预应力锚杆柔性支护法面层上的竖向土拱效应

通过对预应力锚杆柔性支护法进行竖向土拱效应分析,求解出了预应力锚杆之间土拱的曲线方程。土拱的拱高随土体粘聚力和内摩擦角的增大而减小;随锚杆间距的增大而增大。在此基础上,推导了预应力锚杆间土拱效应不完全发挥和完全发挥时分别作用在喷射混凝土面层上土压力的解析解。结果表明:两种情况下得到的作用在喷射混凝土面层上的土压力,都随土体重度和锚杆间距的增大而增大;随土体内摩擦角、粘聚力以及面层与土体间摩擦角的增大而减小,且均趋于一个常数解,但前者得到的土压力比后者大。实际工程监测结果与理论计算的对比分析表明,土拱效应不完全发挥时的理论解与监测数据较为吻合。本文得到的计算公式可为预应力锚杆柔性支护面层上的土压力计算以及面层设计提供理论依据。     

基于颗粒流的抗滑桩土拱效应研究

抗滑桩土拱效应的研究目前主要是建立在连续介质理论基础上,难以考虑土体颗粒粒度组成等重要影响因素,因此有必要进一步深入揭示土体这种非连续、非均匀散粒体的成拱机理。利用颗粒流方法,研究了抗滑桩截面大小、间距、桩土相对变形速度和土体颗粒粒度组成对土拱效应的形成、发展、破坏和再形成过程的影响,并揭示了这些因素对土拱的极限承载能力、残余承载能力和桩土荷载分担比的影响规律。结果表明：以上因素对抗滑桩土拱效应影响显著。土拱的极限承载能力随桩间距与桩宽的相对比例增大而减小,随桩土间的相对运动速度和土颗粒的分布宽度增大而增大;残余承载能力和桩体荷载分担比随桩间距与桩宽的相对比例和土颗粒的分布宽度增大而减小,随桩土间的相对运动速度增大而增大。因此在抗滑桩设计及布桩位置选择时,应尽可能考虑相关影响因素,以优化设计,节省投资。     

循环荷载作用下土拱效应的离散元研究

基于室内Trapdoor模型试验,采用PFC2D研究了循环荷载作用下不同路堤高度的土拱效应,从力链和位移的角度对路堤内土拱结构、填料移动的变化规律进行了宏观和微观分析。结果表明:抗扭转模型可以较好地模拟以铝棒相似土作为填料的Trapdoor试验; 在循环荷载作用下路堤内形成的土拱结构发生破坏,土拱效应得到削弱,土拱结构的破坏主要发生在初始加载阶段,并且在这个阶段高路堤底部土拱结构比低路堤受到外部荷载的影响要小; 随着加载的进行,路堤内部形成了新的稳定受力结构并基本保持不变; 在循环加载过程中低路堤加载板两侧的力链结构受到的影响和扰动比高路堤的大; 在循环荷载作用下,路堤表面发生了沉降,其中塑性位移主要发生在初始加载阶段,之后产生的几乎是弹性位移; 高路堤加载板两侧土体相较于低路堤在第一次加载时更不容易产生横向位移被挤向两端,加载板的竖向位移减少,从而减少加载板对底部土体的影响,使得路堤底部的土拱结构更不容易被影响。     

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.     

复合地基土拱效应与桩土应力比研究

现场试验表明,在填土荷载作用下,桩体复合地基中桩与桩间土之间产生差异沉降,引起其上填土不均匀位移并调动自身强度以抵抗荷载而自然形成土拱。土拱将其上填土荷载传递至桩体,土拱下土体不承担拱上填土荷载,从而使复合地基承载力提高、沉降减小。在顶面水平的填土荷载作用下,填土中土拱由拱脚支承在相邻桩桩顶的主拱与搭接于主拱上的次拱组成,拱轴线均为悬链线。通过对主、次拱的静力平衡分析得出主拱轴向应力的计算公式,根据主拱拱脚处应力达到极限平衡状态的条件求得主、次拱的拱高及主拱对桩顶的压应力,由此导出复合地基桩土应力比计算公式。计算公式经工程实例验证,可用于复合地基设计。     

