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。     

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。     

桩承式路堤土拱效应分析的改进有限元模型

土拱效应在桩承式路堤中的桩土荷载分担方面具有重要作用。本文提出了一个改进的三维有限元模型来模拟土拱效应。该模型利用不同刚度的弹簧来模拟桩与桩间土,不需建立桩与土体模型,提高了计算效率。结合现场试验及其他学者提出的理论证明了模型的有效性。通过改变路堤分布荷载以及路堤填料的内摩擦角进行对比试验,数值分析结果表明,土拱存在最大、最小两个临界拱高,且不同位置的桩间土体受土拱效应影响不同。等沉面高度与土拱最大拱高并不完全一致,土拱效应的产生滞后于沉降差。在不同路堤填土内摩擦角情况下,路堤填土的应力及沉降分布基本不变,随着路堤填土内摩擦角的增大,路堤沉降有效减小。研究结果可为工程设计人员提供有益的参考。     

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。     

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.     

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。     

考虑土拱效应的斜插式桩板墙合理板间距研究

结合高速公路边坡实际工程,采用ABAQUS有限元软件进行三维数值模拟分析; 从考虑板间土拱效应的角度出发,研究了0.2倍板宽、0.3倍板宽、0.4倍板宽、0.5倍板宽4组不同板间距下斜插式桩板墙的板后水平土压力、板后竖向土压力以及板间土拱强度沿横向的变化规律,并结合结构实用性和安全性,提出了斜插式桩板墙的合理板间距取值范围、板间土拱的拱脚位置以及拱顶参数关系。结果表明:斜插式桩板墙在悬臂段中下部相邻板间以板底作为拱脚形成板间竖向土拱,且板后土压力随深度表现为锯齿状分布,水平土压力小于经典库仑主动土压力,竖向应力大于土体自重应力; 板间土拱的拱脚位于斜插板板底,在设计施工时应进行局部加强以提高设计强度; 当板间距取0.3倍～0.4倍板宽时,板间土拱效应明显,板后土压力较小,建议斜插式桩板墙合理的板间距取值为0.3倍～0.4倍板宽; 所得结论有助于斜插式桩板墙结构的进一步优化设计,并产生显著的经济效益和社会效益。     

考虑桩间水平土拱效应的边坡桩间墙组合结构受力计算方法

抗滑桩桩间水平土拱效应目前主要用于确定桩间距,在桩间组合结构的受力计算中应用较少。如桩间墙,设计者多按设桩处的剩余下滑力计算桩上荷载,采取将土压力或剩余下滑力折减,或将土体参数提高的方法估算墙上荷载,未充分考虑桩间水平土拱的影响。首先理论分析了桩间水平土拱对桩间墙组合结构受力的影响,认为在桩间水平土拱影响下,抗滑桩的受力应为土拱拱顶处的剩余下滑力;挡土墙的受力应为拱前土体产生的主动土压力或剩余下滑力。在此基础上,推导了考虑土拱效应时该组合结构中抗滑桩和挡土墙的受力计算方法。以某实际铁路堑坡为例,通过计算考虑桩间水平土拱效应的桩间墙受力分配,说明了桩间水平土拱效应对桩间墙组合结构受力的影响。     

单排抗滑桩沿桩长方向土拱效应分布研究

本文在前人对单排抗滑桩土拱效应和合理桩间距研究成果的基础上,对抗滑桩桩间土拱的成拱机理进行了简要阐述,结合土拱自身受力及变形特点,利用数值模拟的方法对合理桩间距条件下单排抗滑桩土拱效应的空间分布规律进行了研究。通过分析土体的应力及位移情况,发现土拱在不同高度条件下的分布是不同的,同时呈现一定的规律性。并且通过研究表明土拱具有一定的自身调节能力,以适应不同滑坡推力的作用。     

