地震作用下擋牆土壓力非綫性分布的計算理論與方法 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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林宇亮 著

圖書標籤:

• 擋土牆
• 地震工程
• 土壓力
• 非綫性分析
• 岩土工程
• 結構工程
• 數值計算
• 計算理論
• 工程地質
• 地震作用

齣版社： 科學齣版社

ISBN：9787030531001

版次：1

商品編碼：12117729

包裝：平裝

開本：16開

齣版時間：2017-06-01

用紙：膠版紙

頁數：192

正文語種：中文

內容簡介

本書在已有研究成果之上，基於Mononobe-Okabe理論的基本假設，綜閤多種因素推導粘性土地震主動和被動土壓力非綫性分布的通用公式。求解地震主動和被動土壓力臨界破裂角的顯式解，研究粘性土主動土壓力裂縫深度的計算方法，獲得地震土壓力及其非綫性分布較完備的理論解答。通過參數簡化，驗證Mononobe-Okabe、Coulomb、Rankine等經典土壓力公式為本書公式的特例。通過與已有試驗結果的對比，驗證公式的正確性和有效性。

地震作用下擋牆土壓力非綫性分布的計算理論與方法 前言 擋牆作為一種重要的邊坡支擋結構，在國民經濟建設中扮演著不可或缺的角色。無論是道路、鐵路、水利工程，還是城市基礎設施建設，擋牆都承擔著穩定土體、防止滑坡的重要功能。然而，當這些結構遭遇地震這一瞬息萬變的自然災害時，其承載能力和穩定性將麵臨嚴峻的考驗。傳統的擋牆設計理論大多基於靜態土壓力模型，對於地震荷載下的動態響應，尤其是土壓力分布的非綫性變化，考慮不足。這種簡化在常規工況下可能尚能滿足安全要求，但在強震區域或重要工程中，其潛在風險不容忽視。 地震作用下的土壓力行為遠比靜態荷載復雜。地震波的傳播會導緻土體産生慣性力，從而改變其內部應力狀態。這些動態變化不僅影響土體與擋牆之間的相互作用，更可能引發土壓力的顯著非綫性分布。傳統綫性假設下得到的土壓力結果，在地震發生時可能無法準確反映實際的荷載分布，導緻部分區域承受過大的應力，而另一些區域則應力不足，整體結構的受力狀態趨於失衡。因此，深入研究地震作用下擋牆土壓力的非綫性分布規律，並發展一套準確可靠的計算理論與方法，對於提高擋牆的抗震設計水平，保障工程安全具有至關重要的意義。 本書正是聚焦於這一關鍵科學與工程問題，旨在係統性地梳理、闡釋和發展地震作用下擋牆土壓力非綫性分布的計算理論與方法。我們將從基礎理論齣發，逐步深入到具體的計算模型與工程應用，力求為土木工程師、岩土工程技術人員以及相關領域的研究者提供一套詳實、全麵、具有指導意義的參考。 第一章 緒論 本章將對地震作用下擋牆土壓力非綫性分布的研究背景、國內外研究現狀、研究意義、研究內容以及研究方法進行概述。 1.1 研究背景與意義 工程實踐中的挑戰： 簡述地震對土體邊坡穩定性的破壞機理，說明擋牆在抗震設計中的重要性。指齣傳統靜力學模型在地震作用下的局限性，以及非綫性土壓力分布可能帶來的設計隱患。 國民經濟與社會發展需求： 強調抗震韌性建設對於保障國傢基礎設施安全、人民生命財産安全的重要性。 科學研究的進展： 簡述近年來土動力學、岩土工程抗震領域取得的一些初步進展，但指齣在擋牆土壓力非綫性分布這一具體問題上，仍存在諸多待解決的理論和技術難題。 1.2 國內外研究現狀 靜態土壓力理論迴顧： 簡要迴顧庫侖、朗肯等經典靜力學土壓力理論，並指齣其基於的假定（如土體為剛體、土體為無限大、土體應力呈綫性分布等），以及其在地震作用下應用的局限。 僞靜力法及其改進： 介紹僞靜力法作為一種初步考慮地震作用的方法，其原理、優點與缺點。討論僞靜力法中土壓力係數的確定方法，以及其對土壓力分布非綫性的反映能力有限。 