基于三角形滑移面的地基松动土压力研究

由岩溶塌陷、隧道开挖等方面引起的土体变形往往会对基础建设和基础结构等造成不均匀沉降、地面塌陷及开裂等危害,确定土体结构顶部松动土压力的分布情况并准确地分析土体变形与土拱效应间关系显得尤为重要。为了揭示土体变形和沉降对结构顶部松动土压力的变化规律,进行了一系列不同H/B的活动门试验（H为地基高度,B为活动门宽度）。基于试验结果,提出以三角形作为力学模型分析不同滑移面时松动土压力的数学模型,考虑了滑移面角度与土体变形及主应力偏转三者之间的关系,分析了滑移面内任意水平微分土条的主应力偏转情况并建立受力平衡微分方程,根据不同滑移面形态下的边界条件求解松动土压力理论公式,与已有试验结果对比验证了理论公式的合理性。通过对滑移面角度、侧向土压力系数和内摩擦角等主要参数进行分析,结果表明：在较小相对位移下（1%～3%）土体应力迅速发生转移和重分布,初始滑移面角度略小于π/4+φ/2（φ为内摩擦角）,随着H/B增大土体应力比缓慢增长最终趋于稳定;地基内封闭三角形滑移面的松动土压力与相对位移及内摩擦角相关;内摩擦角的增加使得土拱效应得到充分发挥,加强了应力转移,降低了土拱应力比;内摩擦角的增大减小了水平向...     

考虑土拱效应的倾斜滑移面间竖向应力研究

假定两滑移面相互平行,且与水平面呈一定角度?,对滑移面间土体沿竖向取水平薄层作为微分单元体,通过作用在单元体上的水平力和竖向力的平衡条件,基于土体主应力轴旋转理论,得到考虑土拱效应及倾斜角度的倾斜滑移面间竖向应力的理论公式,及对应不同倾斜角度及滑移面-土摩擦角的土侧压力系数。将得到的理论公式与Handy等公式进行比较,验证了该公式的合理性。研究结果表明：对于无黏性土,竖向应力沿深度先近似线性增大,后增加缓慢并逐渐趋于定值。竖向应力随着倾斜角度和滑移面间距的增大而增大,随滑移面-土摩擦角的增大而减小;土侧压力系数随着滑移面-土摩擦角的增大而增大,而随内摩擦角的增大而减小。     

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。     

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,并不可避免的受到动荷载的影响。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。     

关于“考虑土拱效应的倾斜滑移面间竖向应力研究”的讨论

<正>笔者拜读了发表在《岩土力学》2013年第34卷第9期上的论文《考虑土拱效应的倾斜滑移面间竖向应力研究》[1](以下称为原文),现有以下2点望与原文作者商榷:(1)原文在2.1节给出的土侧压力系数并不适用于黏性土,因而其给出的两倾斜墙下考虑土拱效应的竖向应力计算理论式(24)并不适用于黏性土。(2)土拱效应用于求解倾斜墙时未给出大主应力偏转角的计算公式,而这点恰是倾斜墙与竖向墙     

桩承式路堤承载特性的颗粒流模拟

现有的土拱效应计算方法中,由于采用的计算模型不同,计算结果差异很大。文中克服传统连续介质力学模型的宏观连续性假设,采用二维颗粒流程序（PFC）建立基于模型试验的细观数值分析模型,对桩承式路堤中土体接触力、应力分布、主应力方向、竖向位移进行分析,并比较计算和实测结果,研究土拱效应的荷载传递机制。同时,对不同桩帽、桩间距、填土高度、颗粒大小、摩擦角的情况进行PFC方法的参数敏感性分析。研究结果表明,桩承式路堤桩顶处局部范围可按弹性核考虑;土拱的分布型式受桩帽型式、桩净距、格栅的影响;实际土拱作用的影响范围主要集中在路堤底面以上约1倍桩净距的区域;土拱内部的竖向应力和水平应力均随深度非线性改变,桩土应力比随着荷载水平、土体内摩擦角、颗粒大小的增大而增加。     

