各向异性土体挡土墙被动土压力研究

各向异性土体挡土墙被动土压力研究

陈涛陈超汪洋

广东工业大学土木与交通工程学院广东广州510006

摘要：天然土体具有各向异性的特点，通过在同一个模型中用分块处理的办法探讨各向异性填土下的被动土压力，基于组构张量理论和最小二乘法原理，使得填土大主应力方向与沉积面法线方向之间的夹角变化而得到模型分块后的强度参数ci和φi进而分析各向异性下的被动土压力值。考虑接触粗糙对各向异性显著性影响。研究表明；各向异性下得到的被动土压力比各向同性要小；同一模型讨论各向异性不明显，不同模型讨论各向异性明显。

关键词：各向异性；被动土压力；组构张量；摩擦力

1引言

当前仍广泛采用朗肯和库仑土压力两大经典理论计算土压力[1]，但这两种经典计算方法得到的土压力分布曲线与实际不符。Tsagareli[1]和Fang[2]等人通过大量试验证明挡土墙墙背后的土压力呈曲线分布。

随着科技的发展，很多学者借助有限元软件来研究土压力。陈页开，汪益敏，徐日庆等[3]对土体采用弹塑性模型，讨论了不同位移模式下的土压力，得出墙后土压力非线性分布作用在挡墙上是一个渐变屈服的过程且只有当墙后土体形成贯通塑性区才达到极限状态。李秀梅[4]运用离散元对挡土墙土压力进行模拟得出土压力分布与位移模式有关。

以上研究虽然对两种经典理论进行了修正和拓展，但仍然是假定填土为各向同性材料下进行探讨，本文将从微观角度出发，考虑土体横观各向同性平动位移模式引起墙后土体大主应力方向与沉积面法线方向偏转而导致土体强度参数c、φ的变化以及考虑多种因素对被动土压力的影响。

2横观各向同性土体强度参数表达式

2.1挡土墙土压力有限元计算模型

2.1.1几何模型

将重力式挡土墙土压力的计算作为平面问题，采用ABAQUS有限元分析软件。取混凝土材料挡土墙，墙高H＝5.0m，顶宽1m，底宽3m，挡土墙墙背面垂直、光滑。地基为坚硬地基，考虑其对挡墙土压力影响很小，取地基厚度与墙高相同，长度28m。墙体顶部和临空面节点自由，左右两端土体和地基边界节点水平向约束、垂直向自由；地基底部边界节点水平向和垂直向约束。

2.1.2力学参数

重力式混凝土挡土墙很少钢筋，应力小可按弹性材料考虑，重度25kN/m3，挡墙材料的弹性模量为2.5×105MPa，泊松比μ=0.16；地基取为弹性，弹性模量为3×103MPa；土体选用粘性土，选用Mohr-coulomb模型，采用非关联流动法则计算，取，重度为18KN/m3。挡土墙与地基之间设置摩擦单元为0.22，土体和地基用tie接触，挡土墙和土体光滑接触。

表1有效抗剪强度参数

Tab.1Effectiveshearstrengthparameters

3各向异性土体挡土墙土压力分析

3.1各向同性

取α=0°（即沉积面水平）抗剪强度参数c=10.1kPa、φ=25.3°作为本文的土体强度各向同性参数位移比4％即土体达到被动极限破坏时总被动土压力为1817.949kN/m，墙体粗糙时位移比5％，总被动土压力为2468.389kN/m。

3.2各向异性

将挡墙墙体位移比为4％一次性全部施加，利用在excel中算出的每个土体网格单元的角度大小对图1所示模型进行分块处理，综合利用各区块α角的平均值，可得出各区块土体的抗剪强度参数ci、φi，将各区块土体的强度参数代入图1所示分块处理后的挡土墙模型中。

3.3摩擦各向异性

4结论

各向异性土体中，在同一模型中无论光滑还是摩擦，各向异性都比各向同性得到的被动土压力要小，填土水平时两种情况下变化率都不大。

在不同模型中，强背面粗糙对比光滑的时候，土体各向异性比各向同性对被动土压力的影响要大。

对墙体施加水平位移后，墙背面粗糙的土体应力矢量变化要比光滑的情况下范围要广且复杂零散，且光滑情况下塑性贯通区为直线，摩擦情形下塑性贯通区为曲线

参考文献

[1]TSAGAＲELIZV．ExperimentalInvestigationofthePressureofaLooseMediumonＲetainingWallswithaVerticalBackFaceandHorizontalBackfillSurface［J］．SoilMechanics＆FoundationEngineering，1965，2(4):197－200．

[2]FANGY，ISHIBASHII．StaticEarthPressureswithVariousWallMovements［J］．JournalofGeotechnicalEngineering，1994，120(8):317－333．

[3]陈页开.挡土墙上土压力的试验研究和数值分析［D］．杭州:浙江大学，2001．

[4]李秀梅,蒋明镜.两种位移模式下挡墙主动土压力的离散元模拟[J].地下空间与工程学报,2010,6(01):60-64.

[5]TATSUOKAF，SAKAMOTOM，KAWAMUＲAT，etal．StrengthandDeformationCharactersticsofSandinPlaneStrainCompressionatExtremelyLowPressures［J］．Soils＆Foundations，2008，26(1):65－84．