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。     

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。     

基于水平土拱效应的桩间挡土板土压力计算研究

为了研究桩间存在土拱效应的挡土板土压力,本文根据桩间土拱的静力平衡条件和拱脚处土体强度条件,建立计算模型,得出了桩间土拱形状的空间函数。在分析桩间土拱形状的基础上,确定了桩间土体的滑裂面,从理论上推导出了桩间挡土板土压力计算公式。对影响土压力大小的各种参数进行了分析得出:在不同参数条件下,将其与朗肯土压力进行比较。结果表明在其他因素不变的情况下,挡土板土压力大小受桩间距影响最大,它随着桩间距的增大而增大。土压力明显小于朗肯土压力,说明考虑土拱效应的土压力计算方法使挡土板设计更加经济准确。     

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。     

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。     

推力桩桩间土拱几何力学特性及桩间距的确定

从推力桩桩间土拱形成的机理和力学特性入手,根据桩间土拱的静力平衡以及拱脚处土体本身的强度条件,建立了相应的计算模型。得到了工程设计中的桩间距、拱厚与土拱拱高之间的方程组。在该方程组之中只要确定其一,其余二者便可相应求解。如假定的是土拱厚与土拱拱高中的一个,则得出桩间距与桩间土体的抗剪强度参数成递增的关系。就基坑工程土压力分布的特点,对其处理方法提出了建议。以工程实例对推导的桩间距计算公式进行了验证,结果表明：实际设计值与计算结果基本一致。     

桩-网加固拓宽路堤土拱效应试验研究

采用桩-网加固拓宽路堤时,土拱效应对于分析新老路堤应力分布和差异沉降有至关重要的作用。依托某高速公路路堤拓宽项目对土拱效应进行研究,对试验段新路堤填筑过程及运营时基底桩及桩间土不同位置处土压力、加筋层拉应变进行监测,得到二维平面土拱效应的变化规律,并利用已有土拱效应计算方法对现场实测结果进行对比验证。结果表明,平面土拱作用范围在一定高度范围内,试验段约为2.0 m,即拱高、拱跨之比约为1.4,与英国规范BS8006[1]相近;按Guido法[2]与BS8006法[3]进行土工格栅的设计均过于保守,除Guido法以外,几种方法均低估桩间地基土的承担荷载贡献。因此,需在理论上作进一步研究。     

新型抗滑结构围桩-土的耦合效应分析

在引入围桩-土耦合式抗滑结构的基础上建立数值分析模型;通过分析该抗滑结构中围桩-土的应力、应变分布规律,详细探讨围桩-土整个结构的耦合效应特征。进一步开展模型试验,测试并分析围桩前、后土压力和桩身弯矩分布特征,论证了围桩-土耦合式抗滑结构的作用机制。最后,分析了桩后距离、不同深度及不同土体强度参数对土拱效应的影响。得到：（1）围桩与桩内土体耦合呈现出4种应力拱形态：紧邻围桩后为扩肩型拱、围桩间双曲线型拱、围桩间凸向桩外的抛物线型拱、围桩间凸向桩内的抛物线型拱;（2）相邻围桩采用约4倍桩径间距、正六边形布置并顶部用圈梁固结、锚固一定深度可形成一种耦合式抗滑结构。该结论对于该新型抗滑结构的推广应用具有一定的指导意义。     

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-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。     

深基坑挡土桩土拱效应特征分析

土拱效应是挡土桩工作原理的基础。采用有限元法首先研究了一个真正土拱的受力特征，以此为基础，分析了深基坑挡土桩后土体的受力状态；指出挡土桩后的土体可以分为3个区域：拱底应力区、土拱区和拱顶均匀应力区。在拱底应力区，最大主应力为拉应力；在土拱应力区，其受力特征与真正的土拱相同。给出了这3个区域的分界线特征，并讨论了荷载及挡土桩净距等因素对土拱区形状的影响。     

黏性土桩间土拱效应计算与桩间距分析

土拱效应是安全经济地发挥抗滑桩等非连续支挡结构的支护功能的重要前提,桩间距与成拱作用密切相关。利用合理拱轴线几何特征与受压破裂角方位,通过力学概念分析,将黏性土土拱计算的平衡条件和强度条件综合简化为以拱脚处拱圈轴向压应力表达的形式。继而从最少且最易获得的土工材料参数（内聚力c、内摩擦角?）出发,根据轴向压应力与矢跨比函数关系,利用摩尔-库仑强度准则,推导了拱曲线与桩间距上下限的简便计算式,再以此进一步探讨了考虑土拱效应三维稳定的桩间距校核,并以工程实例验证,以对土拱效应的估算提供简便清晰的计算方法。     

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。     

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。     

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。     

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。     

考虑土拱效应的抗滑桩桩间挡土板压力计算方法

为合理计算抗滑桩桩间挡土板的内力与变形,采用弹性力学理论分析了桩间土拱效应,计算确定出土拱的平面形态呈中间凸起而两侧略微凹陷的曲线特征,在此基础上,引入Drucker-Prager强度准则以考虑中间主应力影响分析三维土拱效应,通过桩间土体的屈服函数分析确定了沿竖向变化的水平土拱矢高,进而计算出因桩间局部塌落拱的产生而作用于挡土板上的土压力,并按空间土压力分布模式与矩形简支板模型计算挡土板。实例分析结果表明,本文方法和数值模拟得到的沿深度方向土拱矢高值较为接近;本文方法与规范方法计算得到的板体最大弯矩值相近,其误差不超过3%。     

瀑布沟大坝心墙拱效应分析

在总结前人提出的拱效应系数基础上,对拱效应系数的公式进行了改进,认为拱效应系数应该是实测土压力与上覆土压力和孔隙水压力之和的比值。结合瀑布沟大坝监测资料,用改进的拱效应系数计算公式对大坝心墙拱效应进行计算,并对心墙内拱效应进行动态分析。在施工期,施工工艺是影响大坝心墙拱效应系数的主要因素,填土在仪器埋设以上0～20 m时,拱效应系数较大,随着填土的增加拱效应系数减小,施工期坝体内应力分布在蓄水初期起决定性作用。在蓄水期,心墙上游侧拱效应系数与水位变化呈反相关联,拱效应系数比下游同高程和0+001 m处大;0+001 m处拱效应系数与水位变化呈正相关联,且此处拱效应系数最小;心墙下游处拱效应系数与水位变化呈正关联的关系,在心墙与基岩接触处拱效应系数大于100%。产生这种规律的原因主要有湿化、渗流、水力劈裂作用,三者共同影响,从而导致心墙内应力发生变化。     

黏性土填料下考虑土拱效应的挡土墙被动土压力计算

为解释挡土墙后填土被动土压力的非线性分布现象,在考虑土拱形状为圆弧,滑裂面采用朗肯滑裂面的基础上,给出考虑土拱效应的被动土压力系数Kawn,进而基于应力状态法及土楔形体静力平衡两种思想求解了竖向平均应力 公式,在该基础上,给出黏性土填料下的挡土墙被动土压力分布公式、合力公式及作用点高度计算公式。通过与试验与其他方法对比,文中提出的方法得到验证。最后,研究了黏性土填料下的挡土墙被动土压力变化规律,即考虑土拱效应求得的黏性土填料的被动土压力分布呈现上小下大的指数型分布。此外,随着δ/φ（δ为墙土摩擦角,φ为内摩擦角）的增大,土拱效应逐渐增强,土压力合力点逐渐降低。