抗滑桩结构土拱的分拆与联合研究

采用FLAC3D软件,建立了抗滑桩结构工程中摩擦拱、端承拱和联合拱3种数值模型。对比研究3种拱在形成发育、拱强度影响因素及规律等方面的异同,探讨了两单独拱的联合机制。结果表明,联合拱发育以摩擦拱形成为始点、以端承拱破坏为终点,两单独拱并存且各有明显的主导区。联合拱的分布区域、极限承载力和塑性区分布均可近似为两单独拱情况的叠加,且端承拱在其中占较大比例。不同影响因素对同种拱的影响性质及影响程度均存在差异,同一影响因素对不同拱的影响性质一致但影响程度不同。联合拱的分拆和两单独拱的联合,提供了研究土拱效应的新路径,有利于认识的深化和细化。     

特殊截面抗滑桩受力特征与土拱效应分析

对于传统矩形截面抗滑桩的受力而言,由于混凝土抗压不抗拉的力学性质,使截面受拉区的混凝土没有发挥出最大效用。通过对矩形截面形状的改变,即把受拉区面积减小和受压区面积增大,进一步利用了混凝土在截面中的抗压性能,使得抗滑桩截面的抗弯承载力和抗弯刚度都得到了提升,并通过计算,验证了此说法。截面形状的改变,也使得桩间土拱受力发生了改变,即从以前的一个土拱,变为了由一个主要拱和一个次要拱来共同承担,对桩间土拱效应有一定增强。通过对矩形截面和特殊截面抗滑桩的数值模拟对比分析,论证了桩间土拱效应在截面改变后得到增强的观点,也表明特殊截面抗滑桩降低了土体从桩间滑出的可能性,可为抗滑桩的传统设计提供理论参考。     

再论悬臂式抗滑桩合理桩间距的计算方法

为了进一步合理确定悬臂式抗滑桩桩间距,在对以往关于开挖边坡抗滑桩桩间距分析模型缺陷讨论的基础上,提出在抗滑桩桩后局部所形成的拱脚处,两侧土拱在此交汇形成的是倒梯形受压区。在计算确定悬臂式抗滑桩桩间距时,除满足桩间静力平衡条件、土拱跨中及拱脚处的强度条件等基本控制条件外,还需满足桩计算宽度条件、桩土变形协调条件等附加条件,得到了确定桩间净距的方程组,通过迭代试算可以求解。依托一工程实例,定量地说明了在其他因素不变的情况下,桩间净距随桩后土体黏聚力或内摩擦角的增大而非线性增大,且桩间净距受黏聚力的影响更为敏感,同时桩间净距随着桩后坡体推力的增大而呈非线性减小。所提出的方法除可用于黏性土外,还可用于无黏性土。     

双排桩桩排间土拱效应的发育规律研究

双排抗滑桩是治理大型滑坡的有效手段之一。目前对单排桩桩后土拱效应的研究较多,但对桩排间岩土体中土拱效应的研究还比较少。桩排间土拱效应是滑坡推力在前后排桩之间传递的媒介。运用大型通用有限元程序ANSYS,建立三维有限元模型,分析桩排间岩土体中应力的转移与重分布,并探讨桩间距与桩宽之比以及桩排距对桩排间土拱效应的影响规律。分析结果发现,在合适的滑坡推力作用下,桩排间岩土体中能够出现土拱效应;随着桩间距与桩宽之比或桩排距的增大,桩排间土拱效应将会消失。在双排桩的设计中,应选择合适的桩排距和桩间距,建议桩间距取2~3倍的桩宽,桩排距取2倍的桩截面高度。     

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。     

考虑土拱效应的悬臂式抗滑桩最大桩间距确定

合理桩间距的确定是抗滑桩设计的重要内容之一。认为抗滑桩的抗滑能力主要来自桩身迎荷面的阻滑能力和桩侧的阻滑能力这两个方面。在假定抗滑桩这两方面的阻滑能力均充分发挥的基础上,从桩侧摩阻力与桩后土拱极限剪切作用厚度范围内的摩阻力与拱后滑坡推力之间的静力平衡条件出发,基于Mohr-Coulomb强度准则,简化摩阻力的分布形式,建立悬臂式抗滑桩桩间距的计算公式。在此基础上,进一步研究了滑坡体的黏聚力、滑坡推力及抗滑桩的截面尺寸等因素对桩间距的影响。参数分析结果表明：桩侧阻滑能力在整个抗滑桩的抗滑能力中占有重要比例,且主要受桩侧面宽度控制;滑坡土体的黏聚力、内摩擦角,桩截面宽度等因素对抗滑桩最大桩间距具有较大程度影响。     

