基于PSO搜索潛在滑裂面非極限狀態土壓力計算

摘 要：作用于剛性擋土墻側土壓力的計算一直沿用經典的朗肯或庫侖土壓力理論，這兩種理論只能求得極限狀態的土壓力，而在許多實際情況下，擋土墻的土壓力處于非極限狀態.本文將潛在滑裂面視為一任意曲線，改進水平層分析法，同時基于摩擦角隨位移的變化關系，對平動模式下墻后填土進行分析，推導出非極限狀態下主動方向土壓力分布、合力大小及作用點的理論公式.以各薄層微元的滑裂面傾角為變量，利用PSO （粒子群算法）對潛在滑裂面進行搜索從而獲得土壓力最優解.分析了內摩擦角、剛性擋土墻位移量對非極限狀態主動方向土壓力分布、土壓力合力大小、土壓力合力作用點高度以及潛在滑裂面的影響.本文提出的計算方法得出的結果與試驗數據的大小及變化趨勢基本吻合，具有推廣應用價值.

關鍵詞：土壓力；非極限狀態；平動模式；水平層分析法；粒子群算法

中圖分類號：TU432 文獻標識碼：AComputation of Earth Pressure under Nonlimit State

作用于剛性擋土墻上的土壓力通常采用經典的朗肯或庫侖土壓力理論進行計算，但其計算的土壓力與實測結果間往往會存在較大差異已是巖土工程界的共識.這兩種理論只能求得極限狀態的土壓力，而在許多實際情況下，剛性擋土墻的位移量非常小，土壓力處于極限土壓力與靜止土壓力之間.為了更準確地進行擋土墻設計，有必要對非極限狀態時的土壓力計算進行研究.

Bang＼[1＼]認為土體從靜止狀態到極限狀態是一個漸變的過程，提出了中間主動狀態的概念，指出土壓力計算應同時考慮墻體變位模式和位移的大小.Fang，Ishibashi ＼[2＼]對不同變位模式下的土壓力進行了模型試驗研究，試驗表明擋土墻土壓力受墻體變位模式和位移大小的影響很大.Matsuzawa ＼[3＼]等對不同變位模式下的擋土墻主動土壓力進行了理論分析.蔣波等＼[4＼]改進了極限平衡理論，用于非極限狀態主動土壓力的研究，得到了平動變位模型下非極限狀態主動土壓力.徐日慶等＼[5＼]分析了最不利情況下墻后土楔的受力情況，得到考慮位移效應的非極限狀態土壓力計算公式.張永興等＼[6＼]分析墻后填土微分單元體，得到了墻背豎直、填土面水平的非極限土壓力理論公式.

已有的非極限狀態土壓力計算將滑裂面視為直線，而實際滑裂面為曲線.因此，本文對其作如下改進：1）將滑裂面視為一任意曲線，改進水平層分析法＼[7＼]，對平動模式下墻后填土進行分析，推導非極限狀態主動方向土壓力分布、合力大小及作用點的計算公式.2）引入粒子群優化算法＼[8＼]對潛在滑裂面進行搜索從而獲得非極限主動方向土壓力最優解，并進行實例分析以及參數分析.

1 公式推導

1.1 非極限狀態下摩擦角

由土體漸進破壞機理可知，當墻后土體處于非極限狀態時，只有部分土體進入極限狀態，假定非極限狀態時土體內存在一潛在滑裂面，并假定在該潛在滑裂面上土體的抗剪強度部分、均勻地發揮，以此替代不便于計算的滑裂面上土體抗剪強度不均勻發揮，非極限狀態下墻后填土的內摩擦角和墻土摩擦角分別用φm，δm表示，龔慈＼[9＼]根據Matsuzawa＼[3＼] 和Sherif等＼[10＼]試驗數據進行回歸分析，得到以下公式：

5 結 論

本文改進了水平層分析法，假定墻后填土潛在滑裂面為一任意曲線.根據摩擦角隨位移變化關系，對平動模式下墻后填土進行分析，推導出非極限狀態下主動方向土壓力分布、合力大小及作用點的理論公式.并且引入PSO優化算法對潛在滑裂面進行搜索，從而獲得非極限狀態土壓力的最優解.

分析了φ，η對計算結果的影響.隨著η值的變大，土壓力強度分布P逐漸減少；非極限狀態土壓力合力隨著φ和η的增大而減??；土壓力合力作用點介于墻高的0.36～0.38之間，都在墻高的1 /3 以上；搜索出的潛在裂面為一曲線滑裂面，隨著φ和η的增大，潛在滑裂面越靠近墻體，滑動體越小.

本文提出的理論計算方法得出的結果與試驗數據的大小及變化趨勢基本是一致的，對實際工程有參考應用價值.

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