孔祥冰
(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司,上海市 200092)
近幾年,國內(nèi)外地震頻發(fā)。擋土墻作為一種經(jīng)濟(jì)的支護(hù)結(jié)構(gòu),在交通工程中應(yīng)用普遍,所以擋土墻的抗震設(shè)計(jì)變得越來越重要。評(píng)價(jià)地震條件下土壓力的變化作為擋土墻抗震設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要內(nèi)容,有著很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。對于地震條件下的擋土墻土壓力,國內(nèi)外很多學(xué)者都進(jìn)行了大量的研究。Okabe[1]和Mononobe等[2]首先進(jìn)行了開創(chuàng)性的工作,他們提出的擬靜力學(xué)方法是在庫倫理論的基礎(chǔ)上發(fā)展而來,認(rèn)為在地震作用下,整個(gè)破壞土楔作為剛體具有相同的加速度,并采用最大加速度值,將地震作用簡化為一個(gè)慣性力系附加在滑動(dòng)土體上,進(jìn)而計(jì)算其土壓力,這就是著名的Mononobe-Ok ab e理論。之后,Sherif等[3],Richard 等[4]和Choudhury等[5]在Mononobe-Ok ab e理論的基礎(chǔ)上有所改進(jìn),進(jìn)而確定了地震條件下主動(dòng)土壓力的大小和分布。另外,Morrison 等[6],Soubra[7],Choudhury等[8]也都在擬靜力學(xué)方法的基礎(chǔ)上,研究了地震條件下?lián)跬翂Ρ粍?dòng)土壓力的大小和分布。Kumar[9]則采用對數(shù)螺旋線與直線組成的復(fù)合滑動(dòng)面,對地震被動(dòng)土壓力進(jìn)行了研究。國內(nèi)朱桐浩[10],王貽蓀等[11]分別推導(dǎo)了復(fù)雜條件下地震總土壓力的一般解。劉忠玉等[12],王立強(qiáng)等[13]以及楊劍等[14]分別利用水平層分析法,對地震土壓力進(jìn)行了研究。
上述學(xué)者均是采用擬靜力學(xué)方法來分析擋土墻的地震土壓力,沒有考慮時(shí)間和相位的影響以及地震加速度的放大效應(yīng),不能很好地反映土的動(dòng)力學(xué)性質(zhì);而且假定土體為剛性,則剪切模量和剪切波速為無窮大,這與實(shí)際情況不符。為了克服這些缺點(diǎn),Steedman等[15]采用擬動(dòng)力學(xué)方法,對無黏性土的主動(dòng)土壓力進(jìn)行了研究。該方法假定地震加速度隨著深度和時(shí)間呈正弦變化,并假定剪切模量在滑動(dòng)面范圍內(nèi)為有限的定值。Choudh ury等[16]在擬動(dòng)力學(xué)分析方法的基礎(chǔ)上,考慮豎向加速度系數(shù),對無黏性土的被動(dòng)土壓力進(jìn)行了研究,但在他們的研究中,并沒有考慮加速度放大系數(shù)對被動(dòng)土壓力分布的影響,也沒有對被動(dòng)土壓力的合力作用點(diǎn)做相應(yīng)的分析。
本文沿用擬動(dòng)力學(xué)分析方法,考慮加速度的放大效應(yīng),得到了隨時(shí)間和相位變化的地震被動(dòng)土壓力系數(shù)、土壓力合力、土壓力分布強(qiáng)度和合力作用點(diǎn)的理論公式,重點(diǎn)分析了加速度的放大系數(shù)以及地震卓越周期對于最不利工況下滑動(dòng)面傾角、被動(dòng)土壓力系數(shù)和土壓力分布的影響。
在擬動(dòng)力學(xué)方法的基礎(chǔ)上,本文采用如下基本假定:
(1)土的剪切模量G沿墻高不變。