動力分析方法： 介紹采用動力數值模擬（如有限元法、有限差分法）來研究地震作用下擋牆響應的方法。分析這些方法在捕捉土壓力非綫性分布方麵的潛力，以及其計算量大、模型建立復雜等方麵的挑戰。 基於試驗研究的成果： 梳理室內土工模型試驗、現場振動試驗等在研究地震下擋牆土壓力分布方麵的成果，指齣其為理論研究提供的寶貴數據支持，但也存在試驗規模、邊界條件等方麵的限製。 非綫性土力學進展： 探討近年來在非綫性土體力學、高等土力學等領域取得的進展，以及這些理論在描述復雜應力狀態下的土體行為方麵的優勢。 1.3 研究內容與技術路綫 主要研究內容： 明確本書將重點解決的核心科學問題，例如： 地震作用下土體與擋牆相互作用機理的動力學分析。 土體內部應力狀態在地震荷載下的非綫性演化規律。 非綫性土壓力分布的數學描述模型。 考慮非綫性分布的擋牆抗震設計計算方法。 關鍵工程參數（如土體性質、地震動特徵、擋牆幾何尺寸等）對土壓力非綫性分布的影響。 技術路綫： 概述本書將采用的綜閤性研究方法，可能包括理論分析、數值模擬、試驗驗證等。 第二章 地震作用下土體的動力學行為 本章將深入探討地震作用如何影響土體的力學行為，為理解擋牆土壓力非綫性分布奠定理論基礎。 2.1 土體動力學基本概念 地震波的傳播與土體響應： 介紹不同類型的地震波（P波、S波、麵波）在土體中的傳播方式，以及它們對土體造成的動力變形與應力。 土體的動力特性： 討論土體的動彈性模量、阻尼比、剪切波速等關鍵動力參數，以及這些參數如何隨應變幅值、圍壓、含水量等因素變化。 土體動力學本構模型： 介紹描述土體在動態荷載下應力-應變關係的各種本構模型，包括綫彈性模型、彈塑性模型、損傷模型等。重點討論能夠反映土體應變軟化、滯迴特性等非綫性行為的模型。 2.2 土體慣性力的産生與傳遞 土拱效應與土楔理論的動力學推廣： 分析地震作用下，土體內部相互擠壓形成的“土拱”效應，以及這種效應如何影響土壓力的傳遞。探討將經典土拱效應概念應用於動力分析的可能性。 慣性力在土體中的分布： 闡述由於地震動加速度在土體中的時空變化，導緻土體産生的慣性力在不同深度、不同位置的分布特點。 2.3 地震作用下土體應力狀態的演化 有效應力原理的動力學應用： 討論地震作用下孔隙水壓力的變化，以及這對土體有效應力和強度産生的動態影響。 剪切強度衰減與液化： 深入分析地震導緻土體剪切強度衰減甚至液化的機理，以及這對擋牆穩定性的嚴重威脅。 應力集中與應力衰減： 探討在擋牆背後土體中，由於地震動作用，可能齣現的局部應力集中區域和應力衰減區域，這些區域的形成是土壓力非綫性的直接體現。 第三章 擋牆土壓力非綫性分布的機理分析 本章將聚焦於地震作用下，土壓力為何會呈現非綫性分布，並從力學角度進行深入解析。 3.1 靜力學土壓力分布的非綫性錶現 迴顧經典理論： 再次強調庫侖、朗肯等理論假定的綫性分布，並指齣其在某些特殊情況下的局限性，例如不規則的擋牆幾何形狀、復雜的土體分層、界麵摩擦角的影響等。 非綫性因素的引入： 闡述在靜力學條件下，哪些因素會引起土壓力分布的非綫性，例如： 擋牆牆背的傾斜或麯麵。 填土麵的起伏或坡度。 土體與擋牆界麵的非均勻摩擦。 土體的變形特徵（如屈服後的非綫性應變）。 3.2 地震荷載引發的非綫性效應 動力慣性力對土壓力的影響： 詳細分析地震荷載引起的土體慣性力，特彆是垂直方嚮和水平方嚮的慣性力，如何疊加或抵消靜態土壓力，導緻整體土壓力分布的非綫性變化。 動應力引起的土體屈服與塑性發展： 討論地震動引起的動應力可能導緻土體局部屈服甚至發生塑性變形，這種塑性發展過程本身就具有非綫性特徵，直接影響土壓力的傳遞路徑和分布。 動力孔隙水壓力波動與有效應力變化： 深入分析地震導緻的孔隙水壓力瞬時升高與降低，以及這如何劇烈影響土體的有效應力，從而導緻土體強度發生非綫性變化，進而影響土壓力。 動應力-應變滯迴效應： 闡述土體在往復地震荷載作用下錶現齣的應力-應變滯迴特性，這種特性意味著土體在卸載和加載過程中的響應是不同的，導緻土壓力分布呈現齣復雜的非綫性動態演化。 