挡土结构位移与土压力关系有限元分析
挡土墙施工过程中的有限元研究
挡土墙施工过程中的有限元研究摘要:文章借助有限元方法对挡土墙的场地土应力进行了研究,通过对边界条件真是的模拟,提取除了开挖过程中的位移变形、各种应力云图等指标,为结构设计和施工管理提供了依据。
关键词:场地;有限元;地应力场;挡土墙地应力场对地质构造研究,对震源、矿藏和地下水分布的研究,以及对工程开挖和地下建筑等均有重要意义。
有限元分析的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。
它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成,对每一单元假定一个合适的近似解,然后推导求解这个域[1]总的满足条件,从而得到问题的解。
这个解不是准确解,而是近似解,因为实际问题被较简单的问题所代替。
由于大多数实际问题难以得到准确解,而有限元不仅计算精度高,而且能适应各种复杂形状,因而成为行之有效的工程分析手段。
1有限元法的应用①建立模型。
文章以工程中常见的挡土墙施工[2]为模拟对象,地质条件选用模拟单元Plane82,它二维8节点实体,PLANE82是PLANE42的高阶单元,采用3次插值函数。
它为自动网格划分提供了更精确的求解结果,并能承受不规则形状而不会产生任何精度上的损失。
建立模型具体如图1所示。
②边界条件。
对左端施加横向固定约束;对底部施加横、纵向固定约束用以保证底部嵌固与承载力较高的地基土上;对场地施加Gravity=10,具体如图2所示。
③位移变形。
运用迭代法进行迭代求解,提取出变形图。
在图3中可以看到:虚线为原场地土,实体为在初始应力场作用下的变形后的场地土。
通过变形前后对比,场地土在初始应力场作用下向下产生位移,体积减少,密度增大,上侧产生的变形最为明显。
④应力云图。
提取出的各种应力云图[3]如下所示。
通过云图可以清晰总结出应力变化的趋势:底部应力最大,随着高度的减少,应力渐渐减少直至接近于零。
这一规律通过云图直观的获得,节约了成本和时间,为结构设计找出了受力薄弱部位和施工过程中的安全提供了有力保证。
水利工程土力学教学课件：9.1土压力的类型及静止土压力
03
土压力的计算方法
土压力的计算方法
• 静止土压力E0属于弹性状态土压力，可用弹性理 论计算；主动土压力Ea和被动土压力Ep则属于极 限平衡状态的土压力，目前对这两种土压力的计 算仍是以抗剪强度理论和极限平衡理论为基础的 古典土压力理论，即朗肯土压力（Rankine）和 库仑土压力（Coulomb）理论。
• 土体作用在挡土结构物上的压力称为土压力。
土压力的类型及静止土压力
土压力的类型及静止土压力
土压力的类型及静止土压力
土压力的类型及静止土压力
土压力的类型及静止土压力
02 位移对土压力的影响及三种土压力
位移对土压力的影响及三种土压力
主动 被动
位移对土压力的影响及三种土压力
❖挡土墙不向任何方向发生位移和转动时，墙 后土体处于弹性平衡状态，作用在墙背上的土
压力称为静止土压力。
❖挡墙沿墙趾向离开填土方向转动或平行移动， 且位移达到一定量时，墙后土体达到主动极限 平衡状态，填土中开始出现滑动面 ，这时挡
土墙上的土压力称为主动土压力。
位移对土压力的影响及三种土压力
❖挡墙在外力作用下向墙背填土方向转动或 平行移动时，土压力逐渐增大，当位移达到 一定量时，潜在滑动面上的剪应力等于土的 抗剪强度，墙后土体达到被动极限平衡状态， 填土内开始出现滑动面 ，这时作用在挡土墙
K0 0.95 sin
感谢聆听
9.1 土压力与挡土墙
目录
CONTENTS
1 土压力的类型及静止土压力
2 位移对土压力的影响及三种土压力
3
土压力的计算方法
