悬臂式抗滑桩三维土拱效应研究

依据悬臂式抗滑桩的受力特点,研究了桩间土拱效应的形成机理。相比埋入式抗滑桩,悬臂式抗滑桩桩间土拱按其作用形式可分为水平拱、竖向拱及临空面拱,其中水平拱效应对桩间土的稳定起主控作用。考虑到桩间土稳定的前提下桩后土压力将完全由桩身承担,建议采用σx突变效应替代常用的桩一土承载比衡量桩间土拱效应的发挥程度。通过建立悬臂式抗滑桩的三维有限元模型,对比了悬臂式抗滑桩三维分析与二维分析结果的差异,并指出悬臂桩土拱效应极具空间特性,不宜忽略自重应力的影响。继而重点研究了悬臂高度、桩间距、桩正截面宽度、附加荷载及土体抗剪强度对桩间土拱效应的影响。     

抗滑桩桩后土拱效应特征的三维数值研究

通过对抗滑桩桩后土拱效应的三维数值模拟分析,发现在抗滑桩桩后和桩间土体中存在两种不同作用机理的应力拱,抗滑桩桩后土拱效应随着深度的增加而增强,不同性质的土体土拱具有不同的形状。经过对抗滑桩桩后土拱效应影响因素的分析表明,抗滑桩桩后外载荷大小、桩间距、土体内摩擦角、黏聚力、土体与桩体的相对刚度的大小、土体的泊松比、桩土接触面性状等对土拱效应有不同程度的影响。     

抗滑桩嵌固段桩前被动土拱形成机理

抗滑桩是滑坡治理的主要手段之一,嵌固段桩前被动土拱效应对抗滑桩承载力具有重要影响。为了对桩前被动土拱效应几何形态及桩间距的影响规律进行研究,采用平面应变有限元模型对不同桩间距的抗滑桩与桩前土相互作用进行模拟分析,提出了一种具有明确物理意义的土拱厚度的确定方法。通过搜寻土体中σ_xm(桩间土体中心截面处最大σ_x值)等值点的分布规律,拟合了土拱轴线的描述方程。讨论了桩间距对土拱的矢高、厚度的影响规律。通过与单桩计算结果的对比,提出了确定邻桩对桩前土影响范围的方法,进一步证明桩前土拱的存在。结果显示,随着桩身位移增加,桩前土体内主应力方向发生偏转,逐渐形成桩前被动土拱;桩间距为桩宽的2.5~4.5倍时出现被动土拱,3~4倍时土拱效应最明显,土拱厚度和矢高随桩间距线性增加;桩前被动土拱增加了相邻抗滑桩间相互作用范围。研究结果为抗滑桩桩前土受力及承载力研究提供了新思路,对工程实际具有一定参考价值。     

悬臂式抗滑桩桩前被动土拱效应研究

基于1∶10的抗滑桩与土体相互作用模型试验,对悬臂式抗滑桩桩前被动区土体的成拱效应趋势做了初步探讨,利用ANSYS对悬臂式抗滑桩桩前被动土拱效应的形成过程及其影响因素进行数值分析,研究了桩身水平位移、桩间距、土体黏聚力和内摩擦角等因素对被动土拱效应的影响。结果表明:相邻两桩桩前一定范围内土体中会产生被动土拱效应,且随着桩身水平位移的增加和沿桩深度的减小,被动土拱效应增强,土拱范围变大;随着桩间距的增加,被动土拱效应减弱,土拱形态先变陡峭而后逐渐变平缓;土体黏聚力与被动土拱效应呈正相关关系,而土体内摩擦角对被动土拱效应的影响较小。     

桩间土拱空间演变机理与构造柱支护应用研究

运用数值模拟方法对支护桩桩间土拱效应机理进了研究,结果表明:土拱效应存在"成拱—稳定—失效—再成拱"的演变过程.其中第一阶段土拱支撑依赖于桩-土相互作用,第二阶段土拱主要靠连拱效应稳定.桩间土土体参数和荷载作用对土拱演变过程有明显影响,土拱矢跨比及拱厚均随黏聚力或内摩擦角的增大而变小,随荷载的递增而增大.基于土拱空间演变机理,提出了桩间土构造柱应用技术,分析了最大主应力、水平应力及Mises分布规律,结果表明构造柱可以稳定拱前自由区的独立土柱,分担土拱的荷载,限制应力绕流现象,加强楔紧效应,改善土拱受荷工况.     