合理间距条件悬臂式抗滑桩三维土拱效应试验研究

在人工开挖的斜坡上施工满足合理桩间距的两根悬臂式抗滑桩,通过对模型槽内填土的顶面进行堆载,研究了桩前施工挡土板时挡土板水平变形和桩–板土压力比的变化规律。待位移传感器和土压力计读数稳定后,采用自上而下摘板的措施模拟桩前土开挖的施工过程。通过分析不同高度上测点x方向土压力的分布规律,探讨了桩间土沿高度方向直接土拱与摩擦土拱的作用程度及作用范围。摘板过程结束后,对桩间土的局部滑塌面进行测量,通过与三维土拱效应的作用范围进行比较,证实了合理桩间距条件下桩间土产生局部滑塌的范围总是处于直接土拱的拱圈内侧区域。采用自制的简易静力贯入设备对拱脚剪切线附近的原状土进行测定,基于实测锤尖贯入曲线,分析了桩间不同高度上拱脚的极限剪切作用厚度。     

排桩支护的桩侧土压力计算

在无粘性土的排桩支护中,从桩间土拱形成机理出发,认为土拱区土体受到等值的法向力作用,在桩间土体自由区和土拱区土体达到极限强度的条件下,得出桩间土拱的拱形参数,拱高和土拱的厚度,同时在考虑土拱区土体强度增加的情况下,结合桩土接触面处的土体强度约束条件和几何条件,在确定的桩距和桩径条件下,分析桩侧的土压力,通过求出不同桩径桩距条件下的土压力,从中找出一个最小土压力的桩参数,这个桩参数就是设计的值,其土压力计算结果位于朗肯主动土压力和静止土压力之间,与实际值基本一致。由此确定了桩的参数和土压力大小。     

土拱效应下的挂板式斜插桩板墙模型试验研究

以新型的挂板式斜插桩板墙为研究对象进行室内模型试验研究,通过1∶20的相似理论来模拟实际工程中截面为1.5 mX2.0 m,悬臂段高为15 m的原型斜插桩板墙。模型板长分250 mm、300 mm、350 mm、400 mm、450 mm 5组,用来模拟实际桩间净距为5 m、6 m、7 m、8 m、9 m 5种工况,结合试验数据具体从桩板后土压力的分布状况;土拱效应强度、位置随桩间净距的变化、土拱强度随深度的变化及结构受力状况随桩间净距的变化等几方面对模型试验进行具体分析。随桩间净距的增大:模型桩、板后土压力均呈现增大趋势,当桩间净距小于300 mm时,回收位置较深;土拱强度减弱速度逐渐加快,当桩间净距小于300 mm时减弱较慢;土拱的位置即拱高逐渐增大,但其拱高位置整体处于约1/2桩间净距处;模型桩的结构受力也不断增大,悬臂段1/3范围以下开始,受力差距逐渐加大;斜插板轴力增大且随悬臂段的增加呈先迅速增加再减小趋势。     

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。     

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。     

水平旋喷拱棚结构的承载特性与机理研究

基于现场载荷试验结果与有限元分析方法,深入研究水平旋喷拱棚结构的承载特性与机理。现场试验表明:拱棚结构的荷载-变形曲线可分为三段,即承载力自我调整阶段、稳定承载阶段以及裂缝产生并不断扩展直至破坏阶段;在破坏阶段拱棚结构并未出现突然坍塌,破坏是从旋喷桩体咬合处薄弱面的底部产生裂缝开始,并不断扩展最终贯通引起的。通过分别建立旋喷桩体咬合结构模型与光滑拱结构模型以模拟实际拱棚结构,计算结果表明旋喷桩体咬合结构模型的计算值与实测值吻合较好,光滑拱结构模型的计算结果误差较大。在此基础上,利用有限元方法深入分析了水平旋喷拱棚结构的力学性能,计算结果表明:旋喷桩体的直径与咬合厚度对拱棚结构的承载力影响较大,拱棚结构的形状对承载力的影响相对较小;水平旋喷拱棚结构存在三种破坏模式,裂缝的产生主要受桩体材料抗拉强度的控制。将裂缝的产生与扩展作为水平旋喷拱棚结构破坏前的预警,可为实际工程提供科学依据。     

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。