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非局部摩擦模型在土体分析中的应用

廖小红  
【摘要】:在实际的岩土工程研究与分析中,经常运用经典的库仑摩擦模型来分析岩体介质间的接触摩擦问题,此理论是建立在考虑接触面间的某一点的摩擦只与该点的状态相关的基础之上的,因此经典库仑摩擦理论分析的结果往往与工程实际的结果有差异。然而大量的非局部场的理论研究结果则表明接触面间的某一点的摩擦不仅与该点的状态相关,还与此点在有限邻域范围内的其它点的状态相关,即它们之间存在非局部效应。 本文利用Oden等提出的非局部摩擦模型对等截面抗拔桩的桩土间剪应力进行了非局部摩擦分析,对影响其非局部效应的非局部特征半径的范围也进行了讨论与分析。研究结果表明随着非局部半径的增大,等截面抗拔桩的桩土间的剪应力的发展趋势大体一致,只是最大值均不相同,且最大值都出现在桩顶位置,随着桩深的增长,非局部效应越来越不明显,在此基础之上还对等截面抗拔桩的变形进行了研究,发现当上拔荷载达到最大值时非局部摩擦模型下等截面抗拔桩的变形量和局部摩擦模型下的变形量的差异最大。 基于非局部摩擦模型,本文考虑挡土墙墙土之间的摩擦的非局部效应,对挡土墙的土压力强度进行了相关的计算与分析,并且考虑了非局部积分区域为非对称时挡土墙土压力的强度的计算与分析。研究发现基于非局部模型下计算的结果比局部模型计算的结果更接近实验数据,且在土压力强度的上升阶段局部模型下计算的结果与非局部模型下计算的结果相差不大,但到了水平土压力下降阶段这两者的差别就比较明显,非局部模型计算的结果比局部模型下计算的结果下降的速度快,更接近实验数据发展的趋势,所以在挡土墙的土压力计算中引入非局部摩擦模型有一定的实际意义。 由于在挡土墙的抗滑移计算中抗滑力的发挥主要靠挡土墙墙底的基础与土之间的摩阻力来承担,故本文在假设滑裂面为抛物线型的前提下将非局部摩擦模型引入其中,并利用最小势能法求解土墙底与土间的正应力与剪应力,对挡土墙基底与土层间非局部摩擦效应,及挡土墙基底与土之间的非局部特征半径的范围进行讨论与研究。研究结果表明在非局部与局部模型下的计算结果略有差异,且在不同的非局部特征半径下非局部摩擦模型计算的剪应力最大值很接近,在原点附近的剪应力的非局部效应最明显。在挡土墙基底宽度方向异于原点的一侧的剪应力另一个零点的位置与原假设的位置有较明显的差异,随着非局部半径的增大这个零点会往外推移,也就是说实际工程中土体的剪切破坏会比理论计算的范围稍广,对于抛物线的形状位置参数与挡土墙抗滑移稳定安全系数本文给出了在基于非局部摩擦模型下在满足规范要求时,抛物线的位置形状参数的取值范围,可为相应的工程计算提供参考。 本文基于梯度依赖的非局部摩擦模型下对土坡进行了稳定性分析,利用最小势能原理对滑面处的正应力进行计算和求解,推出了基于梯度依赖的非局部摩擦模型下的滑面处的剪应力的计算公式。对梯度理论中的材料参数与土坡安全系数之间的关系进行了探讨,并且还对基于梯度依赖的非局部摩擦模型下内聚力与内摩擦角变化时对土坡安全系数的影响程度进行了分析与研究。研究结果表明非局部材料参数对安全系数的影响较明显,且土坡的安全系数对内摩擦角的变化很敏感,对内聚力的变化不太敏感。


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