土拱应力传递模型及其形态差异性对比

为研究土拱效应的演化过程以及土拱应力的传递规律，根据桩土静力平衡条件及抗剪强度准则建立土拱应力传递模型，并基于工程背景建立数值模型，通过控制等应力差方法比较三种应力云图中土拱的形态差异，并根据土拱应力传递模型对桩后荷载的传递规律进行分析。解析解表明：桩间竖向土拱和桩后水平土拱的法向应力均呈指数递减规律；不同应力云图中土拱形态不同，根据土拱效应随深度的演化过程，可分成四个区域进行研究；水平土拱效应随深度逐渐减弱，桩侧土拱及桩脚处应力随深度均增大并逐渐接近桩后应力；桩后土拱荷载传递系数随深度逐渐减小，桩侧土拱荷载传递系数随深度逐渐增大。     

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。     

水平荷载作用下超长桩土拱效应数值模拟

建立了水平荷载作用下单排超长桩与土相互作用的三维有限元数值模型,对所形成的土拱效应进行数值模拟,研究了水平土拱和水平向摩阻力沿桩长方向的变化规律,以及桩间距对于土拱效应的影响,并进行了参数敏感性分析。结果表明:土拱效应在桩的上部作用较为明显;水平向摩阻力与土拱沿桩长方向的变化规律一致,土拱对于水平承载力具有增强作用;随着桩间距的增大,桩间应力拱逐渐消失,6倍桩径为应力拱产生的极限桩距;土体内摩擦角、黏聚力对土拱效应的影响呈正比关系,而桩土刚度比对土拱效应的影响呈反比关系,桩的长径比对土拱效应的影响是先增加后消失,影响最大的长径比为50。     

有限宽度土体主动土压力的离散元模拟研究

采用离散元方法,建立多个不同宽度的离散元模型,得到了不同宽度土体从静止到主动状态过程中作用在挡土墙上的土压力发展过程以及极限状态下主动土压力的分布,并将数值结果与考虑土拱效应的理论公式计算结果进行对比分析。研究表明:当土体宽度较小时,墙后有限宽度土体中土拱效应的叠加效应会改变土压力的发展过程以及极限状态下的土压力分布。土体宽度较大时,土拱效应对土压力影响较小,土压力几乎呈直线分布,随着宽度的减小,土压力逐渐减小,土压力呈非线性分布。采用考虑土拱效应的计算公式可以较好地预测不同宽度下的土压力合力和分布。     

刚性桩复合地基垫层土拱效应宏细观机理研究

为了研究刚性桩复合地基垫层土拱效应的作用机理,通过可视化模型箱对不同桩间距及垫层厚度的刚性桩复合地基进行了室内模型试验,利用数字图像无标点量测技术研究土体颗粒的变形场,对桩顶垫层土体形成土拱的变化过程进行全面观测与分析,研究复合地基垫层土拱效应。利用离散元颗粒流方法,研究了复合地基桩间距、桩径、垫层土体厚度、土体内摩擦角和密实度等宏细观因素对土拱效应的影响规律。对离散元颗粒流模拟结果与室内模型试验结果进行对比分析,结果表明:垫层厚度越大、桩间距越小,垫层形成的土拱效应就越明显;土体摩擦系数、孔隙率对土拱效应影响较大,而桩径对土拱效应影响较小。刚性桩复合地基垫层土拱效应机理的研究对于提高垫层设计水平具有重要的参考价值。     

Effect of geogrid reinforcement on the load transfer in pile-supported embankment under cyclic loading