考虑滑体法向应力突变的阻滑桩成拱效应研究

依据阻滑桩的受力特点,研究了桩间土拱效应的传力机理,分析指出桩间土拱效应是法向应力和拱脚剪切力共同作用而产生的土颗粒挤压变形现象,提出采用突变效应替代常用的桩-土承载比衡量桩间土拱效应的强度及作用范围更为直接可靠.模型桩推力试验结果和三维有限元模型计算表明,桩间水平土拱具一定的纵向效应,据此对比分析了阻滑桩三维与二维计算结果之间的异同,指出桩间土拱效应不仅受桩-土相对位移的影响,同时也受滑体自重应力和滑面摩擦效应的制约.运用二维模型重点研究了桩-土相对位移、桩间净距、推力荷载、土体抗剪强度对桩间土拱效应的影响,将所得规律与已有文献作了进一步地对比,继而总结了上述因素对拱效应的敏感度.     

微型抗滑桩土拱效应空间特征的细观力学分析

目前研究中大多将土拱效应简化为平面应变问题,而微型抗滑桩由于桩径小,在承担滑坡推力时将发生较大的变形,其土拱效应的产生和发展具有明显的三维空间特征,目前的研究方法难以考虑这一问题。为此采用基于离散单元法的颗粒元程序PFC3D,利用平行黏结模型建立微型抗滑桩进行分析。模拟结果显示,微型抗滑桩系统中土拱主要出现在接近滑面的深部和中部土体中,浅部土体中土拱受到桩身位移的影响无法成型,且桩间以水平土拱为主,桩长和桩身刚度对微型抗滑桩系统的土拱分布影响不大;随着桩间距的增加,土拱的形成受到显著影响。     

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。     

边坡桩-土相互作用的土拱力学模型与桩间距问题

桩-土相互作用机制是边坡抗滑桩设计需要考虑的重要因素之一。基于抗滑桩在侧向荷载作用下的受力条件,通过土力学和弹性力学的基本理论,导出了桩-土作用下桩后土体任意点的应力解析解,建立了土拱的力学模型;获得了土拱应力的等值线分布,得出了双曲拱、扩肩拱、马鞍拱和圆弧拱4种土拱形态,分析了不同桩间距、桩宽、桩后距离及土体力学特性对土拱效应的影响及其变化规律,阐明了土拱的作用机制。以拱体内土体破坏时的极限平衡状态为依据,基于Mohr-Coulomb抗剪强度理论建立了最大桩间距控制方程,并给出了具体的工程实例,对桩-土相互作用机制和抗滑桩设计理论研究具有一定的参考价值。     

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。     

长短桩组合路堤桩三维复合拱土拱效应分析

基于等长桩路堤桩土拱效应的Hewlett分析方法,提出均布荷载作用下长短桩组合路堤桩的三维复合拱土拱效应分析方法。采用有限元法形象描绘土拱效应形成的应力集中形态随长桩与短桩的桩长比不同时的变化,基于此提出三维复合拱的基本理论框架。引入土拱效应系数来表征土拱的强度状态,建立桩帽顶部平面的应力平衡微分方程,结合边界条件及土拱效应系数之间的关系计算长桩和短桩的桩-土应力比;当加筋体存在时,分区域对加筋体进行变形假设,建立考虑加筋体拉力的桩帽顶部应力平衡微分方程。与离心模型试验和现场实测结果及有限元方法的模拟结果进行比较,验证了此方法的合理性,进一步开展参数分析对主要影响因素进行等级评价。分析表明,加筋体的存在明显增大桩-土应力比,尤其当桩帽覆盖率比较小时效果更为明显。     

