非极限状态非饱和土主动土压力试验及理论分析_杨明辉.pdf

书书书Journal of Engineering Geology工程地质学报10049665/2023/31(2)-0650-11杨明辉，巩虎涛，邓波 2023 非极限状态非饱和土主动土压力试验及理论分析J 工程地质学报，31(2):650660 doi:1013544/jcnkijeg20220209Yang Minghui，Gong Hutao，Deng Bo 2023 Tests and calculation of active earth pressure for unsaturated soil under non-limit stateJ Journal of Engi-neering Geology，31(2):650660 doi:1013544/jcnkijeg20220209非极限状态非饱和土主动土压力试验及理论分析*杨明辉巩虎涛邓波(湖南大学，土木工程学院，长沙 410082，中国)(南华大学，土木工程学院，衡阳 421001，中国)摘要目前土压力研究大都以极限状态下的土体为研究对象，且假定土体处于饱和或干燥状态，未考虑墙体位移与土体非饱和特性对土压力的影响，在实际工程的应用中有局限性。鉴于此，开展主动平动模式下墙后不同含水量砂土的刚性挡墙土压力室内模型试验，并采用渗压计和土压力盒分别量测不同深度处土中的基质吸力和土压力，以及利用 DIC 图像关联技术观察不同挡墙位移时的土体位移情况。试验结果表明，当墙后土体处于非极限状态时，土体破坏面始终通过墙踵，且其形态接近于平面;其次，在此基础上，结合非极限状态下墙土摩擦强度发挥特性和非饱和土强度准则，提出位移相关的非饱和土强度模型，并建立非极限状态下非饱和土主动土压力计算模型，以及与室内试验结果对比验证了该模型的合理性;最后，针对提出的计算方法探讨了墙体位移和土体基质吸力对主动土压力的影响。参数分析结果表明，非饱和土主动土压力随挡墙位移量的增大而逐渐减小，而随着基质吸力的增大呈现先减小再增加的趋势，且存在一极小土压力值，朗肯土压力值和 Fredlund 扩展朗肯土压力值分别为该模型在饱和与非饱和情况下位移达到极限状态时的特殊值。关键词主动土压力;非饱和土;非极限状态;模型试验;理论分析中图分类号:U443.15文献标识码:Adoi:1013544/jcnkijeg20220209*收稿日期:20220430;修回日期:20220712基金项目:国家自然科学基金项目(资助号:51678230)This research is supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant No 51678230)第一(通讯)作者简介:杨明辉(1978)，男，博士，副教授，主要从事桩基础及特殊土路基工程研究 E-mail:yamih126comTESTS AND CALCULATION OF ACTIVE EATH PESSUE FO UNSAT-UATED SOIL UNDE NON-LIMIT STATEYANG MinghuiGONG HutaoDENG Bo(School of Civil Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China)(School of Civil Engineering，University of South China，Hengyang 421001，China)AbstractAt present，most studies on earth pressure take the soil in the limit state as the research object，assumethat the soil is in the saturated or dry state，and do not consider the influence of wall displacement and soil unsatu-rated characteristics on the earth pressure，which has limitations in practical engineering applicationsThis paper carries out the indoor model test of rigid retaining wall earth pressure of sand with different watercontents behind the wall under active translation mode The matrix suction and earth pressure at different depths aremeasured with seepage gauge and earth pressure box The soil displacement of different retaining wall displacementsis observed with DIC image correlation technology The test results show that when the soil behind the wall is in anon-limit state，the failure surface of the soil always passes through the heel of the wall，and its shape is close tothe plane Secondly，on this basis，combined with the development characteristics of the frictional strength of