窄填土被动土压力计算方法、装置及电子设备及存储介质与流程

本发明实施例涉及窄填土地震被动土压力分析，具体涉及一种窄填土被动土压力计算方法、装置、电子设备及存储介质。

背景技术：

1、在地震工程中，了解土壤在地震荷载下的响应至关重要。其中，窄填土地震被动土压力是指填土在地震作用下对支撑结构所产生的横向土压力，被动土压力的评估是挡墙设计的重要课题。

2、传统的土动力学计算方法常常忽略了地震作用下土体渗流的影响。目前，传统的地震工程计算方法多基于一些简化假设，例如忽略土体非饱和渗流和竖向地震土压力系数等。新型计算方法的出现，使工程师能够更准确地评估窄填土地震被动土压力，以往的研究大多假设填土完全干燥或者饱和，而未考虑降雨入渗和蒸发引起的变化，具体如下：

3、1.目前讨论基质吸力对非饱和土抗剪强度影响的理论主要分为两种。一种是fredlund等提出的基于有效法向应力和基质吸力的双应力状态变量的摩尔库伦修正式；另一个模型是bishop提出的有效应力公式的广义形式。二者的区别在于，前者采用有效应力参数χ表征基质吸力对抗剪强度的贡献，后者利用吸力角φb考虑基质吸力的影响。然而，使用有效应力参数χ只能对基质吸力大小进行修正，却没有明确的物理意义。(有效应力，是指土壤在荷载作用下，通过粒间接触面传递的平均法向应力，又叫粒间应力，会引起土体的变形和决定土的抗剪强度。土体的有效应力越大，其抗剪强度也越大。)

4、2.通过rankine方法和coulomb理论预测有限土体土压力，然而，二者只能得到被动土压力关于深度的线性解。目前有两种土压力计算方法，一种是水平薄层单元法，另一种是滑动土楔法。水平薄层单元法能够能够反应土拱效应对土压力计算的影响，并反映土压力非线性分布特征，但它为了简化计算，忽略了应力非均布和层间剪应力的影响。

5、4.现有dem和fem方法能够计算出挡墙土压力和破坏模式，但调整材料的参数和划分网格往往需要耗费大量的时间。

6、因此，如何计算地震场-非饱和渗流多场耦合作用下的窄填土地震被动土压力，并考虑在施工过程中降雨和蒸发导致的非饱和区基质吸力的变化，减少边坡工程和支护结构破坏的风险，显得尤为必要。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的不足，本发明实施例的目的在于提供一种窄填土被动土压力计算方法、装置、电子设备及存储介质，考虑了在施工过程中降雨和蒸发导致的非饱和区基质吸力的变化，提供了一种计算简单的地震场-非饱和渗流多场耦合作用下的窄填土地震被动土压力的方法。

2、为解决上述问题，本发明实施例第一方面公开一种窄填土被动土压力计算方法，其包括以下步骤：

3、通过有限元极限分析方法模拟非饱和渗流下窄填土在被动土压力下的破坏，得到窄填土在被动土压力下的直线滑裂面；

4、根据所述直线滑裂面将有限填土进行土体划分，得到第一土体区域和第二土体区域；

5、选取第一土体区域中第一薄层单元，通过静力平衡方程式推导出第一被动土压力模型，根据所述第一被动土压力模型得到第一合力和第一倾覆力矩；

6、选取第二土体区域中第二薄层单元，第二薄层单元为某一倾斜薄层单元，根据静力平衡条件推导出第二被动土压力模型，根据所述第二被动土压力模型得到第二合力和第二倾覆力矩；

7、根据所述第一合力和第一倾覆力矩，以及第二合力和第二倾覆力矩，得到土体的土压力合力作用点高度。

8、作为可选的方案，在本发明实施例的第一方面中，所述通过有限元极限分析方法模拟非饱和渗流下窄填土在被动土压力下的破坏，得到窄填土在被动土压力下的直线滑裂面，包括：

9、获取待分析窄填土区域的地形数据集和地质数据集；

10、根据所述地形数据集和所述地质数据集进行三维建模，得到地质模型；

11、采用有限元极限分析方法，对所述地质模型进行模拟分析，得到非饱和渗流下窄填土在被动土压力下的破坏模式，以及所述破坏模式对应的直线滑裂面。

12、作为可选的方案，在本发明实施例的第一方面中，所述第一合力和第一倾覆力矩满足以下公式：

13、σw1＝c1t1e-g1y+g3；

14、

15、

16、

17、

18、其中，σw1为第一被动土压力强度，ep1为第一合力，m1为第一倾覆力矩。其中，c1为待定系数；g1～g5为特征参数；t1为主应力偏转角特征参数；c’为有效黏聚力；ca为墙土黏附力；为有效内摩擦角；q为墙顶超载，h1为第一土体区高度，h为整个土体区高度，y为第一薄层单元距墙顶高度。