This paper investigated effects of geogrid reinforcement on the load transfer in pile-supported embankment under cyclic loading using self-moving trapdoor tests. In the self-moving trapdoor test setup, the trapdoor between two stationary portions (which were equivalent to the piles) was supported by compression springs to simulate the subsoil. Quartz sand and a biaxial geogrid were used as the test fill and reinforcement material, respectively. Tests results show that soil arching above the geogrid reinforcement and load transfer to the stationary portions (caused by the soil arching and tensioned membrane effect) experienced a process of “relatively enhancing - relatively degrading” with an increase in the number of cycles and maintained similar degrees within each complete cycle of cyclic loading. Moreover, the inclusion of geogrid reinforcement reduced the mobilization of soil arching, but increased the degree of load transfer to the stationary portions. In addition, cyclic loading with a higher frequency tended to mobilize more soil arching and induce a higher degree of load transfer to stationary portions. Also observed was that a higher frequency cyclic loading tended to decelerate the degradation of load transfer to stationary portions and caused less surface settlement, which indicating increased load-carrying capacity of pile-supported embankment.     

模型试验中膜式土压力盒标定及其应用

土工模型试验和现场试验中常采用膜式土压力盒作为压力测试元件,即通过测量膜的变形（挠曲）量获取压力值。膜式土压力盒作为埋入介质内部的测试元件,由于土压力盒与岩土介质的刚度差,测试中受到由差异变形导致的岩土介质土拱效应的影响,特别是模型试验的应力历史也会产生不同程度的土拱效应影响。针对桩承式路堤多陷阱门模型试验中的加卸载条件,采用相同的试验用砂在相同的相对密度条件下进行了1组加载标定和4组不同填料高度下的卸荷标定试验。结果显示,加载曲线线性较好,而卸载曲线可采用指数曲线来进行拟合。将获取的标定系数应用于桩承式路堤多陷阱门模型试验当中,发现填料填筑过程中采用砂标系数处理得到的平均土压力值与路堤自重应力较为吻合。在陷阱门下沉模拟桩间土下沉过程中,分别采用砂标加载系数和卸荷系数处理土压力数据,与实际情况能够较好的吻合。     

桩承式路堤中土拱效应产生过程可视化分析

"土拱效应"在提高桩承式路堤承载能力方面发挥着重要的作用。现今关于"土拱效应"的研究主要采用现场原型试验和数值模拟及其在此基础上的理论计算。借助于传统的光弹试验技术,研制出一种直径3 mm、透明度较高的聚碳酸酯光弹颗粒,用于近似模拟桩承式路堤中的土颗粒,通过自制的加载装置和光测力学图像处理系统,实现多种条件下路基内部应力分布的可视化,重点观测模型内部力链网格的产生、分布及变化规律,试验结果表明:填土高度会对土拱的形成及形状产生极大影响,填土高度太小,斜向力链会因缺乏扩展空间无法闭合而不能形成拱结构,随填土高度增加,土拱由三角拱向半圆拱或梯形拱过渡;荷载的大小变化不会影响土拱效应的出现,但会对土拱的结构形状产生较大影响;随桩距比的增大,土拱由三角拱向半圆拱或多拱演化,当桩距比大于3∶1时,土拱效应开始减弱直至消失,路堤承载能力大幅下降。     

A simple model to assess the effect of soil shear resistance on the response of soil-buried structures under dynamic loads

The response of a buried structure to a surface loading is analyzed by a relatively simplistic model, yet comprehensive enough to delineate both wave propagation phenomena and effects of soil arching. Analysis of a buried circular plate response under surface impulsive loading, according to this model (which shows a good agreement with the theoretical predictions to the experimental results) enables an insight to the problem's full range, from very short impulse load to long, quasi-static loading. Application of this solution to a study case shows that both wave propagation related phenomena and the arching phenomenon (related to relative displacements in the soil above the structure) may be involved in the system's response to surface impact loading. Hence, a general analysis of a buried structure's response to dynamic surface loading should consider not only the wave propagation effects, but also take into account the soil arching effect.     