(2)地震加速度隨時(shí)間和深度的變化而變化,水平地震加速度主要與地震剪切波有關(guān),而豎向地震加速度主要與地震縱波有關(guān)。
(3)滑動(dòng)面內(nèi)土體為均質(zhì)各向同性的無黏性土,滑動(dòng)面為平面。
擋土墻地震土壓力計(jì)算模型如圖1所示。
圖1 擋土墻地震土壓力計(jì)算模型
土體剪切波速Vs和縱波波速VP由下式得到:
式中: ρ為墻后填土密度;v為泊松比。
地震加速度為矢量,將其分為水平和豎向2個(gè)分量來考慮。當(dāng)?shù)卣鸺羟胁ê涂v波接近地面時(shí),無黏性土中的振動(dòng)會(huì)被放大。本文假定從擋土墻底部基礎(chǔ)到地面,振動(dòng)加速度的幅值呈線性放大,則存在:
式中:kh為水平加速度系數(shù);kv為豎向加速度系數(shù);fa為土體放大系數(shù);H為擋土墻高度。
假定在地震時(shí)擋土墻下部土體振動(dòng)形式為正弦式穩(wěn)態(tài)振動(dòng),ω定義為擋土墻下部土體振動(dòng)角頻率,T為周期,ω=2π/T,則在深度z和時(shí)間t下的地震水平加速度和豎向加速度可表示為:
式中:g為重力加速度。
土楔重力W為:
式中:θ為滑動(dòng)面傾角;γ 為土體重度,γ=ρg。
在深度z處取一薄層單元,厚度為dz,其質(zhì)量為:
則作用在滑動(dòng)土體內(nèi)部的水平地震慣性力Qh(t)可以通過下式積分得到:
將式(5)和式(8)代入式(9),積分得到:
式中:λ=TVs,為水平傳播的剪切波波長;ζ=t-H/Vs。
同理,可以得到豎向地震慣性力Qv(t)的表達(dá)式:
式中:η=TVp,為垂直傳播的縱波波長;ψ=t-H/Vp。
若假定土體為剛性,即G→∞,且不考慮加速度的放大作用,即fa=1,則剪切波速和縱波波速均趨于無窮大,此時(shí)存在:
這與著名的Mononobe-Okabe方法中假定的作用于滑動(dòng)土體的慣性力相同。可以看出,擬靜力學(xué)方法是擬動(dòng)力學(xué)方法的特例。
如圖1中所示,考慮滑動(dòng)面內(nèi)三角形土體水平方向力的平衡,可得到:
式中:δ為墻面摩擦角;φ為填土內(nèi)摩擦角;Ppe為擋土墻反力;F為不動(dòng)土體作用在滑動(dòng)面處的反力。
考慮豎直方向力的平衡,得到:
聯(lián)合求解式(14)和式(15),解得:
地震被動(dòng)土壓力系數(shù)可定義為:
將式(7)、式(10)、式(11)和式(16)代入式(17),可得地震條件下無黏性土的被動(dòng)土壓力系數(shù)公式:
其中:
從式(18)中可以看出,地震被動(dòng)土壓力系數(shù)Kpe是無量綱參數(shù)H/λ,H/η,t/T和滑動(dòng)面傾角 θ的函數(shù)。對于實(shí)際工程,一般H、Vs、Vp可以通過實(shí)際測量而得到,而周期可以取地震信號(hào)中的卓越周期。則Kpe實(shí)際上是θ和無量綱參數(shù)t/T的函數(shù)。對應(yīng)地震的某一時(shí)刻t和某一個(gè)卓越周期T,均存在一個(gè)滑動(dòng)面傾角值和一個(gè)被動(dòng)土壓力系數(shù),其中被動(dòng)土壓力系數(shù)的最小值即為地震時(shí)對應(yīng)該卓越周期T的最不利工況下無黏性土的被動(dòng)土壓力系數(shù),對應(yīng)的θ值即為最危險(xiǎn)滑動(dòng)面的傾角。被動(dòng)土壓力系數(shù)的最小值可以通過對θ和無量綱參數(shù)t/T的優(yōu)化求解而得到。
總的地震被動(dòng)土壓力可以定義為:
式中:Pps為靜力狀態(tài)下由于土體重力引起的作用在墻身的壓力;Pphd是因水平地震慣性力的存在而減少的動(dòng)土壓力;Ppvd是因豎向地震慣性力的存在而減少的動(dòng)土壓力。
