基于临界加速度动态更新的黏性土中嵌入式悬臂挡土墙地震永久位移预测方法

针对传统Newmark滑块法不适用于预测嵌入式悬臂挡土墙地震位移的问题，本研究提出了一种考虑土体黏聚力与界面摩擦的动态临界加速度更新方法。通过建立运动方程结合闭合解计算土-墙接触应力，验证了该方法在离心试验和170组有限元模拟中的可靠性，为性能化抗震设计提供了实用工具。

　　

在地震频发的地区，嵌入式悬臂挡土墙的抗震设计一直面临重大挑战。传统伪静力法采用固定安全系数，往往导致过度保守的设计；而经典的Newmark滑块法虽然广泛应用于浅基础挡墙，却无法准确预测嵌入式结构的位移行为——这类墙体通常以绕嵌固段某点的刚性旋转为主要破坏模式，且在地震过程中会出现被动土压力重分布等复杂现象。更棘手的是，现有方法大多仅适用于无黏性土，对于兼具摩擦力和黏聚力(c')的土体缺乏有效解决方案。

为突破这些局限，研究人员开发了一种创新性的位移预测方法。该方法的核心在于动态更新临界加速度(k_c)，即当实测地震加速度超过当前临界值时触发墙体运动计算，而临界值本身会随地震进程逐步提高，直至达到极限平衡状态对应的k_c,max。这一机制通过闭合解实时计算土压力系数K_aE和K_pE，并构建了考虑黏聚力的净正应力分布模型。特别值得注意的是，该方法首次将Lancellotta(2012)提出的考虑竖向地震分量的土压力理论融入分析框架，尽管实际应用中通常忽略竖向分量以简化计算。

关键技术包括：1) 采用Hardening Soil本构模型进行170组有限元对比验证；2) 基于离心试验数据校准初始临界加速度；3) 通过运动方程求解墙体角加速度并积分得到累积位移。研究样本涵盖H=4-5.5m的混凝土墙，土体参数范围：c'=0-10kPa，φ'=18-33°，δ=2/3φ'。

【2. 提出的方法】
通过建立旋转运动方程(公式6)，引入墙体惯性矩I_o和重量W等参数，证明位移计算可简化为对不平衡力矩的时程积分。关键创新点在于：当k_h(t)>k_c时，主动土压力S_a采用当前地震系数计算，而嵌固段抗力T_Y则保持前一时刻的k_c值，这种"滞后更新"机制成功模拟了实验观察到的位移累积现象。

【3. 方法应用】
与Madabhushi和Zeng(2006)离心试验的对比显示，对于H=7.2m的无黏性土案例，预测位移与实测值误差<15%。有限元分析中，当H=4m、c'=6kPa时，位移时程曲线与PLAXIS结果高度吻合。公式(11)提供的修正项有效缩小了高墙体(H>5m)的预测偏差，使170组案例中83%的结果误差控制在20%以内。

【4. 结论】
该研究突破了传统方法的三大局限：首次实现黏性土中粗糙界面挡墙的位移预测；通过动态k_c更新机制反映地震累积效应；验证了增大嵌固深度D或界面摩擦角δ是最有效的减震措施。虽然未考虑剪切波速影响和复杂本构关系，但其仅需γ、c'、φ'等常规参数的特点，使其特别适合工程快速评估。未来研究可进一步耦合孔隙水压力模型以拓展至饱和土分析。

这项发表于《Soils and Foundations》的成果，为性能化抗震设计提供了兼具理论严谨性和工程实用性的新工具，尤其对高烈度区的深基坑支护设计具有重要指导价值。通过将复杂的土-结构动力相互作用简化为可操作的闭合解，该方法在精度与效率之间取得了突破性平衡。