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砂土挡墙破坏机理宏细观研究

彭述权  
【摘要】: 大量的研究集中于挡墙的土压力和水土压力研究,而对挡墙后的土体变形破坏研究较少。本文主要对土拱和渗流作用下主动水土压力和墙后土体破坏进行了系统研究。 土拱和渗流是存在于挡墙后土体中的一种常见现象,在计算挡墙水土压力时应当考虑其影响。假定土拱曲线为抛物线,分析了挡墙滑楔体内的土拱效应;将墙后稳定渗流分析转化为求解具有一定边界条件的二维Laplace方程,得到了渗流场分布公式。在土拱和渗流作用分析基础上,考虑有效应力原理,结合水平微分单元方法,推导了土拱和渗流同时作用下水土压力计算公式。分析表明:计算结果与试验结果吻合较好;考虑土拱和渗流作用时,主动水土压力合力增大,合力作用点沿墙高上移。同时也研究了挡墙的可靠度和敏感性,获得了随机变量对挡墙可靠度的敏感性规律。这对设计挡墙有较大的参考价值。 为了研究饱和砂土刚性挡墙后土体被动破坏宏细观机理,自制饱和砂土刚性挡墙模型箱,测试了不同运动模式下挡墙水土压力分布、土体位移场、超孔隙水压力的变化规律,获得了剪切带的细观参数。试验表明:不同挡墙位移模式下,水土压力和土体位移场分布不一样,与库仑理论土压力假定线性分布和滑裂面为平面有所不同。超孔隙水压力变化反应了密砂剪胀变形,松砂剪缩变形;挡墙平移时剪切内的颗粒发生了重定向和旋转,孔隙率增大,剪切带的宽度为4-6个颗粒直径,倾角为40-50°。同时在试验的基础上提出了可将刚性挡墙后土体被动破坏过程分为三阶段进行分析的观点。 运用颗粒流模拟了砂土刚性挡墙后土体的被动破坏细观机理。挡墙被动运动导致土体应力增大和旋转,引起靠近挡墙的土颗粒发生复杂的运动,产生剪切带。不同挡墙位移模式和大小对土体应力,土体位移场和速度场、颗粒运动轨迹和剪切带的影响不一样。运用颗粒流模拟了挡墙的不同位移模式和大小时主、被动土压力分布;并采用三维流固耦合颗粒流模型模拟了挡墙被动运动过程中饱和密砂孔隙水压力的变化规律;假定土体剪切角系数沿着墙高线性变化,将土体离散为具有滑动连接模型的刚性条块,建立了刚性挡墙颗粒流主动土压力计算模型。并分别与试验结果进行了比较。运用颗粒流模拟了砂土柔性挡墙基坑变形机理。分析了不同类型的基坑开挖过程中,墙体抗弯刚度、开挖深度对支护结构的变形、水平位移、基坑内外土体位移的影响。


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