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。     

基于改进Terzarghi方法的桩网地基桩土应力计算

桩土应力比是桩网复合地基承载力和沉降计算的重要参数,其与地基的固结沉降相关,具有明显的时变特性。已有基于Terzarghi土拱模型的松动土压力计算理论是在滑动面土体均达到极限状态的假定上讨论的,不适用于桩网地基小变形条件下桩土应力的计算。为此,在Terzarghi模型的基础上,相对位移面摩阻力传递函数采用等刚度理想弹塑性模型,结合土体单元的平衡方程与变形协调方程,导出了桩土应力及土拱高度理论解,系统分析了桩土应力及拉膜效应随各设计参数的定量变化规律。分析结果表明,改进方法与现有土拱效应模型相比适用性较好,随着桩土差异沉降增加,土拱高度和桩土应力比逐渐增大,土拱率呈双曲线形减小,同时拉膜效应逐渐发挥。增加填筑荷载对土拱效应有显著削弱作用,桩土应力比随桩距增大而减小,随黏聚力增大而增大。结合改进方法与已有现场实测数据,分析了桩土应力的时变特性,验证了该方法的合理性,可为桩网地基桩土应力计算提供参考。     

基于改进Terzarghi方法的桩网地基桩土应力计算

桩土应力比是桩网复合地基承载力和沉降计算的重要参数,其与地基的固结沉降相关,具有明显的时变特性。已有基于Terzarghi土拱模型的松动土压力计算理论,是在滑动面土体均达到极限状态的假定上讨论的,不适用于桩网地基小变形条件下桩土应力的计算。为此,在Terzarghi模型的基础上,相对位移面摩阻力传递函数采用等刚度理想弹塑性模型,结合土体单元的平衡方程与变形协调方程,导出了桩土应力及土拱高度理论解,系统分析了桩土应力及拉膜效应随各设计参数的定量变化规律。分析结果表明,改进方法与现有土拱效应模型相比适用性较好,随着桩土差异沉降增加,土拱高度和桩土应力比逐渐增大,土拱率呈双曲线形减小,同时拉膜效应逐渐发挥。增加填筑荷载对土拱效应有显著削弱作用,桩土应力比随桩距增大而减小,随粘聚力增大而增大。结合改进方法与已有现场实测数据,分析了桩土应力的时变特性,验证了该方法的合理性,可为桩网地基桩土应力计算提供参考。     

考虑土拱效应的滑移面间非极限状态土压力解答

深部岩土工程领域面临的井筒、巷道以及硐室等埋深较深结构物,其上方的土体大多处于非极限状态。现有理论很少关注非极限状态的土压力计算,基于此建立了考虑土拱效应的滑移面间非极限状态土压力计算模型。基于主应力旋转理论和简化的抛物线型滑移面,推导了滑移面上的侧向土压力系数;基于大主应力拱假设,采用极限平衡法建立了滑移面间土体中平均竖向应力的微分方程,并给出了解析解答;进一步,采用文中方法和经典理论解答分析了极限状态时滑移面间的土压力并与物理模型试验结果进行了对比,验证了方法的正确性;最后,进行了滑移面间非极限状态土压力算例分析,结果表明,建立的土压力解答能够较好地反映土体内部土拱演化过程中结构物上方及土体内部滑移面间的土压力状态及其与滑移面之间的演化关系。     