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。     

动荷载下桩承式路堤的承载特性及机制研究

对于桩承式路堤作用效应的研究目前主要侧重于对静荷载作用下桩土应力比和土拱效应等,较少考虑动荷载的影响,而车辆运行产生的动应力会对路堤中的土拱产生一定的影响,进而影响桩承式路堤的整体性能。为了分析静、动荷载作用下桩承式加筋路堤的性能变化,采用可视化模型试验和颗粒流数值模拟相结合的方法,对桩承式路堤在静载和动载下的应力传递和变形性状进行研究,分析动载作用下填土高度、桩帽、桩距、加筋形式、荷载频率的影响。试验结果表明,在动载下无筋路堤的桩顶的应力减小,而桩间的应力和位移增大,并且变化的幅度均比加筋路堤大,加筋材料的设置有利于减小动载的影响效应,但不同加筋形式下桩承式路堤的工作性状有所不同,受动载影响程度的大小主要与土拱效应的强弱有关。设置双层加筋时,因加筋材料与周围砂土形成半刚性平台,土拱效应减弱,故受动载影响的程度最小,单层加筋时,格栅设于桩顶上方10 cm比格栅置于桩顶受动载影响的程度明显减小,颗粒流的模拟结果验证了以上结果,并且进一步得出随荷载频率的增加、填土高度与桩净距的减小,动载的影响效应增大的结论。     

抗滑桩设计中关于确定桩间距问题的分析

抗滑桩间距的确定是滑坡防治工程中的关键之一。本文基于土拱效应,分析桩间土拱的受力状态,通过土拱能够保持整体稳定性、拱顶和拱脚处截面最不利受力点达到临界应力状态来共同控制桩间距,得到了较为合理的桩间距计算公式,在其它因素不变的情况下,分析了桩间距与桩后滑坡推力、土体粘聚力和内摩擦角之间的关系,并结合工程实例进行了验证。     

邻近堆载作用下排桩负摩擦力特性研究

利用三维非线性弹性有限元方法研究了承受邻近堆载作用的排桩的负摩擦力特性,分析了排桩间距以及堆载与排桩之间距离的变化对桩身负摩擦力特性的影响,揭示了该类桩桩身轴力的变化规律。研究表明：随着堆载的增大,桩身轴力也随之增大,当堆载增至一定值时,桩间土产生土拱效应,桩身轴力略为减小,堆载继续增大时,土拱效应遭到破坏,桩身轴力再次增大;当堆载增大到一定值时,桩顶部产生局部拉应力,且随着堆载与桩之间距离的增大而增大,中桩的拉应力比边桩要大;桩身最大轴力点位于0.65～0.75倍的桩长处,边桩的轴力大于中桩;随着桩距的增大,桩身轴力也随之增大,而土拱效应削弱;当堆载距排桩一定距离时,桩身轴力达到最大。     

桩-土界面倾角和含水率对抗滑桩的阻滑效应分析

为研究不同界面倾角及含水率对桩–土界面的阻滑效果,首先基于变倾角组合体三轴不固结不排水试验,比较了不同界面倾角和含水率条件下变倾角组合体破坏模式和抗剪强度的差异性,然后结合室内试验抗剪强度参数,通过数值模拟方法比较不同界面倾角和含水率对桩–土界面的阻滑效果,并基于塑性变形理论确定临界含水率wmax,最后依托工程案例对抗滑桩截面进行优化。结果表明：界面倾角和含水率是导致变倾角组合体破坏模式和抗剪强度差异的主要原因,当含水率较低时,适当增大倾角能提高组合体试样的抗剪强度;当土体含水率较小时,随着桩侧倾角的增大,桩–土界面阻滑效果呈现先增加后降低趋势,当桩侧土体含水率较高时,桩–土界面倾角越大,桩–土界面阻滑越小;当考虑桩间土拱效应时,适当增加抗滑桩桩背受压区三角形截面,作用在桩侧摩擦拱上的等效集中荷载最大可降低33%左右。相关研究成果对抗滑桩的设计具有借鉴意义。     

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。     

抗滑桩护壁外壁形态对土拱效应影响的数值模拟

为揭示抗滑桩护壁外壁形态对土拱效应的影响规律,引入抗滑桩护壁外壁形态系数h,采用平面应变有限元方法,在不同抗滑桩外壁形态参数h下,研究了桩周及桩后土体位移、应力等因素的变化规律。研究结果表明：土拱效应的发挥程度,桩周土体的应力和变形与桩体外壁的形态有关。在h为4 cm、8 cm时,桩周土体的应力、位移变化量最大,增强了土拱的抗滑效用;当h大于8 cm时,桩周土体的应力、位移变化量随着h的增加逐级递减;当h接近极值时,桩周土体中的应力、位移变化不大,此时抗滑桩护壁外壁形态对土拱效用起不到积极作用。     

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。