桩间土拱效应离心模型试验研究

抗滑桩的合理桩间距是设计中的关键参数之一。本文通过桩间净距分别为4 d、5d和6 d的粘性土抗滑桩离心模型试验,分析了桩间土拱形态变化及破坏状态。试验结果表明,桩间距较大时,土拱曲线形状趋于平缓,土拱矢高较小,土拱的受力趋于梁的受力,难以形成稳定的土拱;桩间距较小时,土拱矢高较大,土拱的受力呈现受压的特征,容易形成稳定的土拱,即随着桩间距的增大,土拱效应减弱。同时从理论上分析了不同桩间距土拱的破坏图式,提出粘土中合理桩间净距为桩径的4倍左右,该结论对抗滑桩的设计具有一定的参考意义。     

刚性桩复合地基桩间土拱效应分析及桩土应力比计算

通过分析刚性桩复合地基桩土相互作用机理,对桩间土拱效应及中性面上桩土应力比进行了研究。刚性桩复合地基工作时,桩间土满足竖向成拱的条件,在桩体中性面上形成竖向三维土拱,其承担的部分荷载通过三维土拱传递至桩体,桩土应力比在中性面上达到最大。通过对桩间三维土拱进行力学分析和计算,得到桩间土通过土拱传递至桩体的荷载表达式,并推导出刚性桩中性面上桩土应力比的计算公式。研究表明,中性面上桩土应力比与土体内摩擦角、黏聚力、桩土摩擦角、桩径、桩长、桩侧摩阻力等参数成正比,与桩间距成反比。计算公式经工程实例验证,有较好的吻合性。     

桩间三维土拱效应颗粒流数值模拟及其演化规律

抗滑桩桩间形成的土拱是水平土拱和竖向摩擦拱的共同体现,具有明显的三维特征。利用颗粒流分析软件PFC~(3D)建立数值模型,在桩后不同高度处及同一水平面不同位置设置一系列测量球,监测桩后土体应力变化情况。结合颗粒位移变化情况对抗滑桩桩间三维土拱效应的形成演化进行分析,并对土拱厚度的演化规律做了深入研究,提出结合相对位移和最大主应力等值线综合确定土拱厚度的新方法。分析表明:桩后土拱由桩间临空面靠近桩底开始并不断向土体内部和上部发展,土拱的破坏过程由桩底向桩顶扩展;土拱厚度随深度变化表现为沿桩底向桩顶先增加后减小的趋势;土拱厚度随时间的变化表现为随着加载时间增加,土拱厚度先增加后减小直至土拱破坏。     

变刚度悬臂式双排抗滑桩水平推桩模型试验研究

双排抗滑桩常用于加固大型滑坡,其中悬臂式双排抗滑桩由于施工便利,受到工程界广泛重视。已有研究表明,后排桩承受的滑坡推力大于前排桩,是困扰设计的重要问题。文章借鉴变刚度调平设计原理,通过改变前后排桩间距实现前后排桩刚度的调整,设计了变刚度悬臂式双排抗滑桩支护形式,并进行了室内水平推桩模型试验,得到桩顶及坡顶位移、桩身弯矩以及滑体内土压力分布。结果表明：水平推桩模式下,桩顶位移和桩身弯矩随荷载增大而增大,模型边坡沿着滑动面破坏,根据桩顶的荷载-位移曲线,双排桩在推力作用下的发展过程被划分为三个阶段;适度增大前排桩的桩间距并不会明显降低双排抗滑桩的临界荷载;采用变刚度调平设计悬臂式双排抗滑桩,前排作用被充分调动,前后排最大弯矩差值变小;双排抗滑桩存在明显的三维土拱效应,在推力方向上被划分为后排桩后土拱效应、桩排间土拱效应、前排桩前土拱效应,在深度方向上,滑体中部土拱效应与滑体下部有所不同;适度扩大前排桩的间距,桩排间土体保持稳定,未见土体绕流现象,桩排间土拱效应作用明显。     

挂板式斜插桩板墙结构的桩间土拱效应分析

为研究不同桩间距变化对挂板式斜插式桩板墙受力机理的影响,采用ABAQUS有限元软件对5组不同桩间距下的挂板式斜插桩板墙模型墙后土压力、结构受力、桩间土拱效应、土拱强度随深度的变化趋势等进行了模拟分析。结果表明:由于挡土板倾斜和桩间土拱效应等的影响,挂板式斜插桩板墙墙后土压力分布模式与传统朗肯土压力明显不同,具体表现为桩后土压力大于朗肯主动土压力、斜插板后土压力小于朗肯主动土压力,呈锯齿状变化;斜插桩板墙桩结构受力随悬臂段增加迅速递增,板结构受力随悬臂段先增加后减小,随桩间净距加大,斜插板结构受力增加速度远大于桩。此外,土拱强度随悬臂深度的增加先增大后迅速减小,随桩间净距的增大整体上呈现减弱趋势。为尽可能充分利用土拱作用,建议合理桩间净距取3~4倍桩截面宽度。     