01 土压力的类型及静止土压力
土压力的类型及静止土压力
水泥搅拌桩重力式挡土墙变形的有限元分析
果 不是很 明显 。 般来 说 ， 泥搅 拌桩 重力 式挡 土墙 的 一 水
嵌入 深 度 为开挖 深 度 的 ０ ８ １ ２ ， 嵌 入深 度 满足 ．～ ． 倍 在 计 算要 求后 ，一‘ 味地 增加 桩 长用 以限制 和减 少 变形 效 果 不 明显 ， 反而 会造 成严 重浪 费 。
围
天 建 科 ２１． ． 津诅 技 ０ Ｎ４ ０ Ｏ
不 同加 固深 度
为研 究水 泥土 搅拌 桩 重力 式挡 土 墙 不 同加 固深 度 下 围护 结 构体 系 自身及 临近 土 体 的应 力及 位 移 变化 趋 势， 选取 设计 桩长 为 １ ３ｍ和 １ ， ６ｍ 同时 考虑 分步 开挖 的 影 响 ，设 计 开 挖 深 度 分 别 为 ／ ２ ５ｍ和 ／ ５ ４ｍ的情 ／ ． － ／ ． － ＝ 况 。图 ６为不 同加 固深 度 下水 泥搅 拌 桩 重力 式挡 土 墙
基坑 开挖 深度 的 ２ ～４倍 。为 了减 少模 型计 算 的“ 界 边 的约 束效 应 ”模 型 中将 水平 影 响 宽度和 竖 向影 响深 度 ，
本构 关系 定为弹 塑性 本构 Ｄ — ｏ ｅ 模 型关系 。 Ｐｍｄｌ
（） 模 拟 基 坑 开挖 过 程 中 ， 开 挖 部 分 单 元 用 ３在 将
都取 为 ４倍 的基 坑 开挖 深度 ，即有 限元 模 型 的计算 范 围取 值 为 －（ 型 的长 度） Ｌ模 ×Ｂ（ 型 的 宽度） ２ ３ × 模 ＝６ ． ｍ
２ ． ９ ２ ｍ。
“ 生死 单元 ” 替 ， 过“ 代 通 杀死 ” 同深 度 的单 元 来 模拟 不
土体 分步 开挖 过程 ，从 而 了解 分步 开挖 时 间对 变 形及 内力 的影 响 ， 进而 验 ‘ 时空效应 ” 理 的正确 性 。 原
第7章土压力与挡土结构
H
H/3
HKa
1.无粘性土主动土压力强度与z成正比，沿墙高呈三角形分布
2.合力大小为分布图形的面积，即三角形面积 3.合力作用点在三角形形心，即作用在离墙底H/3处
7.3.2主动土压力的计算
2.对于粘性土（c＞0）
2c√Ka
pa zK a 2c K a 粘性土主动土压力强度包括两部分
H
z0 (H-z0)/3
7.1.2 作用在挡土墙上的土压力
7.1.2 作用在挡土墙上的土压力 1.静止土压力
挡土墙在压力作用下不发生任何变形和位移， 墙后填土处于弹性平衡状态时，作用在挡土墙 背的土压力
Po
7.1.2 作用在挡土墙上的土压力
2.主动土压力 在土压力作用下，挡土墙离开土体向前位移至
一定数值，墙后土体达到主动极限平衡状态时， 作用在墙背的土压力
第7章土压力与挡土结构
7.1 概述
7.1.1挡土墙的结构类型及工程应用
7.1.1挡土墙的结构类型及工程应用
新建成的挡土墙
垮塌的重力式挡墙
7.1.2 作用在挡土墙上的土压力
土压力的概念：土压力通常是指挡土墙后的填土因自重或 外荷载作用对墙背产生的侧压力
土压力类型：
土压力
静止土压力
主动土压力 被动土压力
体处于朗肯被动状态时， 墙后土体出现一组滑裂 面，它与小主应力面夹 角45o－/2，水平应力 增大到最大极限值
H
z
z(σ3)
45o－/2
pp(σ1)
朗肯被动土压力系数
极限平衡条件：
1
3
tan2
45 o＋
2
＋2c
tan
45 o＋
2
朗肯被动土压力强度：
基于有限元方法的挡土墙稳定性评估与设计优化
基于有限元方法的挡土墙稳定性评估与设计优化挡土墙是土木工程中常见的结构体系，用于抵抗土壤的压力，以保持土体的稳定和防止滑移、倾覆等不稳定现象的发生。
在挡土墙的设计过程中，稳定性评估与设计优化是非常重要的一环。
