一种考虑时程作用的桩板墙背土体地震土压力计算方法技术

本发明专利技术公开了一种考虑时程作用的桩板墙背土体地震土压力计算方法，其特征在于，包括如下步骤：S10、根据桩板墙后土体曲线滑裂面建立计算模型；S20、考虑滑动土楔体微分单元体的受力情况受斜坡面和曲线滑裂面的影响而发生变化，根据计算模型分0≤z≤H和H≤z≤H+L这两段来计算得到滑动土楔体的地震惯性力、重力；S30、基于能量耗散原理计算得到滑动土楔体的外力所做功率和滑动土楔体的内能耗散；S40、根据滑动土楔体的外力所作功率和内能耗散建立平衡方程；S50、根据平衡方程计算得到地震土压力时程；S60、根据地震土压力时程绘制时程曲线。本发明专利技术能探明能量在桩板墙加固边坡中的耗散、传递方式，弥补传统计算方法无法准确考虑地震过程中的动态过程的问题。地震过程中的动态过程的问题。地震过程中的动态过程的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑时程作用的桩板墙背土体地震土压力计算方法


[0001]本专利技术涉及土建
，特别是涉及一种考虑时程作用的桩板墙背土体地震土压力计算方法。

技术介绍

[0002]桩板墙因其抗滑能力好、桩位灵活、施工方便、抗震性能强，已大量应用于各类边坡。桩板墙埋入土体部分为嵌固段、地面上以部分为悬臂段，其特点是利用桩身强大的抗弯能力，以嵌固段为主要承力部分，维持在土压力作用下的稳定性。但目前关于该结构的抗震设计过于简单，设计时未考虑桩板墙的结构特点，且大多把地震作用考虑成惯性力，关于桩板墙在地震持续作用下土压力如何随时间变化的具体研究仍属空白，因此需要对桩板墙的地震土压力时程进行研究。
[0003]现有的关于桩板挡土墙在地震作用下所受土压力的计算方法包括：拟静力法、Newmark法等，但现有方法并未能准确考虑地震过程中的动态过程，而是将地震力考虑为静力，以静力的方法计算动力问题，与实际工程相差甚远。