所以,地震狀態(tài)下,無黏性土的被動(dòng)土壓力可以看做是由于土體自重引起的側(cè)土壓力,在克服水平和豎向地震慣性力后得到的。
將式(18)代入式(17),并將H全部替換為z,則可以通過對式(17)中的總土壓力求導(dǎo)而得到地震被動(dòng)土壓力分布強(qiáng)度,如式(20)所示:
式(20)即為地震條件下無黏性土被動(dòng)土壓力分布公式。
地震被動(dòng)土壓力的合力作用點(diǎn)可以通過下式得到:
式(21)可以通過數(shù)值解法求解。
運(yùn)用上述計(jì)算方法,對于地震狀態(tài)下?lián)跬翂箴ば酝恋淖钗kU(xiǎn)滑動(dòng)面傾角、動(dòng)土壓力系數(shù)、動(dòng)土壓力分布、合力作用點(diǎn)進(jìn)行求解,同時(shí)分析內(nèi)摩擦角、墻土摩擦角、水平及豎向地震加速度系數(shù)、土體放大系數(shù)和墻面傾角等對以上各求解量的影響。為便于分析,以下算例所選取的部分計(jì)算參數(shù)均為 γ=18 kN/m3,H=10m,H/λ=0.3,H/η=0.16。
處于被動(dòng)極限狀態(tài)時(shí),最危險(xiǎn)滑動(dòng)面對應(yīng)的被動(dòng)土壓力合力是最小的。利用式(18),要得到地震被動(dòng)土壓力系數(shù)Kpe,需要對時(shí)間比值t/T和滑動(dòng)面傾角θ進(jìn)行優(yōu)化求解,則可得到對應(yīng)某一個(gè)卓越周期T的最危險(xiǎn)滑動(dòng)面傾角值。
圖2 為對應(yīng)不同的放大系數(shù)fa時(shí)最危險(xiǎn)滑動(dòng)面傾角隨內(nèi)摩擦角的變化規(guī)律。其中,所選取的計(jì)算參數(shù)為H/λ=0.3,H/η=0.16,kh=0.3,kv=0.15,δ=φ/2。從圖2中可看出,隨著φ值的增大,最危險(xiǎn)滑動(dòng)面傾角θ先增后減,大致在φ取25°~30°時(shí)取得最大值。當(dāng)φ值一定時(shí),隨著放大系數(shù)fa的增大,θ值逐漸減小,并且φ值越大,fa對最危險(xiǎn)滑動(dòng)面傾角的影響越小,當(dāng)φ=45°時(shí),θ值基本不隨fa變化。
圖3 為對應(yīng)不同的卓越周期T時(shí)最危險(xiǎn)滑動(dòng)面傾角隨水平地震加速度系數(shù)的變化規(guī)律。其中,選取的計(jì)算參數(shù)為kv=kh/2,φ=30°,δ=φ/2,H=10m,Vs=109m/s,Vp=200m/s,fa=1.3。由圖 3 中可看出,隨著水平地震加速度系數(shù)的增大,最危險(xiǎn)滑動(dòng)面傾角呈減小的趨勢,并且kh越大,減小越明顯。當(dāng)kh為定值時(shí),θ值隨著卓越周期T的增大而減小,并且T越大,減小幅度越小。
圖2 最危險(xiǎn)滑動(dòng)面傾角隨φ值變化
圖3 最危險(xiǎn)滑動(dòng)面傾角隨 k h值變化
利用式(18),對于不同的t/T和滑動(dòng)面傾角θ,分別有相應(yīng)的Kpe值,選取其中最小值,即為對應(yīng)卓越周期T時(shí)最不利工況下的地震被動(dòng)土壓力系數(shù)。
圖4 地震被動(dòng)土壓力系數(shù)隨φ值變化
圖4 為對應(yīng)不同的放大系數(shù)fa時(shí)地震被動(dòng)土壓力系數(shù)隨內(nèi)摩擦角的變化規(guī)律。選取的計(jì)算參數(shù)為H/λ=0.3,H/η=0.16,kh=0.3,kv=0.15,δ=φ/2。由圖4中可看出,隨著φ值的增大,Kpe逐漸增大,并且φ值越大,Kpe增大的趨勢越大。相反,隨著fa的增大,Kpe的增速有減小的趨勢,但是并不明顯;由此可看出,放大系數(shù)對地震被動(dòng)土壓力系數(shù)的影響較小。
