挡土墙变位模式下土压力极限有限元分析

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挡土墙上的土压力是一个古老的课题,经典的库仑(Coulomb)土压力理论和朗肯(Rankine)土压力理论,因其计算简单和力学概念明确,在土木工程中得到广泛的应用。对于不连续速度边界、不连续应力边界及考虑墙土摩擦、墙体变位等情况是经典的库仑土压力理论所无法解决的,因此,有必要根据工程实际,提出考虑挡土墙位移模式和位移大小的土压力计算方法,准确计算挡土墙上的土压力,这也是决定挡土墙结构设计合理经济的一个重要因素。本文以不同位移模式下刚性挡土墙为研究对象,基于塑性极限分析的上、下限定理,运用有限元技术、数学规划技术,在考虑墙体三种基本位移模式:平移、绕墙底转动和绕墙顶转动的情况下,建立了求解挡土墙土压力的数学规划模型。 为了建立上限法的机动容许速度场,本文将岩土体用三结点线性三角形单元,以结点速度为未知量,根据单元塑性流动约束条件、速度不连续约束条件、速度边界约束条件,以及由外功功率与内功功率相等条件得到目标函数,求得了挡土墙土压力的结点荷载及相应的机动容许位移场,对挡土墙上土压力随墙体位移的变化进行研究。其中引入线性数学规划方法求解最优化问题。 利用FORTRAN.90,笔者编制了相应模型的计算程序,并对具体的算例进行了分析;将其结果与其他方法的计算结果作了比较,得到作用于挡土墙上的土压力分布与墙体的变位方式有关,墙体平移时,墙后的土压力基本上为线性分布,而当墙体绕墙底转动或绕墙顶转动时,墙后土压力均为非线性分布,且三种变位模式所需的极限位移不等。 采用考虑墙体位移模式土压力计算方法能较好地反映挡土墙实际工作条件下的位移情况,避免了采用库仑主动土压力理论计算得到土压力偏小而使设计安全度降低的缺点。因此,本文提出的土压力计算方法能使挡土墙设计更安全合理。
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