填土表面条形荷载作用下刚性挡土墙主动与被动土压力变分法研究

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挡土墙墙背土压力问题是经典而极为重要的土力学问题之一。经典土压力理论建立于较为理想的假定基础上,实际应用时常存在局限。尤其对于工程中常遇到的倾斜墙背后侧的一般黏性填土表面作用有局部条形荷载的情况,包括库伦土压力理论在内的经典方法难以合理求解。因此,本文针对刚性挡土墙,考虑这种一般情况且包含地震作用,采用理论分析与数值模拟方法,研究墙后主动与被动土压力的求解方法,主要研究工作与结果如下:(1)基于水平与竖向地震力作用分析的拟静力法,从墙后潜在滑动破裂体的极限平衡条件出发,以滑裂面及滑面上正应力为基本函数,推导了挡墙主动和被动土压力的满足欧拉方程的泛函表达式。可用于计算墙背粗糙、倾斜且填土为黏性土和坡面倾斜等一般情况。其间,对于局部条形荷载考虑其全部作用于滑体、被滑裂面截断和对滑体无作用共3种情况。(2)将极限平衡方程、可动点横截条件与滑面边界条件联立得到非线性方程组,在给定土压力作用点高度条件下,运用Matlab软件编程求解,得到滑裂面的形状为对数螺旋面,而非经典理论假定的平面模式,且其形状只与填土内摩擦角有关。(3)土压力大小与作用点位置有关,作用点并非在墙背任意位置都有精确解,其存在上、下边界值。作用点越靠下,土压力越小,主动情况下滑面越平直而被动情况下滑面越弯曲。(4)填土性质、墙高与墙背倾角、外摩擦角、条形荷载、地震系数是影响土压力的主要因素。在地震工况下,土压力有所增大。随着地震系数的增加,主动和被动土压力基本呈线性增长,在主动情况下临界滑移面逐渐向填土方向发展,而被动情况则相反。(5)对于填土表面作用竖向条形荷载工况,本文方法与包括中国规范法在内的既有方法计算结果相近。实例分析表明,对于主动土压力,本文算法结果比数值模拟方法偏小,相对误差为16%,而被动土压力本文解则偏大,相对误差为15%。本文所得的静力与地震工况下倾斜墙背、一般黏性填土、表面作用有局部条形荷载的土压力计算方法的研究成果,可合理求解较为复杂条件下刚性挡土墙的土压力,为工程设计提供理论指导和参考。
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