圖5 為對應(yīng)不同的卓越周期T時(shí)地震被動(dòng)土壓力系數(shù)隨水平地震加速度系數(shù)的變化規(guī)律。其中,選取的計(jì)算參數(shù)為kv=kh/2,φ=30°,δ=φ/2,H=10m,Vs=109m/s,Vp=200m/s,fa=1.3。由圖 5 中可看出,隨著kh的增大,kpe逐漸減小,并且kh越大,其減小趨勢越大。另外,當(dāng)kh為定值時(shí),Kpe隨著T的增大而減小,并且kh越大,其減小幅度越大。
圖5 地震被動(dòng)土壓力系數(shù)隨k h值變化
根據(jù)式(20),可以得到任意時(shí)刻的地震土壓力分布,對應(yīng)最危險(xiǎn)滑動(dòng)面的即為被動(dòng)土壓力分布。
圖6 為取不同的放大系數(shù)fa時(shí)地震被動(dòng)土壓力的分布情況。選取的計(jì)算參數(shù)為H/λ=0.3,H/η=0.16,kh=0.3,kv=0.15,δ=φ/2。其中,墻高和被動(dòng)土壓力均被無量綱化。由圖6中可看出,土壓力呈非線性分布。隨著放大系數(shù)fa的增大,土壓力分布呈減小的趨勢,并且深度越大,減小的趨勢越明顯。
圖6 地震被動(dòng)土壓力分布隨f a值變化
圖7 為取不同的卓越周期T時(shí)地震被動(dòng)土壓力的分布情況。選取的計(jì)算參數(shù)為kv=kh/2,φ=30°,δ=φ/2,H=10 m,Vs=109 m/s,Vp=200 m/s,fa=1.3。其中,墻高和被動(dòng)土壓力均被無量綱化。從圖7中可以發(fā)現(xiàn),T=0.2 s時(shí),土壓力呈明顯的“S”型分布,之后隨著T的增大,土壓力分布逐漸減小,并且T越大,減小的趨勢越小;曲線形狀也逐漸趨于平緩??梢钥闯?,卓越周期T對土壓力分布的影響較小。
圖7 地震被動(dòng)土壓力分布隨T值變化
用擬動(dòng)力學(xué)方法分析地震被動(dòng)土壓力的研究還很少。本文用擬動(dòng)力學(xué)方法計(jì)算被動(dòng)土壓力系數(shù)值,并與 D a v i e s等(1986)基于 Mononobe-Ok ab e理論,運(yùn)用擬靜力學(xué)方法計(jì)算出的被動(dòng)土壓力系數(shù)值進(jìn)行對比,結(jié)果見圖8。選取的計(jì)算參數(shù)為kv=kh/2,δ=φ/2,H=10 m,Vs=109 m/s,Vp=200 m/s,fa=1.0。從圖8中可以看出,運(yùn)用擬動(dòng)力學(xué)方法得出的最小地震被動(dòng)土壓力系數(shù)值更安全。
圖8 地震被動(dòng)土壓力系數(shù)隨T值變化
(1)本文考慮地震加速度的放大效應(yīng),運(yùn)用擬動(dòng)力學(xué)的方法,得到隨時(shí)間和深度變化的地震加速度,進(jìn)而推導(dǎo)了地震被動(dòng)土壓力系數(shù)、土壓力分布強(qiáng)度和土壓力合力作用點(diǎn)的理論公式,得知擬靜力學(xué)方法是擬動(dòng)力學(xué)方法的特例。
(2)fa增大,θ值減小,并且φ值越大,fa對θ的影響越小;θ值隨著卓越周期T的增大而減小,并且T越大,其減小幅度越小。fa增大,Kpe的增速有減小的趨勢,但是并不明顯;Kpe隨著T的增大而減小,并且kh越大,減小幅度越大。隨著fa和T的增大,被動(dòng)土壓力分布均呈減小的趨勢;其中,T對土壓力分布的影響較小。
(3)地震加速度減少了作用在墻體的被動(dòng)土壓力,其放大效應(yīng)又進(jìn)一步減小了土壓力值,所以不考慮加速度的放大效應(yīng)是偏于不安全的。
(4)與擬靜力學(xué)方法的對比表明,擬動(dòng)力學(xué)方法得出了更安全的最小地震被動(dòng)土壓力系數(shù)值。