循环荷载下竖向土拱演化规律试验研究

土拱效应广泛存在于结构?土相互作用体系中,并不可避免地受到动荷载的影响。为探究循环荷载下土拱的演化过程,开展了循环加载下的活动门试验,结合粒子图像测速法（PIV）,对土拱的结构形态、位移场及竖向应力的变化规律进行了分析。结果表明,初始土拱形成时活动门上方产生三角形脱空区,施加循环荷载后该结构边界逐渐沿竖向延伸并向填土表面发展,位移场影响范围呈扇形向两侧扩大。根据初始差异沉降的不同,土拱的发展演化呈现出最终状态的差异：达到新的稳定状态,或发生失稳破坏。循环荷载下,初始活动门位移较大时土拱更易趋于破坏,表现为脱空区贯通填土表面并形成竖向滑裂面。土拱结构的稳定性受到脱空区土体堆积对其下边界的支撑作用影响。     

摩擦型岩土材料土拱效应微观机制颗粒流模拟分析

利用离散单元计算软件模拟太沙基活动门试验,从散粒体和微观角度研究在摩擦型岩土材料中产生土拱效应时颗粒位移、荷载传递的特点,并进一步研究了颗粒粒径、土体孔隙率、颗粒摩擦系数、活动门宽度以及活动门位移对土拱效应的影响。结果表明：由于土拱的作用,从拱脚往上一定范围内会将拱顶上方的竖向荷载转化成水平荷载并向两侧传递,同时伴随着两侧土体的侧向挤出。伴随活动门的下移,土拱效应在不断调整,增大颗粒粒径、减小孔隙率、增大颗粒摩擦系数、减小活动门宽度,不但可加强土拱效应,而且还能减小土拱效应的影响范围。     

桩承式路堤土拱效应三维离散元分析

为探究桩承式低路堤的空间土拱效应演化规律,采用PFC3D软件建立了3种不同高度低路堤三维活动门颗粒流模型。将试验结果与既有解析解进行对比,分析路堤内部竖向土压力分布特点、土拱发展模式和土体的沉降变形规律。研究结果表明, 桩土荷载分担比达到稳定状态时4桩顶部形成力链球状拱结构,构成荷载传递路径,应力拱拱高随填土高度的增加表现出先增加后稳定的变化;挡板不同位置土拱率■的变化特点显示土压力分布不均匀,呈现出4桩中心大于2桩中心大于2桩中心两侧的分布特点,土拱率■稳定值处于0.2～0.4内;从变形的角度来看,依据土体竖向沉降量沿高度的分布可判断等沉面高度约为1.2B（B为桩净间距）,等沉面以下桩间土上部沉降量大于桩顶上部土体,随埋深的增加差异沉降不断增大,总体呈现下凸状;土体的滑裂面形状存在三角形扩展式和等沉面式,在等沉面破坏模式中土体内部滑裂面呈现为穹顶状。提取桩间土整体平均土压力、4桩中心（区域Ⅰ）土压力、2桩中心（区域Ⅱ）土压力以及两桩中心两侧（区域Ⅲ、Ⅳ）土压力随活动门下移量的变化并进行归一化处理,得到不同填土高度土拱率随下降位移的结果,如图7所示,归一化位移量为挡板下移量与桩净间距B的比值。     

桩承式路堤土拱形成及荷载传递机制离散元分析

土拱效应是桩承式路堤中影响荷载传递的关键因素。基于前人的室内模型试验,建立了桩承式路堤离散元（DEM）数值分析模型。基于路堤中应力偏转规律对土拱随桩土相对位移的形成规律进行了分析。在该基础上提出了合理拱轴线土拱模型,并引入荷载传递系数? 对土拱与土拱下方路堤填料间的荷载传递进行量化分析。模拟结果表明,桩土相对位移引起路堤中应力主方向发生偏转并形成虚拟土拱;土拱形态及高度随桩土相对位移的变化而变化,最大拱高约0.8倍桩净间距;? 随土拱高度的增加呈对数关系减小。     

列车动荷载下桩网结构路基土拱效应试验研究

通过三维模型试验研究了列车动荷载作用下的土拱效应。试验结果表明,动荷载作用下土拱效应依然有效,随着填土的增高,土拱效应在增强,土工格栅的存在可以增强土拱效应的作用。但动荷载条件下动应力的分布与自重条件下的应力分布截然不同。动荷载作用下土拱效应会发生退化,表现为动荷载施加过程中先前由桩所承担的部分动应力会转移至桩间土;完成动荷载施加后,最初由桩承担的部分自重荷载也会转移至桩间土。填土高度和土工格栅对于动荷载作用下土拱的稳定性有很大的影响,但当高度达到一定值之后,填土高度的影响就可忽略,土工格栅的存在使得土拱效应的削弱程度减小了一半。     

