考虑第二破裂面的折线墙背挡土墙的地震主动土压力.pdf
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1、兰州大学学报(自然科学版),2 0 2 3,5 9(4)8 月Journal of Lanzhou University(Natural Sciences),2023,59(4)/August考虑第二破裂面的折线墙背挡土墙的地震主动土压力张晓曦,彭涛,柯灵,付十曾,何思明1.中冶成都勘察研究总院有限公司,成都6 1 0 0 2 32.中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所,成都6 1 0 2 9 9摘要:应用极限平衡原理和库伦土压力思想,研究地震荷载作用下折线墙背挡土墙的主动土压力问题.采用拟动力法对地震荷载进行描述,考虑地震荷载作用下第二破裂面的产生条件,推导折线墙背挡土墙的地震主动土压力
2、计算公式.通过算例分析各参数对折线墙背挡土墙的地震主动土压力的影响,预测墙后填土滑裂面的位置.关键词:折线墙背;地震主动土压力;第二破裂面;拟动力法;土压力分布中图分类号:TU475文献标识码:A文章编号:0 45 5-2 0 5 9(2 0 2 3)0 4-0 5 6 2-0 7D0I:10.13885/j.issn.0455-2059.2023.04.018Seismic active earth pressure on retaining walls with a broken-line backsurface by considering the second failure surf
3、ace of backfllZHANG Xiao-xil,PENG Tao,KE Ling,FU Zeng,HE Si-ming1.Chengdu Surveying Geotechnical Research Institute,Co.,Ltd.of Metallurgical Corporation of China,Chengdu 610023,China2.Institute of Mountain Hazards and Environment,Chinese Academy of Sciences,Chengdu 610299,ChinaAbstract:Based on Coul
4、ombs earth pressure theory,the active earth pressure was studied in the frame-work of the limit equilibrium theory subjected to earthquake.The multivariate function to calculation seis-mic active earth pressure via taking account of the occurrence of the second fracture surface conditionwas establis
5、hed and optimized by a mathematical method using the pseudo-dynamic approach.The exam-ple was studied for influences of various parameters on seismic active earth pressure and this can be usedto determine the potential sliding surface.Key words:broken-line surface;seismic active earth pressure;secon
6、d failure surface;pseudo-dynamicapproach;earth pressure distribution折线墙背挡土墙能有效减小墙背所受主动土压力,提高挡土墙的稳定性,被广泛应用于公路、铁路的路堤建设中.挡土墙墙背倾角突变,呈折线形,通常采用下部仰斜、上部俯斜式.当上墙背为坦墙时,上墙滑动土楔产生第二滑裂面,可降低挡土墙墙背土压力,提高挡土墙稳定性.其破坏机制与土压力分布不同于传统挡墙,由于墙背倾角突变引起挡墙-土体受力机理改变,即挡土墙墙背的收稿日期:2 0 2 2-0 6-1 3修回日期:2 0 2 2-0 7-0 7基金项目:国家自然科学基金重大项目(41
7、 7 9 0 433);国家自然科学基金项目(5 2 0 7 8 434)作者简介:张晓曦(1 9 8 6-),男,辽宁抚顺人,工程师,博士,e-mail:,研究方向为岩土工程与防灾减灾工程.563张晓曦,等:考虑第二破裂面的折线的地震主动土压力双线性 I-2,使得该类结构所受土压力较为复杂,计算理论尚未成熟。折线墙背挡土墙的土压力计算方法主要包括力的多边形法、延长墙背法和校正墙背法.3种方法都需将墙后土楔分割为两块分别计算,得到的两破裂面及挡土墙土压力相互独立,违背了土体运动相融性原则 3-4.杨雪强 3 考虑土体运动相融性,假设两折线交点处土体的破裂面与墙处土体的破裂面平行,采用极限分析上