19、作为可选的方案，在本发明实施例的第一方面中，所述土体的土压力合力作用点高度满足以下公式：

20、

21、其中，hp为土压力合力作用点高度，ep1为第一合力，m1为第一倾覆力矩，ep2为第二合力，m2为第二倾覆力矩。

22、作为可选的方案，在本发明实施例的第一方面中，所述第二合力和第二倾覆力矩满足以下公式：

23、σw3＝c2t2(h2-z)λ1-λ4(h2-z)+λ5；

24、

25、

26、

27、其中，σw3为第二被动土压力强度，c2为待定系数，λ1,λ4,λ5为待定系数，β为滑裂面倾角，h2为第二土体区高度，ep2为第二合力，m2为第二倾覆力矩，t2为主应力偏转角特征参数，b/h为宽高比，z为第二薄层单元距离水平划分线的高度。

28、作为可选的方案，在本发明实施例的第一方面中，所述选取第一土体区域中第一薄层单元，通过静力平衡方程式推导出第一被动土压力模型，根据所述第一被动土压力模型得到第一合力和第一倾覆力矩；

29、选取第二土体区域中第二薄层单元，第二薄层单元为某一倾斜薄层单元，根据静力平衡条件推导出第二被动土压力模型，根据所述第二被动土压力模型得到第二合力和第二倾覆力矩，包括：

30、选取第一土体区域中距墙顶深度为y处厚度为dy的薄层单元体，对所述薄层单元体进行静力平衡分析，根据静力平衡方程式得到对应第一土体区域的第一控制方程式，建立关于主应力的微分方程式，根据第一控制方程式和所述微分方程式得到关于第一合力和第一倾覆力矩的方程式；

31、在距第二区顶面深度为z的位置处取微分，得到倾斜薄层单元，设定三角形区土体薄层单元的几何参数，建立所述倾斜薄层单元在水平和竖直方向上的水平合力方程式和竖直合力方程式，根据所述水平合力方程式和竖直合力方程式得到第二土体区域的第二控制方程式，根据所述第二控制方程式得到第二合力和第二倾覆力矩得到关于第二合力和第二倾覆力矩的方程式。

32、作为可选的方案，在本发明实施例的第一方面中，所述根据所述直线滑裂面将有限填土进行土体划分，得到第一土体区域和第二土体区域，包括：

33、获取挡墙向土体平移并达到被动极限状态时生成的直线型土体滑裂面，根据所述直线型土体滑裂面与室外墙的交点，将有限填土的土体划分为第一土体区域和第二土体区域。

34、本发明实施例第二方面公开了一种窄填土被动土压力计算装置，其包括：

35、模拟单元，用于通过有限元极限分析方法模拟非饱和渗流下窄填土在被动土压力下的破坏，得到窄填土在被动土压力下的直线滑裂面；

36、划分单元，用于根据所述直线滑裂面将有限填土进行土体划分，得到第一土体区域和第二土体区域；

37、第一被动土压力单元，用于选取第一土体区域中第一薄层单元，通过静力平衡方程式推导出第一被动土压力模型，根据所述第一被动土压力模型得到第一合力和第一倾覆力矩；

38、第二被动土压力单元，用于选取第二土体区域中第二薄层单元，第二薄层单元为某一倾斜薄层单元，根据静力平衡条件推导出第二被动土压力模型，根据所述第二被动土压力模型得到第二合力和第二倾覆力矩；

39、合成单元，用于根据所述第一合力和第一倾覆力矩，以及第二合力和第二倾覆力矩，得到土体的土压力合力作用点高度。

40、本发明实施例第三方面公开一种电子设备，包括：存储有可执行程序代码的存储器；与所述存储器耦合的处理器；所述处理器调用所述存储器中存储的所述可执行程序代码，用于执行本发明实施例第一方面公开的一种窄填土被动土压力计算方法。

41、本发明实施例第四方面公开一种计算机可读存储介质，其存储计算机程序，其中，所述计算机程序使得计算机执行本发明实施例第一方面公开的一种窄填土被动土压力计算方法。

42、本发明实施例第五方面公开一种计算机程序产品，当所述计算机程序产品在计算机上运行时，使得所述计算机执行本发明实施例第一方面公开的一种窄填土被动土压力计算方法。

43、本发明实施例第六方面公开一种应用发布平台，所述应用发布平台用于发布计算机程序产品，其中，当所述计算机程序产品在计算机上运行时，使得所述计算机执行本发明实施例第一方面公开的一种窄填土被动土压力计算方法。

44、与现有技术相比，本发明实施例的有益效果在于：

45、1、本发明方法通过将有限填土划分为上下两个区域参与计算，并采用fela计算为土压力推导中的直线滑裂面假设提供支撑，结合有效应力和吸力应力，采用基于简化主应力迹线分层方法，提出了一种一维稳定渗流下窄填土的地震被动土压力的分析方法，且计算简单。

46、2、本发明方法直接将吸力应力引入有效应力当中，避免了传统方法中使用有效应力参数χ只能对基质吸力大小进行修正，却没有明确的物理意义等理论缺陷，本发明方法不用引入抗剪强度准则和其他参数，简化了计算。

47、3、本发明方法考虑了地震场-非饱和渗流场的耦合效应，填补了传统方法中常常采用简化假设的不足，能准确评估窄填土地震的被动土压力情况，从而指导工程设计和实施，提高了工程的稳定性和安全性。