基于曲面滑动的挡土墙地震主动土压力拟动力法研究

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我国地处环太平洋地震带和地中海—喜马拉雅地震带这两个世界最活跃的地震带上,是世界上遭受震害最严重的国家之一。挡土墙作为工程建设中最常见的构造物,在地震中经常会因为受到过大的地震土压力而产生变形与破坏。目前主要的地震土压力计算方法有:拟静力法、拟动力法、弹性波法和数值法。拟静力法以其能够提出受力明确、形式简单的参数表达式,从而广泛应用于工程实践。但拟静力法是从静力下的库伦土压力理论推导而来,仍属于静力学范畴,并不能反映出地震的动力学特征。弹性波法主要研究墙—土间的相互作用,主要用于地下建筑结构的抗震设计工作,用于挡土墙墙背的地震土压力计算会产生较大误差。数值法可以较好的模拟出实际地震作用下挡土墙墙背的地震土压力分布情况,但该方法并不能提出地震土压力参数表达式,且数值法结果受材料特性和边界条件影响明显,适用于“一例一解”,即一个具体的实例模拟出具体结果。另一方面,拟动力法是在拟静力法基础上提出,同时引入剪切波速和卓越频率两个参数来反映填土的动力特性和地震波的相互作用。所以拟动力法既提出了具有普遍适用性的参数表达式,又反映了地震的动力效应。相较于拟静力法和数值法,拟动力法有其天然的优越性,所以继续对拟动力法进行深入研究,有着重要的理论意义和工程实践价值。目前关于拟动力法下的地震土压力理论均是基于墙后滑动面为平面的假设推导而来,而实际墙后滑动面为曲面形式。目前基于拟动力法的曲面滑动地震主动土压力理论尚未成型,缺少相关研究成果。故本文在拟动力法基础上,假设墙后土楔体滑动面为对数螺旋线加直线形式的复合曲面,推导出地震主动土压力计算公式。并分析讨论了挡墙倾角、土体振动放大系数、内摩擦角、接触摩擦角、水平和竖向地震加速度系数对主动地震土压力系数和主动地震土压力分布的影响。进一步将所得公式与其他拟静力法、拟动力法公式进行分析比较。通过不同地震土压力计算方法比较发现,在相同条件下,四种方法中地震土压力结果从大到小依次为:本方法、C-N法、S-Z法、M-O法。且在拟动力法基础上,本文假定滑动面为曲面时的地震主动土压力大于其他方法中假定滑动面为平面时的地震主动土压力。从地震波动理论而言,拟动力法仍然存在局限性,拟动力法是在拟静力法基础上考虑了波的传播作用,不是从波动方程推导而来,不满足半无限弹性体空间界面零应力边界条件。且在地震远场情况下瑞利波占地震总能量67%,忽略瑞利波的影响进行地震土压力计算时不合理的,鉴于此,本文在地震远场情况下基于地震波传播波动方程,考虑瑞利波对挡土墙后地震土压力的影响,同时假设墙后土体滑动面为直线加对数螺旋线的复合曲面,对墙背地震土压力进行拟动力分析,推导出挡土墙在地震作用下的地震主动土压力计算公式。并分析讨论了挡墙倾角、内摩擦角、接触摩擦角、水平地震加速度系数、竖向地震加速度系数对地震主动土压力系数和主动地震土压力分布的影响。进一步将所得公式与其他拟静力法、拟动力法公式进行分析比较。通过比较发现,在远场情况下考虑瑞利波对挡土墙后地震土压力的影响得出的地震土压力要大于仅考虑体波影响的拟静力法和拟动力法下的地震土压力。
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