双向循环荷载作用下砾石−格栅界面动力剪切特性

在动荷载作用下,加筋土结构中筋土界面不仅会受到水平循环剪切作用,还会受到循环荷载的压缩作用。采用大型直剪仪对双向循环作用筋土界面动力剪切特性进行研究,探究不同循环法向荷载频率、水平循环剪切频率和法向荷载波形对界面剪切强度的影响。结果表明：当循环法向荷载频率和水平循环剪切频率一致时,峰值剪切应力和最大竖向位移随着频率的增加而增加,前后半周期剪切应力和位移曲线时间差均相同;反之,滞回圈应力−位移关系和竖向位移会由于双向循环荷载频率的不同呈现两种不同形态特性;正弦波法向荷载作用下剪切应力和竖向位移最大,而斜波和方波荷载作用下,滞回圈和竖向位移变化曲线较三角波和正弦波差别较明显;剪切刚度随着双向循环荷载频率的增大而增大,正弦波作用下界面剪切刚度最大,斜波作用下界面剪切刚度最小。     

桩承式路堤土拱效应三维离散元分析

为探究桩承式低路堤的空间土拱效应演化规律,采用PFC3D软件建立了3种不同高度低路堤三维活动门颗粒流模型。将试验结果与既有解析解进行对比,分析路堤内部竖向土压力分布特点、土拱发展模式和土体的沉降变形规律。研究结果表明,桩土荷载分担比达到稳定状态时4桩顶部形成力链球状拱结构,构成荷载传递路径,应力拱拱高随填土高度的增加表现出先增加后稳定的变化;挡板不同位置土拱率ρ的变化特点显示土压力分布不均匀,呈现出4桩中心大于2桩中心大于2桩中心两侧的分布特点,土拱率ρ稳定值处于0.2～0.4内;从变形的角度来看,依据土体竖向沉降量沿高度的分布可判断等沉面高度约为1.2B(B为桩净间距),等沉面以下桩间土上部沉降量大于桩顶上部土体,随埋深的增加差异沉降不断增大,总体呈现下凸状;土体的滑裂面形状存在三角形扩展式和等沉面式,在等沉面破坏模式中土体内部滑裂面呈现为穹顶状。     

考虑不完全土拱效应的浅层地基竖向应力计算

浅层岩溶土洞塌陷和浅埋隧道施工等时常会引发浅层地基出现局部沉陷,导致地基可能承受不完全土拱效应作用。如何定量分析不完全土拱效应对浅层地基竖向应力的影响尤为重要。统计了国内外浅层活动门试验,将浅层地基滑移面概化为塔形,同时考虑了浅层地基不同深度处土层差异沉降及主应力偏转过程。通过建立主应力偏转角与活动门相对位移之间的数量关系,量化了浅层地基不同深度对应的不完全土拱效应发挥程度,优化了考虑不完全土拱效应的浅层地基竖向应力计算方法。分析了主要参数对不完全土拱效应的影响,结果表明,随着浅层活动门高宽比及相对位移的增大,应力转移量增加,土体有效内摩擦角及滑移面倾角则相反。可为局部沉降作用下的浅层地基竖向应力计算提供理论指导。     

桩承式路堤土拱效应发挥过程研究

通过三维模型试验对桩承式路堤中土拱效应发挥过程进行了研究,重点分析了不同桩顶盖板尺寸、不同加筋方式下应力折减系数与差异沉降之间的关系。结果表明,土拱效应随变形的增加而发挥;加筋材料的设置减小了差异沉降,削弱了填土中的土拱效应,荷载向桩顶的传递是土拱效应和拉膜效应共同作用的结果。采用有限元法对桩间距、填土高度等未能在模型试验中考虑的关键因素进行了参数敏感性分析,总结了土拱效应发挥过程的相关规律。根据有限元计算结果、试验数据和文献中收集到的实测资料,提出用土拱效应发挥系数和归一化位移来描述土拱效应的发挥过程,建议二者之间采用双曲线方程模拟,从而在设计中体现土拱效应随位移的发展,并满足路堤填土、加筋材料和地基之间的变形协调要求。     

被动桩中土拱效应特征与影响参数研究

采用平面有限元方法,对被动桩在粘性、无粘性土体条件下的土拱形成机理进行了分析。从土拱效应的4个主要方面:土拱形状、桩周土体塑性(拉裂)区的分布、竖向位移等值线及桩后土体残余荷载分担比,探讨了改变桩、土参数,如粘聚力、内摩擦角、弹性模量、泊松比、剪胀角、桩土接触面特性时,土拱效应的变化规律。研究表明,土性不同时,土拱形成过程中土体的受力和破坏形式不同;泊松比、剪胀角、桩土接触特征对土拱效应的影响最明显;强度高、剪胀角大、桩土接触面粗糙或泊松比小的土体,易形成土拱。根据研究结果,指出Tom io Ito排桩塑性绕流土压力理论计算公式尚存不足。     

