墙底以上0.35H处,按朗肯土压力理论,合力作用点应位于墙底以上0.33H处,有限元计算结果要大于朗肯土压力理论值,主要是因为边界条件造成挡墙底部土压力要小于直线分布土压力值。图4合力作用点随挡墙位移变化曲线Fig.4Variationofapplicationpointoftotalthrustwithwallmovement不同的挡墙位移阶段,墙后土体的sF分布情况第23卷第6期陈页开等.刚性挡土墙主动土压力数值分析•991•如图5所示。当挡墙位移较小时,仅在墙趾以及土体表面的很小范围内土体的安全系数较小(sF≤1.1),随着挡墙位移的增大,安全系数较小区域逐步由墙趾和土体表面向土体中扩展,并最终贯穿土体,形成滑动面,如图5(c)所示,土体的滑动破坏面与朗肯土压力理论较为一致。(a)Smax=0.3mm(b)Smax=0.6mm(c)Smax=1.2mm图5墙后土体安全系数等值线图Fig.5Distributionoflocalsafetyfactorsforbackfillsoil(2)RBT变位模式挡墙绕墙趾转动时(=n0),不同的位移阶段墙后水平土压力分布如图6(a)所示,由于挡墙发生背离土体的位移,墙后土压力由开始的静止土压力逐渐减小。挡墙上部土压力的减小速度要明显大于挡墙下部土压力的减小速度,并先达到主动土压力状态,这是由于挡墙上部的位移大于下部位移,在挡墙的底部,由于挡墙位移很小,墙后土压力的变化量也很小,并始终不能达到主动土压力状态,所以,在不同的位移阶段,土压力分布都呈明显的非线性。图6(b),(c)分别为=n0.5和=n5.0时墙后土压(a)n=0.0(b)n=0.5(c)n=5.0图6水平土压力分布曲线Fig.6Distributionofhorizontalearthpressure力的分布。随着n值的增大,挡墙下部的位移逐步增加,因此,挡墙下部的土压力也相应减小,当n大到一定值以后(如=n5.0),不同深度处的土压力变化速率基本相同,土体将同时达到主动土压力状态,土压力的分布基本上都呈线性,直到土体破坏。此时,墙后土压力分布表现为与挡墙平移(T模式)的特性。不同n值时,hK随着挡墙位移的变化如图7所示。由图可知,hK随着挡墙位移的增大而减小,但都要大于挡墙平移(T模式)时的hK值。当=n0时,hK最大,随着n的增大,hK减小;当=n5.0时,hK与挡墙平移时hK的差别已很小。此外,从图中还可•992•岩石力学与工程学报2004年看出,当n等于不同值时,墙后土体达到主动状态所需的挡墙最大位移maxS不一样,挡墙平移时,所需maxS最小,=maxS(1.4~1.6)mm(=HSmax0.0014~0.0016);当=n0时,所需maxS最大,=maxS3.0mm(=HSmax0.003)也尚未达到主动状态。图7Kh随挡墙位移变化曲线Fig.7VariationofKhwithwallmovement图8为土压力的合力作用点随挡墙位移变化曲线。合力作用点低于T模式下合力作用点位置(0.35H),并以T模式为上界,随着n的减小,土压力的合力作用点逐渐降低,当=n0时,合力作用点最低,约为0.29H。图8合力作用点随挡墙位移变化曲线Fig.8Variationofapplicationpointoftotalthrustwithwallmovement(3)RTT模式挡墙绕墙顶转动时(=n0),不同的位移阶段墙后水平土压力分布如图9(a)所示。由于挡墙发生背离土体的位移,墙后土压力由开始的静止土压力逐渐减小。挡墙下部土压力的减小速度较快,并最终达到主动土压力状态。这是由于挡墙下部的位移较大,而在挡墙的顶部,由于挡墙位移很小,挡墙的约束作用使墙后土体产生土拱效应,土压力大于静止土压力,所以,在不同的位移阶段,土压力的分(a)n=0.0(b)n=0.5(c)n=6.0图9水平土压力分布曲线Fig.9Distributionofhorizontalearthpressure布都呈明显的非线性。图9(b),(c)分别为=n0.5和=n6.0时墙后土压力的分布。随着n值的增大,挡墙顶部的位移逐步增加,土拱效应减小,挡墙顶部的土压力也相应减小,当n大到一定值以后(如=n6.0),不同深度处的土压力变化速率基本相同,土体将同时达到主动土压力状态,土压力的分布基本上都呈线性,直到土体破坏。此时,墙后土压力分布表现为与挡墙平移(T模式)的特性。不同n值时,hK随着挡墙位移的变化如图10所示。由图可知,hK随着挡墙位移的增大而减小,但都要大于挡墙平移(T模式)时的hK值。当=n0第23卷第6期陈页开等.刚性挡土墙主动土压力数值分析•993•时,hK最大,随着n的增大,hK减小;当=n6.0时,hK与挡墙平移时hK的差别已很小。此外,从图中还可看出,当n等于不同值时,墙后土体达到主动状态所需的挡墙最大位移maxS不一样,挡墙平移时,所需maxS最小,=maxS(1.4~1.6)mm(=HSmax0.0014~0.0016);当=n0时,所需maxS最大,=maxS2.0mm(=HSmax0.002)也尚未达到主动状态。图10Kh随挡墙位移变化曲线Fig.10VariationofKhwithwallmovement图11为土压力的合力作用点随挡墙位移变化曲线。合力作用点大于T位移模式下合力作用点位置(0.35H),并以T模式为下界,随着n的减小,土压力的合力作用点逐渐上移,当=n0时,合力作用点最高,约为0.44H。图11合力作用点随挡墙位移变化曲线Fig.11Variationofapplicationpointoftotalthrustwithwallmovement(4)各种变位模式的比较刚性挡墙的土压力计算主要是确定作用在挡墙上的土压力合力和合力作用点。图12为水平土压力系数hK随n值的变
本文标题:刚性挡土墙主动土压力数值分析
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