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基于颗粒流模拟的RTT模式砂土非极限主动土压力理论研究

徐长节 姚嘉楠 迟民良 童建军 王永政 章小龙 杨开放 冯国辉

徐长节, 姚嘉楠, 迟民良, 童建军, 王永政, 章小龙, 杨开放, 冯国辉. 基于颗粒流模拟的RTT模式砂土非极限主动土压力理论研究[J]. 西南交通大学学报. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20240527
引用本文: 徐长节, 姚嘉楠, 迟民良, 童建军, 王永政, 章小龙, 杨开放, 冯国辉. 基于颗粒流模拟的RTT模式砂土非极限主动土压力理论研究[J]. 西南交通大学学报. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20240527
XU Changjie, YAO Jianan, CHI Minliang, TONG Jianjun, WANG Yongzheng, ZHANG Xiaolong, YANG Kaifang, FENG Guohui. Theoretical Study on Non-Limit Active Earth Pressure of Sand under Rotational and Translational Coupling Mode Based on Particle Flow Simulation[J]. Journal of Southwest Jiaotong University. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20240527
Citation: XU Changjie, YAO Jianan, CHI Minliang, TONG Jianjun, WANG Yongzheng, ZHANG Xiaolong, YANG Kaifang, FENG Guohui. Theoretical Study on Non-Limit Active Earth Pressure of Sand under Rotational and Translational Coupling Mode Based on Particle Flow Simulation[J]. Journal of Southwest Jiaotong University. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20240527

基于颗粒流模拟的RTT模式砂土非极限主动土压力理论研究

doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20240527
基金项目: 国家自然科学基金项目(52238009,52408448,U1934208);江西省自然科学基金项目(20223BBG71018);中国博士后科学基金特别资助项目(2025T180880);浙江省自然科学基金(LMS26E080034);浙大城市学院科研启动经费资助(QD2025024)
详细信息
    作者简介:

    徐长节(1972—),男,教授,博导,研究方向为土压力与基坑工程,E-mail: xucj@zju.edu.cn

    通讯作者:

    冯国辉(1996—),男,博士后,研究方向为基坑工程与隧道工程,E-mail:ghfeng@zju.edu.cn

  • 中图分类号: TU432

Theoretical Study on Non-Limit Active Earth Pressure of Sand under Rotational and Translational Coupling Mode Based on Particle Flow Simulation

  • 摘要: 目的

    支护结构在防止土体坍塌、维持土体稳定性方面起着重要作用. 准确确定作用在挡土墙上的土压力对基坑工程的安全性和经济性至关重要. 传统的土压力理论忽略了墙体的位移模式、位移大小、墙-土相互作用以及土拱效应等因素的影响. 因此,计算所得的土压力往往不准确,给工程设计和施工带来风险. 本文针对刚性挡墙绕墙顶转动与平动耦合(RTT)模式下砂土的主动土压力问题,考虑土楔体层间错动的影响,利用水平层分析法推导RTT模式下的非极限主动土压力计算公式.

    方法

    本文将离散元模拟和理论推导相结合,研究RTT模式下的非极限主动土压力,以深入分析墙体位移、摩擦角、转动中心位置等因素对土压力的影响. 为准确模拟土颗粒的宏观物理性质,并减小抗转动弯矩的影响,选取三圆盘组成的椭圆颗粒簇作为基本颗粒. 基于学者研究确定模型参数,保证模拟结果的可靠性和相关性. 采用PFC2D软件建立土体模型,利用双轴试验(围压分别为30、60 kPa和100 kPa)获取土体的内摩擦角为26.1°. 采用重力沉积法分6层生成土体模型,并控制孔隙率为0.22. 设置测量圆以捕捉土体内部应力和旋转角度的变化情况. 试样成型后,控制位移墙体向外转动,保持墙体最大水平位移速度为6 × 104 m/s. 设置墙体最大水平位移为0.012HH为位移墙的高度)以确保土体达到极限状态. 一共开展3种转动中心位置(中心参数n = 0.5, 1.0, 5.0)的离散元模拟,以探究不同转动中心位置对主动土压力、墙-土摩擦角、剪切破坏面发展以及土体内部应力状态的影响. 基于离散元模拟结果,假定土拱形状为中间对称圆弧,从而获得非极限滑动破裂面倾角. 考虑土楔体层间错动的影响,采用水平层分析法推导得到RTT模式下的主动土压力计算公式. 通过模型试验进一步验证了理论解,对比表明试验结果与理论预测吻合良好. 此外,还进行了全面的参数分析,研究RTT模式下墙体位移、内摩擦角、墙-土摩擦角以及转动中心位置对主动土压力大小和分布的影响.