技术实现思路

[0004]基于此，有必要提供一种考虑时程作用的桩板墙背土体地震土压力计算方法，该计算方法能探明能量在桩板墙加固边坡中的耗散、传递方式，弥补传统计算方法无法准确考虑地震过程中的动态过程的问题，且理论条件充分，计算合理，符合实际工程情况，可以更加准确的服务于高烈度区桩板结构加固边坡的设计。
[0005]为实现本专利技术的目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0006]一种考虑时程作用的桩板墙背土体地震土压力计算方法，包括如下步骤：
[0007]S10、根据桩板墙后土体曲线滑裂面建立计算模型：将土体和基岩交界处的曲线滑裂面简化为一摆线，以摆线的最高点为原点建立二维坐标系X0Y，根据微分单元体受力分析，得到计算模型中摆线的切线斜率tanω的表达式：
[0008][0009][0010]其中，ω表示摆线上一点处的切线与水平方向所成的夹角，x和y均表示曲线滑裂面的方程，θ表示生成摆线的圆的半径所经过的弧度，R表示土体作用在曲线滑裂面上的反力；
[0011]S20、利用桩板墙理论分析模型，设定桩板墙后填土产生曲线滑裂面，考虑滑动土楔体微分单元体的受力情况受斜坡面和曲线滑裂面的影响而发生变化，根据计算模型分0
≤z≤H和H≤z≤H+L这两段来计算得到滑动土楔体的地震惯性力、重力，z表示曲线滑裂面上任意一点的深度，H为桩板墙的顶端至坐标原点的竖直距离，L表示桩板墙的竖直长度，h表示桩板墙的悬臂段的竖直长度；
[0012]S30、根据地震惯性力、重力以及桩板墙对滑动土楔体的支护抗力，基于能量耗散原理计算得到滑动土楔体的外力所做功率，并基于能量耗散原理利用土体的黏聚力和内摩擦角计算得到滑动土楔体的内能耗散，其中，滑动土楔体的外力所做功率和滑动土楔体的内能耗散也均是分0≤z≤H和H≤z≤H+L这两段来计算；
[0013]1)基于能量耗散外力所做功率的计算当0≤z≤H时，
[0014][0015][0016][0017][0018]此时滑动土楔体的外力所做功率：
[0019][0020]当H≤z≤H+L时，
[0021][0022][0023][0024][0025]此时滑动土楔体的外力所做功率：
[0026][0027]上式中，ν表示微分单元体在曲线滑裂面上某一点的应变速率；θ'表示任取的微分单元体在曲线滑裂面上对应的旋转角；δ表示竖直桩板墙背法线角；q
sh
表示微分体单元所受的水平地震惯性力，z表示曲线滑裂面上任意一点的深度，dz表示曲线滑裂面上任意一点处微元体的厚度，R表示土体作用在曲线滑裂面上的反力，γ
s
表示滑动土楔体的重度，θ
a
表示摆线通过墙趾的旋转角度，a0表示输入波的基地加速度幅值，f
s
表示填土的地震加速度放大系数，f表示桩板墙对滑动土楔体的支护抗力，h表示桩板墙的悬臂段的竖直长度；
[0028]2)基于能量耗散原理滑动土楔体的内能耗散计算
[0029]基于能量耗散原理计算得到滑动土楔体的内能耗散Q
″
的计算表达式如下：
[0030][0031][0032][0033]其中，Q
c
表示土体的摩擦力引起的内能耗散，Q
f
表示土体的黏聚力引起的内能耗散，m
z
g表示微分单元所受的重力，ν表示微分单元体在曲线滑动面上某点的应变速率，δ表示竖直桩板墙背法线角，表示内摩擦角，θ'表示任取的微分单元体在曲线滑裂面上对应的旋转角，f表示桩板墙对滑动土楔体的支护抗力，q
sh
表示微分体单元所受的水平地震惯性力，c
s
表示土体粘聚力，R表示土体作用在曲线滑裂面上的反力；
[0034]S40、根据滑动土楔体的外力所作功率和内能耗散建立平衡方程；
[0035]S50、根据平衡方程计算得到地震土压力时程；
[0036]S60、根据地震土压力时程绘制时程曲线，完成对重力式桩板墙地震土压力的计算。
[0037]在其中一实施例中，在步骤S20中，滑动土楔体的重力W表达式如下：
[0038]当0≤z≤H时，即桩板墙以上任一深度z处的微分单元体，该范围内滑动土楔体W(z)的重力表达式为：
[0039][0040]当H≤z≤H+L时，即桩板墙的顶端到桩板墙的底端处所对应的微分单元，该范围内滑动土楔体W(z)的重力表达式为：
[0041][0042]其中，γ
s
表示滑动土楔体的重度，θ
a
表示摆线通过墙趾的旋转角度，z表示曲线滑裂面上任意一点的深度，dz表示曲线滑裂面上任意一点处微元体的厚度，R表示土体作用在曲线滑裂面上的反力，θ'表示任取的微分单元体在曲线滑裂面上对应的旋转角，a表示斜坡端点A到坐标原点O的距离。
[0043]在其中一实施例中，在步骤S20中，滑动土楔体的地震惯性力q
sh
的计算表达式如下：
[0044]当0≤z≤H时，
[0045][0046]当H≤z≤H+L时，
[0047][0048]其中，a0表示输入波的基地加速度幅值，g表示重力加速度，f
