挡墙粘性土地震土压力非线性分布的分析方法研究

Mononobe-Okabe theory is the standard method for determining seismic earth pressure on retaining wall in current seismic codes. However, the theory can not be used for clay soil, and it can not provide the distribution of earth pressure and the position of acting point of earth pressure, either. In this research project, with consideration of many parameters, analysis model for seismic earth pressure of clay soil under complex condition is established, and the limit equilibrium analysis is made on micro-element soil by micro-element analysis method. The general formula for nonlinear distribution of seismic earth pressure is obtained which can be used for any wall-back inclination angle and any fill-surface inclination angle. Explicit formula for critical rupture angle of seismic earth pressure under complex condition is presented by graphical method, and the method for crack depth determination of active earth pressure of clay soil is also proposed. Shaking table test is carried out to investigate seismic earth pressure, and the test result is obtained on the distribution of seismic earth pressure when the retaining wall moves forward or backward the backfill until the soil reaches the limit equilibrium condition. Numerical simulation is made to compare and expand the test result. Combined with test and numerical simulation result, the general formula is verified, and the applicability and effectiveness for other earth pressure methods are reviewed. The seismic earth pressure program is designed with input and output working interface and fault tolerant function, and the test result is embedded into the program to provide convenience for engineering application. This research will provide systematic and practical achievement on nonlinear distribution of seismic earth pressure of clay soil, and recommend an effective seismic earth pressure analysis method for seismic design.

现行抗震规范中Mononobe-Okabe理论是挡墙地震土压力计算的标准方法，但该理论不适用于粘性土、无法获得土压力分布和合力作用点位置。本项目综合多种因素，建立复杂条件下粘性土地震土压力分析模型，引入薄层微元分析法对微元土体进行极限平衡分析，获得适用于任意墙背倾角、任意填土面倾角的地震土压力非线性分布通用公式；采用图解法求解复杂条件下地震土压力临界破裂角的显式解，提出粘性土主动土压力裂缝深度的计算方法；开展地震土压力振动台试验，获得挡墙移离和挤压土体并至达到极限平衡状态的土压力分布结果，并通过数值模拟对比和补充试验结果；结合试验和数值模拟结果验证通用公式，对不同土压力分析方法适用性和有效性进行评述；开发地震土压力程序，完成程序的输入输出界面和容错提示功能，并嵌入试验成果，为工程应用提供便利。本研究将在地震土压力非线性分布方面形成系统、实用的研究成果，并为抗震设计推荐有效的土压力分析方法。

土压力计算是岩土工程领域一个经典又复杂的问题。在地震土压力方面，规范普遍采用Mononobe-Okabe(M-O)理论。M-O公式没有考虑粘聚力，无法得到土压力分布及其合力作用点。因此，M-O公式隐含假设土压力为直线分布，合力作用点位置在距墙底1/3墙高处。直线分布假设与实际存在较大差异，可能使挡墙抗震计算的安全系数偏高。项目直接针对M-O理论开展研究，完成的工作有：.(1) 综合多种因素获得了粘性土地震土压力非线性分布的通用公式。推导了地震土压力及其非线性分布完备的理论解答，获得了土压力临界破裂角的显式解，提出了粘性土主动土压力裂缝深度的计算方法。通过参数简化，验证了M-O、Coulomb、Rankine等公式为通用公式的特例。对地震土压力进行了参数分析。.(2) 开展了挡墙墙背地震土压力的振动台试验和数值模拟，得到了地震土压力的时程特性。并结合已有试验结果，对通用公式的正确性、有效性及其存在的不足给出了评价。.(3) 结合项目的理论成果，开发了地震土压力计算软件，完成了土压力计算软件的输入模块、输出模块，以及土压力非线性分布的绘图模块，实现了土压力计算结果的界面输出和文件输出。.对比于M-O理论，本项目的理论创新体现在以下四个方面：.(1) 综合考虑填土粘聚力、墙土粘结力、水平和垂直地震系数、墙背倾角、填土面倾角、内摩擦角、墙土摩擦角、均布超载等因素，将地震土压力公式拓展为适用于不同土性、不同填土面倾角和不同墙背倾角的地震土压力计算。.(2) 基于条分法的思想，得到了复杂条件下地震土压力非线性分布以及土压力合力作用点位置的解析解，弥补了M-O理论直线分布假设的不足。.(3) 提出了粘性土地震主动土压力裂缝深度的计算方法。结果表明，裂缝深度受填土粘聚力、填土内摩擦角、水平和垂直地震系数、墙土粘结力等多种因素的影响。对比于郎肯土压力裂缝深度计算公式，计算结果更为合理。.(4) 通过将土压力合力与破裂角的关系转换为合力与几何边长的关系式，避免了超越方程求解等难题，获到了复杂条件下地震土压力临界破裂角的显式解析解。