转动模式刚性挡土墙砂性填土中的成拱机理和主动土压力计算方法

The soil arching effect is to describe a phenomenon of the stress transfer, which is more common in geotechnical engineering. Application of the soil arching effect can be used to explain nonlinear distribution of the active earth pressure on retaining walls according to rotation of principal stresses and stress redistribution. Currently, translational retaining walls are more in-depth considering the soil arching effect. However, calculation methods for earth pressure on rotating retaining walls are relatively small due to lack of the soil arching mechanism. In real project, displacement modes of a retaining wall are very complex, which may be a translation or a combination of two modes such as a translation and a rotation. Based on the above understanding, in this study, a the arc-shaped curve equation was established through a theoretical analysis and model tests about a soil arching mechanism in fill sandy under rotated rigid retaining walls. In addition，changes of a slip surface and the soil arching effects were revealed when a rigid retaining wall occurs a rotated displacement. Factors on the soil arching mechanism were also explored as sand density, displacement and displacement patterns of retaining walls, height of retaining walls and the surface overloading. This project may provide new ideas for the active earth pressure calculation starting with the soil arching mechanism under a rotated rigid retaining wall.

土拱效应是描述土体中应力转移的一种现象，在岩土工程中较为常见。应用土拱效应，可以解释作用在挡土墙上的主动土压力非线性分布：挡墙后土体的主应力偏转和应力重分布。目前针对平动挡墙土拱效应的研究比较深入，但是由于缺乏对转动模式下挡土墙后土拱效应机理的认识，所以考虑土拱效应转动模式挡墙的土压力计算方法提出的比较少。而实际工程中，挡墙变位模式很复杂，有时不仅发生平动，很多情况下是平动、转动这两种模式的组合。基于此种认识，本课题通过理论分析及室内模型试验对转动刚性挡墙砂性填土的成拱机理进行研究，建立转动挡墙后土拱形状的曲线方程；揭示挡墙发生转动时填土中的土拱效应以及滑裂面产生规律；探讨砂土密实度、挡土墙高度、填土表面作用超载、挡土墙位移及位移模式等因素对土拱机理的影响。本课题从转动挡墙后土拱机理研究入手，为考虑土拱效应转动刚性挡土墙主动土压力计算提供新思路。

土拱效应是描述土体中应力转移的一种现象，在岩土工程中较为常见。目前针对平动挡墙土拱效应的研究比较深入，由于缺乏对转动模式下挡土墙后土拱效应机理的认识，考虑土拱效应转动模式挡墙的土压力计算方法提出的比较少。而实际工程中，挡墙变位模式很复杂，有时不仅发生平动，很多情况下是平动、转动这两种模式的组合。基于此种认识，本项目通过理论、数值计算和模型试验，研究了转动模式挡土墙后的土拱效应，并建立考虑超载和位移影响的主动土压力计算方法。主要研究内容和结论如下：.1）采用平面复变函数方法，推导出水平面作用超载、竖直面作用不同位移模式时四分之一平面问题的应力解答。由此分别建立了刚性挡土墙绕顶部转动及绕底部转动下挡土墙填土表面作用均布超载时的附加主动土压力计算方法，并与弹性理论和试验结果进行比较。分析了荷载大小及作用宽度、弹性常数及挡土墙位移量等参数对附加主动土压力分布的影响。.2）基于弹性理论，推导了深埋基础发生折线形沉降时基础底面的应力解答；并以此解答为基础，通过修正挡土墙后填土表面的应力推导出绕底部转动破坏模式下刚性挡土墙非极限状态侧土压力强度计算公式，并对影响侧土压力强度的三个参数（泊松比、弹性模量和土体重度）进行敏感性分析，得出：考虑位移影响的非极限状态侧土压力分布受泊松比影响较大，而受弹性模量和土体重度的影响较小。.3）通过模型试验，研究了填土密实度、挡土墙高度、填土表面作用超载、挡土墙位移及位移模式等对挡土墙土拱效应的影响。可以看出：不同转动模式下挡土墙后的土拱厚度不同。绕顶部转动时土拱效应更明显。绕顶部转动模式下，试验挡墙分别采用光滑和粗糙两种情况时：随着挡土墙位移的增加，粗糙挡墙后形成的滑裂面倾角变小，土拱效应不断增强，墙后主动土压力强度逐渐减小。两种位移模式下，不同填土密实度对土拱影响显著。随着填土密实度的增加，土拱效应会逐渐增强，但土拱影响范围变化不大。