本文将基于有限元方法，详细介绍挡土墙的稳定性评估与设计优化的内容。
首先，我们将介绍挡土墙的背景和基本概念。
挡土墙是一种垂直于地面的结构，通常由土体、挡墙、墙脚、排水设施等组成。
其主要功能是抵抗土壤的水平压力，以防止土体的滑移和侧向移动。
挡土墙的稳定性评估是为了确定其是否能承受土壤压力，并确保其在设计寿命内不会发生不稳定现象。
然后，我们将介绍有限元方法在挡土墙稳定性评估中的应用。
有限元方法是一种数值计算方法，通过将挡土墙划分为许多小的有限元单元，来模拟挡土墙在不同荷载条件下的变形和应力分布。
通过对有限元模型进行荷载施加和边界条件设定，可以计算出挡土墙的位移、应力等相关参数，以评估其稳定性。
接着，我们将介绍挡土墙稳定性评估所需考虑的主要因素。
在进行挡土墙稳定性评估时，需要考虑土壤的力学性质、挡土墙的几何形状、荷载条件以及边界条件等因素。
其中，土壤的力学性质是进行有限元分析的基础，包括土壤的抗剪强度、压缩模量等参数。
挡土墙的几何形状对其受力性能和变形特性有很大影响，因此需要合理选择挡墙的高度、倾角等参数。
荷载条件是指外部对挡土墙施加的荷载，例如土壤的水平压力、地震荷载等。
边界条件是指挡土墙与周围环境的相互作用和限制关系，例如土体的支撑条件、排水设施的设置等。
在挡土墙稳定性评估的基础上，我们将介绍挡土墙的设计优化方法。
挡土墙的设计目标是在满足稳定性要求的基础上，尽可能减小工程造价。
在设计优化过程中，可以通过调整挡墙的几何形状、土壤的力学性质、荷载条件等因素，以寻求最优解。
设计优化的主要方法包括参数敏感性分析、多目标优化等，将挡土墙的设计问题转化为数学模型，并通过计算机程序进行求解。
最后，我们将介绍一些基于有限元方法的挡土墙稳定性评估与设计优化的实例和应用。
挡土墙的变形与沉降分析
挡土墙的变形与沉降分析挡土墙是一种常用的土木工程结构，用于支撑和稳定土体。
然而，在使用过程中，经常会出现挡土墙的变形与沉降现象。
本文将就挡土墙的变形原因、沉降机制以及相应的分析方法进行深入探讨。
一、挡土墙的变形原因挡土墙的变形主要受以下几个因素的影响：1.土壤力：挡土墙作为土体的支撑结构，受到土壤力的作用。
土壤力分为主动土压力和被动土压力，两者在挡土墙的上、下部分产生了不同的压力，导致挡土墙的变形。
2.地下水位：挡土墙常常会遭遇地下水的渗透。
当地下水位升高时，会增加背后土体的湿度，从而改变土壤的力学性质，导致挡土墙产生变形。
3.挡土墙的结构：挡土墙的材料、施工方式及设计参数等因素都会影响挡土墙的变形。
如挡土墙的材料强度、抗滑抗倾参数的选取是否合理，施工中是否存在工艺不当等都会导致挡土墙的变形。
二、挡土墙的沉降机制挡土墙的沉降主要与以下几个因素相关：1.土壤压缩：土壤在受到荷载作用时会发生压缩行为，从而导致挡土墙的沉降。
土壤的压缩性受到土壤类型、含水量、固结性等因素的影响。
2.地下水位变化：地下水位的升降会直接影响土体的湿度，进而改变土壤的压缩性和承载能力。
当地下水位升高时，挡土墙常常会相应地发生沉降。
3.土体的活动性：挡土墙中的土体可能存在活动性，即土壤颗粒内部存在变形、重排和相对移动的现象。
这种土体的活动性将导致挡土墙沉降。
三、挡土墙变形与沉降的分析方法为了准确分析挡土墙的变形和沉降情况，可以采用以下方法进行：1.现场观测：通过在挡土墙周围设置测点，使用变形仪器进行监测，可以实时记录挡土墙的变形和沉降情况。
2.数值模拟：采用有限元分析等数值模拟方法，根据挡土墙的材料属性、结构参数以及施工情况，建立相应的模型，通过模拟计算得出挡土墙的变形和沉降情况。
3.实验室试验：通过室内试验，模拟挡土墙的受力情况，观察土壤的变形行为，并通过试验数据得出挡土墙的变形和沉降规律。