桩承式路堤中的静动力土拱效应

为了从更深层次理解土拱效应的工作性状,在总结桩承式路堤土拱效应中等沉面、桩体荷载分担比等问题的基础上,比较了几种桩体荷载分担比的计算方法,阐述了动荷载在桩承式路堤中的传递机理,分析了土拱效应发挥程度对动应力的影响,最后给出桩承式路堤中动应力的计算方法。研究结果表明:等沉面与土拱高度可用临界填土高度进行归一化描述,临界填土高度与桩间净距呈线性关系;桩体荷载分担比的大小与工况有关,几种计算方法有各自的适用条件;陈云敏的计算方法与实测值拟合度较高;动荷载的传递也受土拱效应的影响,随着动荷载循环次数的增加,土拱效应存在先强化后弱化的现象。     

地震作用下桩间挡土构件主动土压力极限分析方法

地震作用下抗滑桩或支护桩之间挡土构件的土压力计算是工程技术人员面对的难题之一。根据一系列试验现象归纳出的桩间土体滑塌面特点,建立了桩间挡土构件后侧土体局部失稳的三维滑动楔形体模型。通过计算三维失稳机构的内部能量耗损率和外荷载功率,根据极限分析上限定理建立了能够考虑地震作用的桩间挡土构件主动土压力解析计算方法。将桩间挡土构件土压力计算结果与等尺寸刚性挡墙土压力对比发现,基于三维楔形体模型得到的挡土构件主动土压力小于采用平面应变模型的挡墙主动土压力。通过分析多个水平和竖直地震加速度组合对应的桩间挡土构件主动土压力发现,水平地震加速度与竖直地震加速度对桩间挡土构件主动土压力均有明显影响,同时考虑双向地震作用得到的挡土构件主动土压力大于单独考虑水平或竖直地震作用时的挡土构件主动土压力。     

悬臂桩桩间有效卸荷区研究

根据悬臂桩的传力特征,研究了其桩间土拱效应的形成机理。按其在空间坐标系的位置,将桩间土拱分为水平拱、竖向拱及临空面拱,指出水平拱效应对卸荷区分布规律起主控作用,继而定义了有效卸荷区范围。从分析桩间土拱效应破坏模式入手,结合岩土强度理论及土拱静力平衡原理,建立了考虑桩间土自重应力及滑坡推力的卸荷区计算模型。基于该模型对滑体强度与临界高度及卸荷区矢高的关系作了一定研究,探讨了几种典型桩背土压力分布模式对卸荷区分布范围的影响。最后采用一工程实例对该模型进行验证。     

土拱效应和渗流作用刚性挡墙主动水土压力研究

 假定小主应力迹线为抛物线,分析刚性挡墙后土拱效应,推导土拱效应作用下刚性挡墙主动水土压力系数和水平微分单元层间系数。建立二维Laplace方程分析墙后持续暴雨作用形成的稳定渗流场。在土拱效应和渗流作用分析基础上,提出土拱效应和渗流作用下主动水土压力计算模型,推导主动水土合力、合力作用点计算公式,给出实用主动水土压力系数。研究分析表明：理论计算结果与实测结果吻合较好;土拱效应和稳定渗流作用下水土压力成非线性分布,合力增大,合力作用点位置上移。工程实践中,应当重视持续暴雨期间的土拱效应和渗流作用对刚性挡墙的稳定不利影响。实用主动水土压力系数方法为持续暴雨作用下挡墙主动水土压力计算提供简化实用方法。     

挡土墙土压力研究的错误倾向

针对目前挡土墙土压力研究的错误舆论倾向和学术影响普遍问题,以澄清挡土墙土场中土拱及土拱效应基本力学概念为切入点,剖析沿主应力轨迹线建立的侧土压力系数随墙壁摩擦角的变化规律与经典库仑土压力系数规律悖逆,指出两者的差异越大水平土压力分布曲线影响越大,这种差异的存在正是主应力土拱计算法自认为的土拱效应,也正是其最大的谬误所在。根据微分层平衡条件导出的水平土压力分布计算公式数学原理,揭示了只要采用此方法又得出土压力为曲线分布的任何理论,必然是悖逆经典土压力理论且存在前后土压力系数自相矛盾的谬论。     