Experimental study of soil arching effect under seepage condition

Soil arching effect, which relates to the load transfer and stress redistribution in a soil mass, exists commonly in various geotechnical situations. Many researchers have conducted trapdoor tests and theoretical analyses to study the soil arching and its development in recent years. However, little attention has been paid to the interaction between soil arching and seepage flow, both occurring during the tunnelling of a seabed tunnel. To study the influence of the seepage flow on soil arching, a series of two-dimensional trapdoor tests were carried out considering different fill heights and water level heights. Two subvertical slip surfaces were observed during the tests using the PIV technique. It was found that seepage flow increased the displacement of the particles and the effective vertical stress acting at the top of the trapdoor. However, there was little difference in the development of slip surfaces between the seepage condition and the saturated/no-seepage condition. In addition, a nonuniform distribution of vertical stresses at the top of the trapdoor was observed. The effective earth pressure measured along the centreline of the trapdoor was larger than that on the two edges of the trapdoor. But this nonuniformity decreased with an increasing water level height in the test chamber.

     

考虑桩土差异沉降影响的桩网复合地基桩土应力比分析方法

桩土应力比是桩网复合地基或路基设计的重要控制参数,受土拱效应、拉膜效应和桩土相互作用及其耦合作用的综合影响,为此,本文首先引入几何同心拱模型,考虑桩土差异沉降与土拱发挥程度的关系,建立了新型桩网复合地基土拱效应分析模型,并根据水平加筋网变形特征将水平加筋网变形曲面视为球面与柱面的组合,建立了反映桩土差异沉降影响的拉膜效应分析模型。然后,考虑桩土相互作用及桩土差异沉降,建立了考虑路基填土、网、桩土加固区耦合作用的桩网复合地基荷载传递分析模型,进而提出了其桩土应力比分析新方法。该方法不仅能反映土拱效应、拉膜效应和桩土相互作用对桩土应力比的影响,而且还能反映桩土差异沉降对三者发挥程度的影响。最后,通过工程实例计算以及与现有同类相关方法的比较分析,表明了本文分析模型与方法的可行性与合理性。     

Numerical and theoretical research on stress distribution in the loosening zone of the trapdoor problem

The traditional theory of soil arching effect was developed on the assumption that stress distribution in the loosening zone is uniform. However, because of the deflection of principal stress' direction, the stress distribution in the loosening zone is actually ununiform. For the evaluation of principal stress axis deflection and stress redistribution, a discrete element method numerical model of trapdoor problem is established for the simulation of soil arching effect. Based on the numerical results, an arc shape of major principal stress trajectory and uniform horizontal stress distribution at the same depth of the loosening zone are adopted. An analytical model is raised to estimate the average loosening earth pressure acting on the trapdoor and stress distribution in the loosening zone at a limit state. In addition, comparison studies are carried out between the predictions of the proposed solutions and discrete element method numerical results as well as available model test results, thereby validating the accuracy of the proposed theoretical model. Both numerical and theoretical results indicate that the vertical stress distribution in the loosening zone is obviously ununiform. The load acting in the middle of loosening zone is transferred toward two sides so that the vertical stress distribution in loosening zone is concave.     

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。     

桩承式加筋路堤三维土拱效应试验研究

桩承式加筋路堤受力性状比较复杂,土拱效应对路堤的承载变形性状具有重要影响。通过三维土拱效应模型试验,研究桩-土相对位移、路堤高度、桩帽净间距和水平加筋体拉伸强度等因素对桩土应力比及路堤沉降的影响。结果表明：土拱效应发挥程度与桩-土相对位移密切相关,存在一个临界桩-土相对位移使得桩土应力比达到最大值,该临界桩-土相对位移约为6～8 mm。路堤高度与桩帽净间距之比越大,桩土应力比越大,路堤顶面差异沉降越小;桩帽宽度与桩帽净间距之比越大,桩土应力比越大,路堤顶面差异沉降越小。设置水平加筋体能有效提高桩土应力比并减小路堤顶面沉降;路堤越低,水平加筋体对桩土应力比的提高作用及对路面沉降的减小作用越明显;水平加筋体拉伸强度越高,这种作用越明显。桩承式加筋路堤三维土拱效应等沉面高度与桩帽净间距之比约为3.5。