8、限定理,对折线型挡土墙背的主动土压力和挡土墙抗倾覆稳定状态进行系统研究.杨和平等 4采用层分法,考虑第二破裂面的存在条件,借用坦墙的临界破裂角公式,针对折线墙背挡墙抗倾覆稳定性进行分析.地震时挡土墙易受强震荷载作用失效,研究强震荷载下挡土墙的动力特性及其设计方法尤为重要.挡土墙地震稳定性设计时,通常采用拟静力法,取地震峰值加速度作为静荷载直接作用于土楔重心位置,并不能真实反映地震的动力时程特性与放大效应.STEEDMAN等 5-6 采用正弦波曲线模拟地震波,提出考虑地震动力特性的拟动力法,并且通过离心机试验验证了方法的合理性,CHOUDHURY等 7-1 0 采用拟动力法计算挡土墙的地震主、被
9、动土压力.本研究采用拟动力法对地震荷载进行描述,借用库伦土压力理论,结合地震条件下第二破裂面产生的条件,分别针对填土相融性、独立性两种不同假设下的折线墙背挡土墙主动土压力动力特性进行研究,通过算例分析各参数对折线墙背挡土墙地震主动土压力的影响,指出第二破裂面能有效减小地震主动土压力系数.1问题定义假设填土为均质、干燥的无黏性土体;挡土墙足够长,即该问题为平面应变问题;填土破裂面呈直线。图1 为地震荷载作用下折线墙背挡土墙破坏机制.挡土墙高度H,上墙高度H,下墙高度H-H;地震荷载作用下,当墙身向外移动,使墙后填土达到破坏时,土楔ABC和BCDE处于主动极限平衡状态,分别沿滑面BC、D E 和墙
10、背AB、D B滑动.此时上、下墙背所受地震主动土压力分别为Pa和Pac2,作用于墙背AB、D B 面上,与墙背法线方向夹角分别为,和8.当墙背俯斜较缓,楔体KBC处于主动极限平衡状态,破裂面并不沿墙背AB滑动,而是沿出现于土体中的第二破裂面BK滑动,Pae作用于BK面上,与BK面法线方向夹角为.BC、D E 为墙后填土破裂面,与水平方向的夹角分别为,和2.杨雪强3认为,墙后填土破裂面应满足土体运动相融性原则,即,=2用力的多边形法、延长墙背法和校正墙背法分别计算上、下墙背土压力的最大值,从而确定破裂面与水平方向的夹角,此时,2,即土体满足运动独立性假设.k=f.gFAKCEk=f.ahN人NN
11、-PaelW+Q.工BZPM个PaeVVGDk=amk.=av图1地震荷载作用下折线墙背挡土墙破坏机制Fig.1Failure mechanism of retaining wall with broken-line back surface under the seismic load2地震主动土压力计算2.1地震波输入拟动力法正弦波具有地震波的大多数特性,因此采用正弦波模拟地震加速度的输人,水平和竖直方向的正弦加速度随着高度z、时间t和放大系数f变化的表达式分别为 3:(H-z)n(z,t)=kng1+(f.-)H(1)H-zsinaVH一(z,t)=kvg1+(f.-一H(2)H-zsi
12、not其中,(z,t)和(z,t)分别为水平与竖直方向的地震加速度;k和k分别为水平与竖直方向的地震加速度系数;g为重力加速度,取9.8 N/kg;f为地震放大系数;为角加速度,=2 元/T;V和V,分别为横向和纵向地震波在填土中的传播速度:GG(2-2v),V,=/(1-2)(3)(14)H,zH.m22(z)=(H-z)(cot z-tan c2)dz,g(13)OzH.tangdzm2i(z)=g(H-z)(cot z-tan e2)-564兰州大学学报(自然科学版),2 0 2 3,5 9(4)其中,G为填土的杨氏模量;p为填土的密度;v为填土的泊松比。2.2上墙背主动土压力计算以上墙
13、背主动土压力为研究对象,取土楔ABC内任意土条,距填土顶部距离为z,且0 zH,,该土条的质量m(z)=(H,-z)(tan8,+cot,)dz.(4)g其中,为墙背填土的重度,8,为挡土墙上墙背面与竖直面的夹角,以铅垂面以右为正.对(4)式积分,得到土楔ABC所受重力W,-H2(tan e;+cot a,).(5)作用在土条上的水平地震惯性力是土条质量与水平方向地震加速度的乘积m,(z)(z,t).对其积分得到土楔ABC所受的水平地震惯性力HQn(t)=Jm,(z)an(z,t)dz.(6)同理,得到竖向地震惯性力HQiv(t)=J。m,(z)av(z,t)dz.(7)建立土楔ABC水平与竖
14、直方向的力学平衡方程,可得上墙背的地震主动土压力W,sin(i-p)Pael(t)=cos(8,+8i-,+0)(8)Qn cos(,-p)+Qiv sin(i-p)cos(S,+8,-,+)其中,,为上墙背与土体间发挥出的内摩擦角;为土体内摩擦角,对于墙背俯斜较缓的墙体,土体达到主动极限平衡状态时,破裂面楔体并不沿墙背滑动,而是出现于土体中.静力荷载作用下第二破裂面出现的条件为:墙背倾角必须大于第二破裂面倾角,不妨碍第二破裂面的出现;投影在墙背上的力产生的下滑力必须小于抗力叫对于地震荷载作用下第二破裂面出现条件的研究甚少.BARGHOUTHI等 1 2-1 3 分别采用库伦土压力理论和极限分
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