s
表示填土的地震加速度放大系数，γ
s
表示滑动土楔体的重度，θ
a
表示摆线通过墙趾的旋转角度，z表示曲线滑裂面上任意一点的深度，dz表示曲线滑裂面上任意一点处微元体的厚度；R表示土体作用在曲线滑裂面上的反力，θ'表示任取的微分单元体在曲线滑裂面上对应的旋转角，a表示斜坡端点A到坐标原点O的距离，H为桩板墙的顶端至坐标原点O的竖直距离，h表示桩板墙的悬臂段的竖直长度。
[0049]在其中一实施例中，在步骤S40中，地震作用下桩板墙加固边坡的功率平衡方程表
达式如下：
[0050]当0≤z≤H时，
[0051][0052]当H≤z≤H+L时，
[0053][0054]其中，c
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑时程作用的桩板墙背土体地震土压力计算方法，其特征在于，包括如下步骤：S10、根据桩板墙后土体曲线滑裂面建立计算模型：将土体和基岩交界处的曲线滑裂面简化为一摆线，以摆线的最高点为原点建立二维坐标系X0Y，根据微分单元体受力分析，得到计算模型中摆线的切线斜率tanω的表达式：率tanω的表达式：其中，ω表示摆线上一点处的切线与水平方向所成的夹角，x和y均表示曲线滑裂面的方程，θ表示生成摆线的圆的半径所经过的弧度，R表示土体作用在曲线滑裂面上的反力；S20、利用桩板墙理论分析模型，设定桩板墙后填土产生曲线滑裂面，考虑滑动土楔体微分单元体的受力情况受斜坡面和曲线滑裂面的影响而发生变化，根据计算模型分0≤z≤H和H≤z≤H+L这两段来计算得到滑动土楔体的地震惯性力、重力，其中，z表示曲线滑裂面上任意一点的深度，H为桩板墙的顶端至坐标原点的竖直距离，L表示桩板墙的竖直长度，h表示桩板墙的悬臂段的竖直长度；S30、根据地震惯性力、重力以及桩板墙对滑动土楔体的支护抗力，基于能量耗散原理计算得到滑动土楔体的外力所做功率，并基于能量耗散原理利用土体的黏聚力和内摩擦角计算得到滑动土楔体的内能耗散，其中，滑动土楔体的外力所做功率和滑动土楔体的内能耗散也均是分0≤z≤H和H≤z≤H+L这两段来计算；1)基于能量耗散外力所做功率的计算当0≤z≤H时，当0≤z≤H时，当0≤z≤H时，当0≤z≤H时，此时滑动土楔体的外力所做功率：
当H≤z≤H+L时，当H≤z≤H+L时，当H≤z≤H+L时，当H≤z≤H+L时，此时滑动土楔体的外力所做功率：上式中，ν表示微分单元体在曲线滑裂面上某一点的应变速率；θ'表示任取的微分单元体在曲线滑裂面上对应的旋转角；δ表示竖直桩板墙背法线角；q
sh
表示微分体单元所受的水平地震惯性力，z表示曲线滑裂面上任意一点的深度，dz表示曲线滑裂面上任意一点处微元体的厚度，R表示土体作用在曲线滑裂面上的反力，γ
s
表示滑动土楔体的重度，θ
a
表示摆线
通过墙趾的旋转角度，a0表示输入波的基地加速度幅值，f
s
表示填土的地震加速度放大系数，f表示桩板墙对滑动土楔体的支护抗力，h表示桩板墙的悬臂段的竖直长度；2)基于能量耗散原理滑动土楔体的内能耗散计算基于能量耗散原理计算得到滑动土楔体的内能耗散Q”的计算表达式如下：的计算表达式如下：的计算表达式如下：其中，Q
c
表示土体的摩擦力引起的内能耗散，Q
f
表示土体的黏聚力引起的内能耗散，m
z
g表示微分单元所受的重力，ν表示微分单元体在曲线滑动面上某点的应变速率，δ表示竖直桩板墙背法线角，表示内摩擦角，θ'表示任取的微分单元体在曲线滑裂面上对应的旋转角，f表示桩板墙对滑动土楔体的支护抗力，q
sh
表示微分体单元所受的水平地震惯性力，c
s
表示土体粘聚力，R表示土体作用在曲线滑裂面上的反力；S40、根据滑动土楔体的外力所作功率和内能耗散建立平衡方程；S50、根据平衡方程计算得到地震土压力时程；S60、根据地震土压力时程绘制时程曲线，完成对重力式桩板墙地震土压力的计算。2.根据权利要求1所述的一种考虑时程作用的桩板墙背土体地震土压力计算方法，其特征在于，在步骤S20中，滑动土楔体的重力W表达式如下：当0≤z≤H时，即桩板墙以上任一深度z处的微分单元体，该范围内滑动土楔体W(z)的重力表达式为：当H≤z≤H+L时，即桩板墙的顶端到桩板墙的底端处所对应的微分单元，该范围内滑动土楔体W(z)的重力表达式为：其中，γ
s
表示滑动土楔体的重度，θ
a
表示摆线通过墙趾的旋转角度，z表示曲线滑裂面上任意一点的深度，dz表示曲线滑裂面上任意一点处微元体的厚度，R表示土体作用在曲线滑裂面上的反力，θ'表示任取的微分单元体在曲线滑裂面上对应的旋转角，a表示斜坡端点A到坐...

【专利技术属性】
技术研发人员：曲宏略，朱梦佳，邓媛媛，董望旺，何云勇，刘自强，蔡永灵，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：