四、挡土墙变形与沉降的控制与预防为了有效控制挡土墙的变形和沉降，需要采取以下措施：1.合理设计：在挡土墙的设计中，需要根据具体情况合理选取墙体的参数，确保其承载能力和变形性能满足工程要求。
挡土结构内力分析
挡土结构内力分析挡土结构内力分析是基坑工程设计中的重要内容。
随着基坑工程的发展和计算技术的进步，挡土结构的内力分析方法从早期的古典分析方法到解析方法再到复杂的数值分析方法也经历了不同的发展阶段。
挡土结构内力分析的古典方法主要包括平衡法、等值梁法、塑性铰法等。
平衡法，又称自由端法，适用于底端自由支承的悬臂式挡土结构和单锚式挡土结构。
当挡土结构的入土深度不太深时，结构底端可视为非嵌固，即底端自由支承。
图6-1 为单锚挡土结构在砂性土中的平衡法的计算简图。
为使挡土结构在非嵌固条件下达到极限平衡状态，作用在挡土结构上的锚系力Ra、主动土压力Ea 以及被动土压力Ep 必须平衡。
具体计算方法是：利用水平方向合力等于零以及水平力对锚系点的弯矩和等于零，求得挡土结构的入土深度。
代入水平力平衡方程即求得锚系点的锚系拉力Ra，进而可求解挡土结构的内力。
等值梁法，又称假想铰法，可以求解多支撑（锚杆）的挡土结构内力。
首先假定挡土结构弹性曲线反弯点即假想铰的位置。
假想铰的弯矩为零，于是可把挡土结构划分为上下两段，上部为简支梁，下部为一次超静定结构（图6-2），这样即可按照弹性结构的连续梁求解挡土结构的弯矩、剪力和支撑轴力。
等值梁法的关键问题是确定假想铰Q 点的位置。
通常可假设为土压力为零的那一点或是挡土结构入土面的那点，也可假定Q 点距离入土面深度为y，该y 值可根据地质条件和结构特性确定，一般为（0.1～0.2）倍开挖深度。
塑性铰法，又称Terzaghi 法，该方法假定挡土结构在横撑（除第一道撑）支点和开挖面处形成塑性铰，从而解得挡土结构内力。
挡土结构内力分析的解析方法是通过将挡土结构分成有限个区间，建立弹性微分方程，再根据边界条件和连续条件，求解挡土结构内力和支撑轴力。
常见的解析方法主要有山肩帮男法、弹性法和弹塑性法。
山肩帮男法的精确解有如下基本假定：（1）粘土地层中挡土结构为无限长弹性体；（2）开挖面主动侧土压力在开挖面以上为三角形，开挖面以下抵消被动侧的静止土压力后取为矩形；（3）被动侧土的横向反力分为塑性区和弹性区；（4）横撑设置后作为不动支点；（5）下道支撑设置后，上道支撑轴力保持不变，且下道支撑点以上挡土结构位置不变。
土力学-土压力及挡土结构
间有摩擦力），④填土为无粘性土的土压力计算。
•3.库仑公式推导
对土楔ABC作受力分析,受到三 个力W、R、E作用，由平衡 条件及正弦定律得库仑主动土压
力Ea和被动土压力EP的算式
——滑裂面与水平面的夹角 ——墙背与土之间的摩擦角，外摩擦角。 ——土与土之间的摩擦角，内摩擦角。
HK p
Ep作用在距离墙底H/3处
Ep
1
2
H2
kp
朗肯主动土压力 pa z ka 2c ka
Ka=tan2(45o — /2 )
•7.3.3 常见情况下朗肯主动土压力计算
（1）填土面有连续均布荷载q 土压力的计算方法是将均布荷载换算成当量的土重。
hq
pa qka 2c ka q
计算步骤
3.挡土墙验算
A.稳定性验算:抗倾覆验算和抗滑移验算 B.地基承载力验算
C .墙身强度验算、变形验算
4.如不满足条件，重新改变尺寸，再验算
• 7.5.5 防水排水设计
孔直径不小于100mm 坡度5%间距2～3米
砂土、卵石，500mm宽
图7.21 挡土墙排水防水设计
1
3tg2
45
2
2c
tg
45
2
将σ1=pp 、σ3=γz代入上式，得
令kp=tan2(45o + /2 )可得 pp z kp 2c kp
无粘性土 c=0
pp z kp
kp——被动土压力系数