竖向循环荷载作用下砂土中单桩承载特性模型试验研究

采用自主设计的竖向循环加载装置,通过室内模型试验研究竖向循环荷载作用下砂土中单桩承载特性和桩周土体变形机制。根据试验结果,桩体累积位移可以划分为不发展区域、渐变发展区域、破坏区域3种区域;滞回曲线的滞回圈包络面积随着循环次数的增加,呈现逐渐减小的趋势,滞回曲线由不闭合发展为闭合曲线,桩周土体由弹塑性变形逐渐转变为弹性变形。采用粒子图像测速（particle image velocimetry,简称PIV）技术对循环荷载作用下桩周土体变形进行实时量测,得到桩周土体完整的位移场和剪切应变场。结果表明：循环周期、幅值和密实度为桩周土体变形的主要影响因素,随着循环周期的增加,剪切破坏带在接近土体表面处呈现内敛趋势,剪切破坏面最终近乎平行于桩-土界面。循环荷载幅值越大,表层土体在循环荷载作用下越趋于密实,侧向土压力增大,位移影响区域减小,对应剪切应变场呈现“耳”状分布,幅值比循环周期更容易导致桩周土体出现沉陷。不同砂土密实度中的桩体累积位移随着循环周期呈现出不同的特征,松砂状态下桩周土体位移场呈现倒截锥形,密砂则呈现圆柱形。     

路堤荷载下考虑地基成层性的复合地基加固区沉降计算

根据路堤荷载下复合地基的荷载传递机理及变形特征,基于弹性理论,引入假定的桩间土位移模式,综合考虑路堤填土的土拱效应、复合地基加固区桩间土的成层性,建立了典型单元体的平衡方程,应用桩土位移协调条件及边界条件,得到了各层土范围内桩、桩周土竖向应力及桩侧剪应力的分布规律,从而推导出路堤荷载下复合地基加固区桩及桩周土压缩量计算的解析式,获得了表征复合地基工作性状的桩土应力比及沉降变形的解析表达式,并分析了加固区桩周土体层序对复合地基受力变形特性的影响。研究结果表明:当地基浅层土质较好时,复合地基加固区压缩量较其他情况下小,按本文建议的方法计算所得结果满足工程计算精度要求。     

桩间土拱效应离心模型试验及数值模拟研究

抗滑桩的设计理念是采用非连续结构,利用土体自身强度形成的拱效应来达到支挡的目的。通过离心模型试验,对抗滑桩加固滑坡形成土拱效应的现象进行研究,再现了桩间土拱形成的现象及其破坏模式。根据试验现象提出两种典型的土拱破坏模式,即拱顶发生破坏和拱脚发生破坏,并提出改善拱脚受力,防止土拱拱脚发生破坏的工程措施。基于离心模型试验,采用二维颗粒流方法对桩间水平土拱的应力分布和破坏过程进行数值模拟分析,提出土拱破坏的判别标准为抗滑桩所承担的荷载发生急剧变化,此时土拱传递荷载的功能部分失效,并研究了桩间土拱承载力与桩间净距的关系。随着桩间净距的增大,土拱承载力变化的趋势并非线性的减小,当桩间净距增大到一定程度后,土拱承载力会急剧减小,由此可合理确定桩间距的范围。     

基于抗滑桩土拱效应形成的细观数值模拟

通过PFC2D数值模拟软件模拟边坡抗滑桩,研究不同桩型、桩间距及不同土体孔隙率对抗滑桩土拱承载能力的影响,利用颗粒位移不同对颗粒进行染色,进而观察土拱效应的形成、发展和破坏的过程。通过一系列数值模拟的比较,揭示出方形抗滑桩的土拱效应比圆形桩承载能力更强,且当桩间距S=4.6D时,土拱达到极限承载能力,之后土拱效应逐渐破坏。根据砂土孔隙率越大土拱效应越明显,但是超过一定区间抗滑桩将失去作用,指出桩的嵌入深度和滑动面以下土层同时影响土拱的承载能力。在观察抗滑桩土拱效应的形成发展及破坏的过程中,从细观角度分析桩间土体的位移与桩的边长之比ρ在（0.2, 0.8）时,才能产生有效的土拱效应。     

RT模式下刚性挡墙土压力计算方法研究

针对绕墙顶向外转动的刚性挡土墙,提出一种土压力计算方法。根据土体渐进破坏机理,考虑土拱效应,建立了填土内摩擦角及墙土接触面上外摩擦角的发挥与土体位移的非线性关系,并根据初始应力条件确定初始内摩擦角。采用改进的水平层分析法计算各转角下的土压力分布,并得到土压力合力大小及其作用点的计算公式。通过比较,不同转角下土压力强度、合力大小以及作用点计算值与模型试验实测结果接近。     