thewall-soil under the non-limit state and the unsaturated soil strength criterion，a displacement-related unsaturatedsoil strength model is proposed A calculation model of the unsaturated soil active earth pressure in the non-limitstate is established The comparison with the laboratory test results verifies the rationality of this model Finally，theinfluence of wall displacement and matric suction on active earth pressure is discussed The parametric analysis re-sults show that the active earth pressure of unsaturated soil decreases gradually with the increase of the displacementof the retaining wall，but it first decreases and then increases with the increase of the matrix suction There is a verysmall earth pressure value The ankine earth pressure and the Fredlund s extended ankine earth pressure valuesare the special values of the model when the displacement reaches the limit state under saturated and unsaturatedconditions，respectivelyKey wordsActive earth pressure;Unsaturated soil;Non-limit state;Model test;The theoretical analysis0引言墙后土体主动土压力值是基坑工程设计中极为重要的考虑因素(刘建航等，1997)。目前，由于概念清晰、计算简单，通常仍采用经典的朗肯或库仑土压力理论计算土压力值(Terzaghi，1934)。但经典土压力理论均以挡墙位移量达到一定值(一般取为墙高的 15)使得土体达到极限状态为理论基础(李广信等，2013)，但基坑工程大都对位移严格要求，其要求挡土结构的侧向位移量远小于达到极限状态所需的位移量，结构承受的土压力一般处于静止土压力和主动土压力之间。由此，经典主动土压力计算结果会小于实际值，从而造成安全隐患。对于该问题，已有不少学者开展了大量的理论及试验研究，取得了一系列重要成果。如在试验方面，李浩等(2015)、杨明辉等(2016)、许雷挺等(2017)、史克宝等(2020)和肖成志等(2020)分别通过室内模型试验、土工离心模型试验以及数值模拟等手段探讨了挡墙不同位移模式下墙后土压力分布的基本规律，分析了经典土压力计算的不足;在理论计算方面，Chang(1997)、卢坤林等(2010)、胡俊强等(2013)，考虑非极限状态下土体强度发挥的特性，分别提出土体强度的折减方法，从而使问题得到简化;而梅国雄等(2001)、徐日庆等(2013)、谢涛等(2018)则直接分析土压力与位移之间的函数关系式，进而得到问题的解答。然而，以上理论大都未考虑土体非饱和的影响，而基坑工程由于开挖、降雨入渗等影响，易造成地下水位变化从而使得土体出现非饱和区。近年来，非饱和土变形固结等问题已被很多学者所关注(刘弋博等，2020;秦爱芳等，2020)，而另一方面，大量研究表明(Fredlund et al，1993;吴剑敏等，2003;姚攀峰等，2004;陈正汉等，2019)，非饱和土中的基质吸力会明显减小作用在支护结构上的土压力，考虑基质吸力的土压力计算方法可以减少设计过于保守导致的浪费。张常光等(2010)结合双剪统一强度理论，考虑了中间主应力对非饱和土土压力的影响;Vo et al(2014)将滑移线理论扩展到非饱和土中，分析了非饱和土与挡土结构之间的相互作用;Chehade et al(2020)采用极限分析上限理论评价了地震条件下非饱和加筋土挡墙的稳定性。然而，位移量和非饱和土吸力对土压力的影响不能简单地由两种土压力理论叠加或抵消得到，同时考虑两种因素的土压力理论还未有人提出。因此，为求得准确土压力值，建立同时考虑位移量和土体非饱和状态的土压力计算模型亦是必要的。实践证明(Matsuzawa et al，1996;Paik et al，2003)，即便是挡墙移动未达到使得土体处于极限状态的位移量，对于墙后土体的移动，必将是局部移动行为形成滑裂面，从而将土体分为移动区与非移动区，可见合理计算土压力的关键问题仍是准确确定土体滑裂面的形态，进而对移动区域的土体进行受力分析(杨明辉等，2017)。目前提出的墙后土体滑裂面的形式主要包括简单直线、旋轮线、对数螺旋线以及曲线和直线组成的复合曲线等(章广成等，2007;杨贵等，2017;周勇等，2020)。鉴于此，本文针对墙后土体土压力计算的两个关键问题，即土体处于非饱和状态以及位移未达到极限状态，首先开展非饱和土在非极限状态的模型试验，以确定其土体移动形态，在此基础上，结合土体非极限状态的强度参数表达，提出非极限状态非饱和土主动土压力的计算方法，并分析土体饱和度与位移量对土压力值的影响，以供相关工程设计参考。15631(2)杨明辉等:非极限状态非饱和土主动土压力试验及理