平移模式下刚性挡土墙三维被动滑裂面形态：试验与数值的深度剖析.docxVIP

平移模式下刚性挡土墙三维被动滑裂面形态：试验与数值的深度剖析

一、绪论

1.1研究背景与意义

挡土墙作为一种常见的支挡结构，广泛应用于房屋建筑、桥梁工程、道路工程、隧道工程、水利水电工程、港口码头、铁路交通等基础工程建设中，其作用是支撑天然或人工斜坡，以保持土体稳定。在实际工程中，刚性挡土墙因其结构简单、施工方便、造价相对较低等优点而被大量采用，如重力式挡土墙、悬臂式挡土墙和扶壁式挡土墙等，这些刚性挡土墙在各类工程中承担着防止土体坍塌、保证工程场地稳定的重要任务。

挡土墙的稳定性对于整个工程的安全至关重要，而平移模式下刚性挡土墙三维被动滑裂面形态的准确确定，直接关系到对土压力的计算以及挡土墙稳定性的评估。在挡土墙发生被动破坏时，土体沿着滑裂面滑动，滑裂面的形态决定了土压力的分布和大小。经典的土压力理论，如朗肯土压力理论和库仑土压力理论，大多基于平面应变假设，将滑裂面简化为二维平面，然而实际工程中的挡土墙是三维结构，土体的滑动也是三维的，这种简化处理在一定程度上无法准确反映真实的力学行为。因此，深入研究平移模式下刚性挡土墙三维被动滑裂面形态，有助于更准确地计算土压力，进而优化挡土墙的设计，提高工程的安全性和可靠性，减少因挡土墙失稳而导致的工程事故和经济损失。

1.2国内外研究现状

在刚性挡土墙滑裂面形态研究方面，国内外学者开展了大量工作。模型试验是研究滑裂面形态的重要手段之一，不少学者通过模型试验对刚性挡土墙后的滑裂面形态进行了研究。如杨山奇等人针对无黏性土体，自主设计模型试验装置，重复开展6次试验，通过记录挡土墙后土体中预埋脆性玻璃条断裂的空间坐标，复原土体发生滑动的位置，绘制出挡土墙后滑裂面的三维形态图，试验结果表明挡土墙后滑裂面具有明显的三维效应。但模型试验存在一定局限性，如试验条件难以完全模拟实际工程情况，试验规模和成本限制了研究的广度和深度。

数值模拟在近年来得到了广泛应用，常见的数值方法包括有限元方法和边界元方法等。通过数值模拟，可以较为方便地改变各种参数，研究不同因素对滑裂面形态的影响。然而，数值模拟结果的准确性依赖于模型的合理性和参数的选取，目前在数值模型的建立和参数确定方面仍存在一些不确定性。

理论研究方面，经典的土压力理论如朗肯土压力理论和库仑土压力理论，虽然在工程中应用广泛，但由于其基于平面应变假设，无法准确描述三维滑裂面形态。近年来，一些学者尝试从理论上推导三维滑裂面的形态和土压力计算方法，但尚未形成统一且完善的理论体系。

综上所述，目前在刚性挡土墙滑裂面形态研究中，模型试验、数值模拟和理论研究都取得了一定成果，但仍存在不足，尤其是在平移模式下刚性挡土墙三维被动滑裂面形态的准确描述和理论分析方面，有待进一步深入研究。

1.3研究内容与方法

本研究旨在深入探究平移模式下刚性挡土墙三维被动滑裂面形态，具体研究内容包括：设计并开展平移模式下三维被动滑裂面的模型试验，通过试验观察滑裂面的形成过程，获取滑裂面的形态数据；运用数值分析方法，建立合理的数值模型，模拟不同工况下的挡土墙被动破坏过程，分析挡土墙宽深比、土体内摩擦角、墙土接触面的粗糙程度等因素对滑裂面形态的影响；结合试验结果和数值模拟结果，对平移模式下刚性挡土墙三维被动滑裂面形态进行深入分析和讨论，为工程设计提供理论依据。

研究方法上，采用模型试验法，通过自主设计的模型试验装置，模拟实际工程中的挡土墙被动破坏情况，直观地获取滑裂面形态信息；运用数值分析法，利用专业的数值分析软件，建立三维数值模型，对不同工况进行模拟计算，分析各因素对滑裂面形态的影响规律；同时，采用理论推导法，在已有理论的基础上，尝试推导适用于平移模式下刚性挡土墙三维被动滑裂面形态分析的理论公式，为研究提供理论支持。

二、平移模式下刚性挡土墙三维被动滑裂面的试验研究

2.1试验设计

2.1.1试验装置搭建

自主设计了一套模型试验装置，以模拟平移模式下刚性挡土墙的被动破坏过程。模型箱采用高强度有机玻璃制作，尺寸为长1000mm、宽500mm、高800mm，其足够的尺寸可有效减少边界效应，为土体提供相对自由的滑动空间，使试验结果更接近实际情况。有机玻璃的透明特性方便对土体内部的变化进行直接观察，利于记录滑裂面的形成和发展。

加载系统由高精度伺服电机、滚珠丝杠和加载板组成。伺服电机可精确控制加载速率和位移，确保加载过程的稳定性和可控性，加载速率能在0.01-10mm/min范围内精确调节，满足不同试验工况的需求。滚珠丝杠将电机的旋转运动转化为加载板的直线运动，实现对挡土墙的水平平移加载，加载板与挡土墙紧密连接，保证力的均匀传递。

量测系统包括压力传感器、位移传感器和高速摄像机。压力传感器布置在挡土墙墙背不同高度和位置处，用于测量土压力的大小和分布，其精度可达0.1kP