    结果

    本文总结了离散元模拟、模型验证和参数分析的结果如下所示:  模拟结果如下:1.不同转动中心位置的土样在RTT模式下的墙-土摩擦角表现基本一致;3组模型的平均墙-土摩擦角约为21.4°;随着墙体位移增加,墙-土摩擦角逐渐发挥并达到其极限值. 2. RTT模式下的主动土压力分布同时表现出平动模式和转动模式的特征;随着墙体位移增加,压力分布从线性向抛物线型过渡;转动中心参数n越大,压力分布越接近线性. 3. 随着墙体位移,内摩擦角φ和墙-土摩擦角δ逐渐发挥,土体从非极限状态过渡到极限状态;当位移比S/H达到0.2%时(S为某一时刻挡土墙上的最大水平位移),土压力合力基本稳定;在RTT模式下,砂土的墙-土摩擦角比内摩擦角更快达到极限值. 4.土体破坏过程显示,随着墙体位移,颗粒转动加剧,导致剪切破坏面逐渐发展;n值越大,土颗粒转动越明显,破坏面也越清晰. 5.在RTT模式下,滑动面处的主应力方向发生偏转,在土体中上部区域,墙后及滑动破裂面处土颗粒的转动角度大致相同,中部区域的主应力偏转较小,土体内部发生土拱效应,形成近似对称的半圆形拱.  模型验证:理论计算结果与试验结果吻合良好. 当n=0时,RTT模式转变为特殊的绕墙顶转动模式,主动土压力呈上凸的抛物线分布. 当n→∞时,RTT模式转变为特殊的平动模式,主动土压力呈线性分布.  参数分析:1.在RTT模式下,主动土压力分布呈上凸的抛物线形;随着位移增加,主动土压力减小并逐渐趋近于库仑理论值. 2.内摩擦角对主动土压力大小和分布的影响大于墙-土摩擦角;内摩擦角和墙-土摩擦角越大,主动土压力越小. 3. 随着转动中心参数n增大,RTT模式下的压力分布非线性程度减弱,趋近于线性分布;当n≥5.0时,可近似按平动模式进行计算.

    结论

    本研究不仅增强了对RTT位移下非极限主动土压力的认识,也为支护结构的设计和施工提供指导. 未来可进一步研究更复杂的挡墙系统、位移模式及土体条件下的土压力变化情况.

     

  • 图 1  刚性颗粒簇模板

    Figure 1.  Rigid particle cluster template

    图 2  双轴试验模型(单位:m)

    Figure 2.  Model of biaxial tests (unit: m)

    图 3  双轴试验结果

    Figure 3.  Results of biaxial tests

    图 4  刚性挡土墙离散元模型

    Figure 4.  Discrete element model of rigid retaining wall

    图 5  DEM模型静止土压力强度模拟结果

    Figure 5.  Static soil pressure simulation results of DEM

    图 6  RTT模式墙土摩擦角发挥曲线图

    Figure 6.  Wall-soil friction angle performance curve of RTT mode

    图 7  测量墙中点处墙土摩擦角随墙体位移比的变化曲线

    Figure 7.  Variation curves of wall-soil friction angle with wall displacement ratio at the midpoint of measured wall

    图 8  RTT模式下主动土压力分布

    Figure 8.  Distribution of active earth pressure under RTT mode

    图 9  RTT模式主动土压力合力曲线图

    Figure 9.  Resultant active earth pressure curves of RTT mode

    图 10  RTT模式下土体内部颗粒旋转云图

    Figure 10.  Internal particle rotation cloud in soil under RTT mode

    图 11  RTT模式下土体内部主应力偏转情况

    Figure 11.  Internal principal stress deflection of the soil mass under RTT mode

    图 12  RTT模式挡土墙位移示意

    Figure 12.  Schematic diagram of retaining wall displacement in RTT mode

    图 13  微元滑裂体受力模型

    Figure 13.  Stress model of micro sliding body

    图 14  Mohr应力圆

    Figure 14.  Mohr stress circle

    图 15  水平微分单元受力分析

    Figure 15.  Force analysis of horizontal differential element

    图 16  不同墙体位移下土压力强度计算值与模型试验结果对比

    Figure 16.  Comparison of calculated earth pressure with model test results for different wall displacement

    图 17  墙体位移比S/H对土压力分布的影响(n=0.5)

    Figure 17.  Influence of wall displacement ratio S/H on soil pressure distribution (n = 0.5)

    图 18  内摩擦角对土压力分布的影响(n=0.5)

    Figure 18.  Influence of internal friction angle on soil pressure distribution (n = 0.5)

    图 19  墙土摩擦角对土压力分布的影响(n=0.5)

    Figure 19.  Influence of wall-soil friction angle on soil pressure distribution (n = 0.5)

    图 20  转动中心位置对土压力分布的影响(S/H=0.05%)

    Figure 20.  Influence of rotation center position on soil pressure distribution (S/H = 0.05%)

    表  1  DEM模型参数选取

    Table  1.   DEM parameters

    粒径/ mm 颗粒重度/
    (kN•m–3
    初始孔隙率 颗粒摩擦系数 法向接触刚度/
    ( × 108 N•m–1
    切向接触刚度/
    ( × 108 N•m–1
    墙体摩擦系数
    双轴试验 土压力试验
    3~5 25.97 0.22 0.7 1.5 1.0 0 0.7
    下载: 导出CSV

    表  2  模型试验计算参数

    Table  2.   Calculation parameters of model experiment

    位移
    模式
    γ/
    (kN•m–3
    φ/(°) δ/(°) φ0/(°) δ0/(°) Sc/H H/m
    RT (n=0) 15.51 34.9 17.45 11.00 7.2 0.050% 1.015
    T (n→∞) 15.40 34.0 17.00 10.10 7.2 0.150% 1.015
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-10-15
  • 修回日期:  2024-12-24
  • 网络出版日期:  2026-01-24

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