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。     

砂填料桩承式路堤土拱效应模型试验

现有的桩承式路堤荷载传递计算方法主要依据3类土拱效应力学计算模型。由于宏观土拱形态观察的难度较大,现有计算方法普遍缺乏对不同填料与参数下拱效应传力机制以及宏观土拱拱形参数的深入探讨。采用自制的试验装置对砂填料桩承式路堤土拱效应模型进行探讨,进行了3组不同桩距比下3种填土高度的模型试验。模型试验装置配备了位移控制装置模拟与精确控制桩间土下沉,在下沉过程中连续、同步的采集土压力以及砂箱内部填料的照片,并通过摄影测量技术获取全场位移数据。通过对桩土应力比曲线特征以及曲线特征点所对应的填料颗粒位移图的综合分析,探讨了砂填料桩承式路堤拱效应传力机制,揭示了填料内部存在的初始三角形松动滑移面。基于此提出了初始三角拱力学计算模型,分析得到了滑移面角度随桩距比变化的规律,并利用滑移面夹角统计数据确定了拟合计算公式,通过力学推导建立了适用于砂填料桩承式路堤的桩土应力比计算方法。通过与Rogbeck法、BS8006法、Terzaghi法以及模型试验实测数据的对比,验证了计算方法的合理性。     

受静载和循环荷载作用的基础下加筋挡墙工作性能分析

 基于受静载和循环荷载作用的基础下加筋挡墙模型试验,综合对比分析了基础位置、荷载大小、频率和循环次数等因素对加筋挡墙力学与变形性能的影响。试验结果表明：(1) 以基础极限承载力为标准,确定基础最佳偏移距离为0.3H(墙高);(2) 基础沉降和挡墙水平位移随荷载、频率和循环次数的增加而增加,当基础受静载且达到极限承载力前,沉降与墙高比均小于2%,挡墙水平位移与墙高比均小于1%;当基础受循环荷载时,增加循环荷载水平和频率使初始阶段基础沉降和挡墙水平位移增加明显,但随循环次数增加而变形收敛;(3) 紧邻基础下方的筋材应变显著高于其他层,且循环荷载水平越高,循环次数增多时筋材应变增幅显著;(4) 静载时挡墙破坏随基础偏移距离增加而由初始顶层面板被挤出,逐渐过渡到破坏面沿基础边缘并向挡墙深部发展的剪切破坏为主;当基础受循环荷载且频率较小时,顶层面板以挤出变形为主,增加荷载水平和频率,挡墙以中部面板挤出破坏为主。     

边坡工程中抗滑桩群桩土拱效应的数值分析

土拱效应普遍存在于群桩的各排桩间土体中.采用MSC.marc有限元软件,详细研究了边坡中双排抗滑桩的群桩土拱效应,在同排桩桩间距一定下,分析了排列方式为平行排列和间隔排列桩的土拱效应,以及考虑不同排桩桩间距、不同堆载大小、不同土体性质等对群桩土拱效应的影响,以及前后排桩间土体的土拱效应在不同条件下的变化规律, 分析表明,当桩的列间距在3～8倍桩径时,行间距在2～8倍间变化对群桩的土拱效应有明显影响.     

桩承式路堤中土拱形态与成拱过程中土拱效应研究

建立了平面应变条件下模拟土拱形成过程的弹塑性有限元模型。研究了桩承式路堤中的土拱形态,分析了影响土拱高度的主要因素和土拱形成过程中桩帽与桩帽间地基土之间的荷载分担特性。研究表明：平面应变条件下土拱的形态为半椭圆,填土内摩擦角和凝聚力的变化对土拱高度的影响较小。土拱高度随桩帽净距的增加先增大后逐渐减小,随路堤高度的增加先线性增加后稳定不变。完整土拱形成时土拱效应发挥程度最大,桩帽间地基土承担的路堤荷载不再向桩帽上转移。