考虑路堤-加固区相互作用的刚性桩复合地基沉降算法

为合理计算路堤荷载作用下刚性桩复合地基沉降,考虑路基填土中的土拱效应以及路堤-地基加固区竖向荷载传递的耦合特征,基于填土中内、外土柱界面摩阻力系数随深度线性发挥模式以及复合地基中桩土相对位移模式与桩侧摩阻力系数分布模式,采用微元体静力平衡原理,并考虑路堤-加固区-下卧层之间的应力连续与变形协调条件,推导出了路堤下刚性桩复合地基的桩土应力比、桩土沉降差、加固区沉降量的计算公式,定量反映了路基填高、填土及软土地基的黏聚力和内摩擦角、桩长、桩径、桩间距等多个主要因素。实例分析表明,加固区沉降量的计算值与实测值误差一般不超过15%;桩长对加固区沉降呈非线性影响;面积置换率、地基土内摩擦角与黏聚力对加固区沉降均具有线性的负相关影响特征,且沉降量受内摩擦角影响比黏聚力更敏感。     

盾构掌子面三维破坏模型构建与极限支护力计算

为明确盾构施工掌子面滑移破坏机制并确定掌子面支护力的合理范围,基于滑移线理论和极限分析上限定理,利用空间离散技术提出了一种盾构施工掌子面三维滑移破裂模型。依据大主应力拱理论计算滑移区顶部竖向土压力值,并以此作为滑移破坏区上部的竖向荷载计算掌子面极限支护力。研究表明,土拱效应显著影响掌子面前方土体竖向应力的大小及分布规律;将本模型与已有研究方法进行比较,验证了本模型获取的掌子面极限支护力极限分析上限解在黏性土地层以及摩擦土地层中的适用性。同时本模型构建的掌子面破坏区域形态更加贴近离心试验结果与数值计算结果。     

考虑桩土侧移的被动桩中土拱效应数值分析

被动桩对侧向位移的土层起到遮拦作用的机制主要是土拱效应。采用土工有限元软件Plaxis Tunnel 3D 1.2,对堆载荷载作用下邻近桩基中的土拱效应产生机制和性状进行三维数值分析,指出目前被动桩中土拱效应二维有限元分析存在的问题。考虑桩土侧移与相对位移,再利用土工有限元软件Plaxis2D 8.2详细地研究了侧向土体位移大小、桩身水平位移大小、土体性质以及桩土接触面性质等影响因素对土拱效应性态和桩土荷载分担比的影响。     

筋-土界面力学特性的水平循环剪切试验研究

加筋材料与土界面力学特性是加筋土结构设计和稳定性分析的重要依据。在大型多功能界面剪切仪上,进行了土工格栅和标准砂界面的水平循环剪切试验,分析循环荷载作用下筋-土界面力学特性,研究循环荷载特征对界面剪切力和法向位移的影响,探讨水平循环荷载作用下筋-土相互作用规律。结果表明,随循环次数增加,剪切力-位移关系曲线逐渐重合,剪切力峰值变化不明显,界面剪切模量增大并趋于稳定;循环剪切位移幅值和剪切速率对剪切强度的影响不明显,但对试样法向位移有较大影响;水平循环剪切过程中试样发生明显的法向位移,加筋可有效限制试样的竖向变形。     

软黏土中吸力锚循环失稳过程的模型试验

开展了张紧式吸力锚在侧壁最优系泊点处遭受平均荷载和循环荷载共同作用下的模型试验,着重研究了软黏土中吸力锚在等幅及变幅循环荷载下的变形失稳过程。研究发现,循环累积位移过大是锚发生破坏的主要原因。对于等幅循环加载试验,由于竖向附加荷重的施加,锚在水平向的循环累积位移要明显大于竖向,表现为明显的水平破坏模式。在特定的平均荷载水平下,循环荷载水平越高,锚的累积位移发展得越快,达到破坏所需的循环次数就越少。循环位移随循环次数的增长变化不明显,但随循环荷载水平的增大而增大。对于变幅循环加载试验,系泊点各方向的循环累积位移与循环位移均与循环荷载水平成正比。不同的循环加载时程下,锚的竖向累积位移均比水平累积位移大,表现为偏向于竖向破坏的中间破坏模式。锚前期的循环加载历史对后续加载产生的累积变形有明显影响。与静力加载相比,循环加载时锚的运动方向角有所增大,这可能是由于锚底孔压的累积要大于锚侧孔压的累积,从有效应力的角度分析,锚底有效应力的减少相对锚侧明显,进而使得锚竖向承载力减小得更多,导致锚的竖向运动更明显。