考虑各向异性的土压力离心模型试验研究.pdf

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1、第29卷第2期长江科学院院报Vo1．29No．22012年2月JournalofYangtzeRiverScientificResearchInstituteFeb．2012文章编号：1001—5485(2012)02—0068—04考虑各向异性的土压力离心模型试验研究张连卫h，，张建民(1．北京科技大学a．土木与环境工程学院；b．金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京100083；2．清华大学土木水利学院岩土工程研究所，北京100084)摘要：挡土墙后填土通常具有一定的强度各向异性，但目前的土压力计算方法通常将其简化为各向同性材料。为揭示强度各向异性对主动土压力的影响规律

2、及其机理，采用椭圆形截面的金属棒堆积形成二维粒状材料，并针对这种二维粒状材料研制了主动土压力的离心模型试验设备与测试技术。初步试验表明，墙后填土的强度各向异性对主动土压力沿墙高的分布规律有一定影响。随填土沉积面倾角增加，主动土压力的合力作用点逐渐向挡墙底部靠近。此外，墙后主动土压力受填土强度各向异性影响的程度可能达到40％。关键词：主动土压力；各向异性；离心模型试验中图分类号：TU43文献标志码：A重要手段。本文采用具有椭圆截面的金属棒堆积制成具有各向异性的二维粒状材料，针对这类理1研究背景想材料研制了主动土压力离心模型试验设备与测试土压力是设计挡土结构物断面及验算其稳定性技术。

3、应用结果表明，该试验设备与测试技术可用的主要荷载，其大小和分布受土的性质影响显著。于考虑各向异性的主动土压力试验研究。挡土墙后的填土通常由自然沉积或人工碾压形成，具有强度各向异性与应变软化2个明显的力学特2试验材料选择性。组成颗粒在碾压或沉积作用下定向排列，使得墙后填土普遍具有不同程度的强度各向异性¨：随砂土等天然粒状材料具有复杂的颗粒形状，在大主应力方向角(大主应力作用面与沉积面之间的3个正交方向上均具有离散性，并且即使是在平面夹角)增加，强度逐渐减小；当大主应力方向角位于应变条件下，变形过程中颗粒运动也是三维的，因此60。～75。之间时，强度最低；随大主应力方向角继续可称为三

4、维粒状材料。这类粒状材料的细观组构与增加到90。，强度反而又有所增加。变形模式非常复杂，目前缺乏简单实用的技术进行墙后填土的这种强度各向异性，使得达到主动直接测量，也不具备相应的数学手段进行描述。较极限状态时，在填土内滑裂面上发挥的内摩擦角受为可行的研究思路是分离细观组构的影响因素，将到土层沉积面倾角的影响，并且临界滑裂面的位置复杂的研究对象理想化，针对理想材料进行简单应也将发生相应变化。但现有的主动土压力计算方法力状态下的试验⋯。均假定墙后填土为各向同性，未考虑其强度各向异如图1所示，这类材料仅在平面内具有非连性的影响，并且所采用的通常为大主应力方向角为续和非均质等粒状材料的特

5、点，在与该平面正交的0。时的强度参数，对主动土压力的估计偏小，可能导Y方向上则仍保持连续介质的力学特性，因此可称致危险的设计。尽管很多情况下墙后填土沉积面水为二维粒状材料。上述学者的研究已经证实，这种平，但公路两侧边坡的沉积面通常有一定倾角，对于二维粒状材料在平面内具有与三维粒状材料类似的这类支护边坡的挡墙有必要在主动土压力计算中考压硬性与剪胀性等宏观力学特性。虑强度各向异性的影响。因此，本文采用由图2所示3种直径的椭圆形模型试验是认识土压力分布规律与影响因素的金属棒堆积成的二维理想粒状材料。椭圆形金属棒收稿日期：2011·07—20基金项目：国家自然科学基金(51009002)

6、作者简介：张连卫(1978一)，男，山东滨州人，讲师，博士，主要从事岩土工程的教学与科研工作，(电话)010—62333731(电子信箱)GeoZhanglw@126．tom。第2期张连卫等考虑各向异性的土压力离心模型试验研究的截面长轴分别为4mm(粗)，2mm(中)和1mm图4中，前后法兰③和④用于固定气缸，测力单(细)，长短轴比均为2：1。粗、中、细3种不同直径元⑦固定于挂板⑥上，各测力单元之间以隔断垫板的颗粒以质量比8：2：1混合。这种理想材料具有明⑧隔开。挂板与固定在挂板上的测力单元以及隔断显的强度各向异性。利用这种理想材料代替砂土可垫板作为一个整体，用于模拟挡墙。挂板与

7、气缸活简化边界条件与加载方式。塞刚性连接，由气缸活塞控制挂板水平方向的运动。TerzaghiL2通过模型试验证实，模型挡墙的变位模式对主动土压力大小及分布有重要影响。本文主要针对挡墙平动模式下的主动土压力各向异性效应，需要限制挡墙转动。因此在气缸前后固定法兰上固定4根相互平行的水平导轨(如图4中虚线所示)，挂板通过圆形滚针轴承穿过导轨。挂板上布置2个水平位移测点(如图4中和D所示)，试验图1二维粒状材料示意图2椭圆形截面金属棒Fig．1Two-dimensionalFig．2Me