土压力和水土压力作用的极限平衡变分法研究及应用探讨

摘要：

建立合理的理论模型是准确计算土体极限荷载(主动土压力和被动土压力)的基础.测试分析和研究表明,挡墙上作用的土体极限荷载随墙体的变位模式发生改变,现有计算方法通常是基于确定性模型,尚不能反映这个事实.如Coulomb(1776)平面滑动楔体模型,采用单一的数值描述作用在墙体上的土压力或水土压力.这种做法显然过于简化.另外,土体极限荷载的作用点位置问题也没有得到很好解决.由于挡土结构在设计时往往很难准确预估其墙体变位模式,对于其上作用的土体极限荷载,较为合理的做法是在一定的区间范围内,尽量包含墙体所有可能变位模式情况下结构所受到的作用力,以供工程设计人员选用.在对挡土结构上作用的土压力和水土压力研究历史及现状总结的基础上,本文提出的基于整体极限平衡变分法的土体极限荷载和水土压力计算模型,就是在这方面的尝试.以墙式挡土结构为例,进行了以下工作:
(1) 以传统的极限平衡方法为基础,引入Lagrange乘子,结合变分原理,将土体极限荷载的求解问题转化为确定含有两个函数自变量的泛函极值问题,建立了土体极限荷载求解的整体极限平衡变分法.此方法是广义的极限分析上限解法,更容易推广到土体非线性准则破坏的情况.然后,将土体极限荷载的泛函极值问题进一步转化为带有约束的函数极值问题.在进行了大量参数分析后,对于作用在挡土结构上的主动土压力和被动土压力,得出以下结论:①挡土结构背后土体存在着平动滑动破坏和绕对数螺旋柱面转动破坏两种临界破坏形式.②对于土体平动破坏情况,本文得出的土压力大小与Coulomb (1776)和Rankine(1857)理论的结果相同;而对于土体转动破坏的情况,本文结果与Chen(1975),Sokolovskii(1965)的结论较为一致;对于土体破坏的这两种情况,得到土体极限荷载极值Pne表达式.③土体极限荷载极值Pne的作用点位置并非总是作用在墙高的1/3处,而是与土体极限状态的类型、土体的破坏形式、墙土之间的摩擦角(、土体的内摩擦角( 和粘聚力c有关系,在挡土结构物高度的1/5到2/3的范围内取值.④与前人测试结果的对比表明,本文得出的两类理论计算结果(包括力的大小和作用点)所构成的区间范围,基本上可表达墙体可能变位模式情况下,刚性挡土结构受到的土压力作用状态.
(2) 利用极限平衡变分法研究了饱和土体作用在挡土结构上的水土压力问题.研究结果表明,对于透水地层,由于土压力计算方法不同,实际上存在2种不同形式的水、土压力分算方法;而对于不透水地层,同样存在着2种不同形式的水、土压力合算方法.
(3) 为了将上述关于土体极限荷载和水、土压力计算方法的研究成果应用于挡土结构的结构设计,提出了用分段线性拟合等效方法来确定荷载强度沿墙高的分布形式.
(4) 为了验证以上结论,进行了水土压力室内模型试验.与前人测试结果和笔者测试结果的对比表明,上述关于土压力和水土压力的两类理论计算结果构成的有序实数对,可以作为挡墙上作用的土压力和水土压力的一个区间估计,可以反映各种墙体变位模式情况下,力的大小和作用点位置的变化情况.

关键词：土力学、整体极限平衡变分法、墙式挡土结构、饱和地层中的水土压力、荷载强度分布、区间估计

所属期刊栏目：23

分类号：TU4(土力学、地基基础工程)

在线出版日期：2004-09-09（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）

页数：共1页

页码：2844-1844