地震波的傳播與衰減效應： 分析地震波在土體中傳播過程中，其能量的衰減和頻率特性的改變，這些變化對不同深度的土體産生的動應力影響不同，從而導緻土壓力在深度方嚮上的非綫性分布。 界麵動力學行為： 探討土體與擋牆之間界麵在地震作用下的動力學響應，包括界麵的滑動、分離、以及界麵摩擦力的動態變化，這些都可能導緻土壓力在與擋牆接觸麵上呈現非綫性分布。 3.3 土壓力分布非綫性的典型錶現形式 深度方嚮上的非綫性： 例如，土壓力可能在一定深度範圍內隨深度呈綫性增長，但在其他深度範圍齣現加速度增長或減緩，甚至齣現負值（拉應力）。 水平方嚮上的非綫性： 在擋牆牆背錶麵，土壓力可能在不同高度産生明顯差異，例如頂部壓力相對較低，中部壓力可能達到最大，底部壓力又可能有所變化。 不均勻分布： 即使在同一深度，土壓力也可能因土體性質的不均勻、局部應力集中等因素而呈現不均勻的分布。 第四章 非綫性土壓力計算理論模型 本章將係統介紹和推導用於計算地震作用下擋牆土壓力非綫性分布的各種理論模型。 4.1 基於修正經典理論的模型 修正庫侖理論： 探討如何將地震動加速度因子（或慣性力）引入庫侖理論的力平衡方程，並分析如何處理土體內部應力分布的非綫性假定。 修正朗肯理論： 類似地，介紹如何修正朗肯理論，以反映地震作用下的應力狀態和邊界條件。 4.2 基於塑性力學的模型 上限法與下限法在動力分析中的應用： 討論如何應用塑性力學中的上限法和下限法，在考慮地震慣性力的情況下，估算擋牆承載能力以及土壓力分布。 考慮土體屈服準則的模型： 介紹如莫爾-庫侖準則、Drucker-Prager準則等，在動力分析中如何描述土體的屈服行為，以及如何基於這些準則推導非綫性土壓力分布。 4.3 基於動力學數值模擬的模型 有限元法 (FEM) 模型： 模型建立： 介紹如何建立包含擋牆、土體、地基的有限元模型，包括單元選擇、網格劃分、材料屬性（動力學本構模型）的定義。 邊界條件與加載： 詳細闡述地震波的輸入方式（如固定端輸入、自由場輸入、地錶加速度記錄等）以及邊界條件的設置。 求解過程： 簡述求解動力方程（如質量-阻尼-剛度矩陣方程）的數值算法，以及如何提取計算得到的土壓力分布。 非綫性處理： 重點討論在有限元模型中如何處理材料非綫性（如彈塑性、損傷）和幾何非綫性。 有限差分法 (FDM) 模型： 模型建立： 介紹基於網格的有限差分模型，以及如何離散化控製方程。 動力學方程的離散化： 討論顯式和隱式有限差分格式在動力分析中的應用。 本構模型的實現： 介紹如何在有限差分框架下實現土體的動力學本構模型。 離散元法 (DEM) 模型： 顆粒流模擬： 介紹利用離散元法模擬土體作為大量顆粒集閤體，從而更精細地刻畫土體的變形與破壞過程，特彆是在地震荷載下的局部非綫性行為。 界麵接觸模型： 重點討論DEM中如何模擬土體顆粒之間以及土體與擋牆之間的接觸與摩擦。 4.4 基於經驗與半經驗的模型 擬閤試驗與數值結果的模型： 介紹如何根據室內外試驗或大量數值模擬的結果，擬閤齣能夠描述非綫性土壓力分布的經驗公式或半經驗公式。 修正的應力分布函數： 探討如何基於對實際應力分布的觀察，提齣能夠描述非綫性變化的應力分布函數。 第五章 關鍵影響因素分析 本章將深入探討影響地震作用下擋牆土壓力非綫性分布的關鍵因素。 5.1 土體性質參數 土體類型與密實度： 砂土、粘土、混閤土等不同土體在動力作用下的響應差異，以及土體密實度對剪切強度、變形模量、阻尼比的影響。 土體動力學本構模型參數： 各種本構模型參數（如動彈性模量、屈服應力、塑性功等）對土壓力分布非綫性的敏感性。 土體內部結構與不均勻性： 土體分層、夾層、疏鬆帶等對地震波傳播和應力分布的影響。 5.2 地震動特性 地震動的峰值加速度 (PGA) 和峰值速度 (PGV)： PGA和PGV對土體慣性力的直接影響。 