考虑土拱效应的挡土墙空间土压力研究

 研究表明土拱效应是影响挡土墙土压力分布的一个重要因素,但目前关于空间条件下考虑土拱效应的挡土墙土压力研究还很少。通过将土拱效应原理引入顾慰慈等建立的空间土压力计算模型建立了考虑土拱效应的空间土压力计算模型,并将该模型划分为I、II、III、IV四个区域,通过在各个区域内取水平微分单元体,建立各微分单元体的水平和竖向静力平衡方程,推导出了各区相应的挡土墙空间主动土压力计算公式,该公式可以计算出墙背任意位置的主动土压力;并提出了空间土压力合力及其合力作用点的计算方法。通过算例计算可以直观的看出挡土墙后主动土压力的空间分布,由此可以看出,当空间效应存在时考虑土拱效应的挡土墙主动土压力沿墙长的分布与平面应变条件时有很大的不同,此时挡土墙两端附近区域的主动土压力远小于平面应变条件下计算出的主动土压力,同时可以看出考虑空间效应的挡土墙主动土压力合力作用点要比平面应变条件下的位置要高,挡土墙长高比B/H越小空间效应对主动土压力沿墙长的分布和主动土压力合力作用点位置的影响越大。     

1 g Shaking table model tests on seismic active earth pressure acting on retaining wall with cohesive backfill soil

The effects of backfill cohesion on the seismic behavior of a retaining wall are discussed on the basis of a series of 1 g shaking table model tests. The model test results show that a retaining wall having cohesive backfill soil is more stable than a wall without it. The following aspects are observed in the cases of cohesive backfill soil from a detailed analysis using the measured seismic active earth pressure acting on the retaining wall: 1) the existence of a stable region at the top part of the backfill soil, 2) the increase in shear force acting on the boundary between the back face of the wall and the backfill soil, and 3) the mobilization of cohesion along the failure plane in the backfill soil.The existence of a stable region results in reductions in both the driving force and the overturning moment, while it tends to disappear under a high seismic load. The increase in shear force acting on the back face of the wall contributes to an increase in the resistant moment against the overturning of the wall with respect to the base of the footing, and it mobilizes even under a high seismic load. Mobilized cohesion along the failure plane contributes to the support of the soil wedge, resulting in a decrease in the seismic active earth pressure. It also continuously mobilizes even under a high seismic load.These observations indicate that giving consideration to the backfill cohesion when calculating the seismic active earth pressure leads to the rationalization of the evaluation of the seismic performance of the retaining wall even though further study is required, namely, carrying out the validation in the prototype scale and setting the applicable conditions for the seismic design.     

排桩支护体系的三维土拱效应及桩间距研究

为研究排桩支护体系中的土拱效应的三维分布、体系的安全性及合理桩间距的计算方法,利用三维有限元程序PLAXIS 3D对排桩支护体系、施工开挖、堆载等过程进行模拟,分析了不同阶段土拱效应的分布情况及不同阶段的安全性。并根据土拱的三维分布特性改进了已有的桩间距计算方法。计算显示开挖过程中桩间土拱前塌落区与摩尔库伦塑性区基本重合,在基坑1/2 ~2/3深度处土拱效应最为明显、塌落区最大,建议用已有公式计算这一段对应的合理桩间距,用于工程设计。有限元计算显示,本文中建议的方法所计算的桩间距能保证支护的安全性符合要求。     

基于土拱耦合效应的合理桩间距分析

桩间距是抗滑桩设计的重要参数之一,目前都是在土拱效应的基础上建立的,但由于对土拱内力特征以及土拱的相互作用机理认识不清,在确定最不利截面和控制条件时不严格,所得桩间距不准确。在相邻土拱耦合机理分析的基础上,根据材料力学得到拱脚三角形受压区的应力状态;以三角形受压区强度作为控制条件,利用摩尔-库伦强度准则建立桩间距下限的表达式;以土拱效应消失确定桩间距的上限值,继而探讨了桩间距的合理取值。最后以工程实例对桩间距进行了计算,并得到了较为合理的计算结果。桩间距计算公式能正确反映岩土体和抗滑桩设计参数的影响,与实际情况比较吻合,可直接应用于抗滑桩工程的设计。     

疏排桩-土钉墙组合支护结构排桩荷载分担比试验研究

对10个疏排桩-土钉墙组合支护结构进行离心机模型试验。基于试验结果,提出排桩荷载分担比的计算模型,探讨排桩荷载分担比的变化规律以及影响因素,并提出简化计算式。研究结果表明：当基坑挖深较小时,支护结构的荷载主要由土钉墙承担,排桩承担的荷载较小,随着开挖深度的增加,土拱效应将支护结构范围内的土压力不断传递给桩身,排桩承担的荷载越来越多,最多可达到总荷载的90%以上;增加土钉长度、减小土钉间距既可有效减少排桩分担的荷载,同时还能明显提高整个支护结构的整体稳定性;当桩间距在一定范围内时,增加桩间距能减小排桩荷载分担比,但是桩间距过大会明显降低整个支护结构的稳定性;土钉竖向间距对排桩荷载分担比的影响比土钉水平间距更为明显。