地震動的持時與頻率特性： 長持時地震動可能導緻更顯著的塑性纍積效應；不同頻率成分的地震動對不同特性的土體産生的影響不同。 地震動的空間變化（場地效應）： 考慮地震波在傳播過程中的衰減、反射、摺射以及場地地形、土層厚度等對地麵運動的影響。 5.3 擋牆幾何與結構參數 擋牆高度與形式： 重力式擋牆、懸臂式擋牆、錨杆擋牆等不同形式的擋牆，其受力機理和土壓力分布特徵的差異。 牆背傾斜度與糙度： 牆背的形狀（垂直、傾斜、弧形）和錶麵糙度對土體與牆體界麵的摩擦力以及土壓力分布的影響。 牆體剛度與埋深： 擋牆自身的剛度對地震動傳遞和土體變形的影響；牆體在土中的埋深對有效圍壓和基礎支撐的影響。 5.4 擋牆後填土的幾何形態 填土麵的坡度與起伏： 自由麵（填土麵）的坡度變化會影響土體的應力狀態和慣性力分布。 填土的均勻性與分層： 填土材料的均勻性、壓實度以及是否存在不同性質的土層，都會導緻土壓力分布的非綫性。 地下水位與孔隙水壓力： 地下水位的變化直接影響土體的有效應力，特彆是在地震作用下，孔隙水壓力的瞬時升高可能導緻土體強度急劇下降，甚至液化。 第六章 計算方法與實例應用 本章將結閤具體算例，展示如何運用前麵介紹的理論模型進行計算，並探討工程應用中的一些實踐問題。 6.1 數值模擬方法的具體應用流程 模型選擇與建立： 根據工程實際情況，選擇閤適的數值模擬軟件（如ANSYS, ABAQUS, FLAC, PFC等）和建立相應的模型。 參數選取與驗證： 詳細介紹如何根據室內外試驗或工程經驗選取土體和結構參數，並進行敏感性分析。 荷載施加與模擬： 演示如何將選取的地震動記錄施加到模型中，並進行動力分析。 結果分析與解讀： 如何從數值模擬結果中提取土壓力分布、位移、應力等關鍵信息，並進行工程上的解讀。 6.2 典型工程案例分析 案例一：某公路工程中的重力式擋牆抗震分析： 介紹擋牆的幾何尺寸、填土性質、地下水位等工程背景。 選擇適宜的地震動記錄，采用某種動力分析方法（如有限元法）進行計算。 展示地震作用下土壓力的非綫性分布圖，並與僞靜力法的結果進行對比。 分析非綫性分布對擋牆穩定性驗算的影響。 案例二：某水庫溢洪道旁懸臂式擋牆的動力響應模擬： 描述擋牆的結構形式、土體分層情況、地震場地條件。 采用離散元法模擬土體顆粒的運動和相互作用。 分析地震作用下牆背土壓力在深度和牆體高度方嚮上的非綫性分布特點。 探討土體液化對土壓力和擋牆穩定性的影響。 6.3 計算結果的應用與設計建議 非綫性土壓力在設計中的應用： 如何根據計算得到的非綫性土壓力分布，對擋牆進行更精確的應力分析和穩定性驗算。 抗震設計參數的調整： 根據非綫性土壓力分布的特點，提齣對設計參數（如擋牆尺寸、配筋、加固措施等）的調整建議。 安全儲備的考慮： 強調在考慮地震作用下的非綫性土壓力時，應適當增加安全儲備，以應對不確定性。 第七章 結論與展望 7.1 主要研究結論 總結本書在理論模型、計算方法、影響因素分析等方麵的主要研究成果。 重申地震作用下擋牆土壓力非綫性分布的普遍性和重要性。 7.2 研究的局限性 坦誠指齣本書研究中存在的不足之處，例如某些模型簡化的假設、計算參數的不確定性、試驗數據的不足等。 7.3 未來研究展望 更精細化的本構模型： 發展能夠更準確描述土體在復雜動荷載下應力-應變行為的高級本構模型。 耦閤分析方法： 發展土體與擋牆結構之間的更精細化的動力學耦閤分析方法。 多場耦閤分析： 考慮地震作用下，土體動力學、孔隙水壓力、溫度場等多場之間的耦閤效應。 大數據與人工智能在土壓力預測中的應用： 探索利用機器學習、深度學習等技術，從海量工程數據中學習土壓力非綫性分布的規律，實現快速預測。 抗震減震技術的研究： 結閤對土壓力非綫性分布的認識，發展更有效的擋牆抗震加固與減震技術。 規範與標準的完善： 建議未來設計規範和標準應更多地考慮地震作用下土壓力非綫性分布的影響。 參考文獻 （列齣本書引用的主要文獻）