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。     

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。     

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。     

考虑土拱效应刚性挡墙土压力研究

基于库仑土压力理论,假定刚性挡墙后主应力拱迹线为抛物线,推导了主、被侧土压力系数和水平微分单元间摩擦系数的理论公式,得到改进的主、被动土压力计算公式。研究表明：考虑土拱效应计算结果与模型试验结果吻合比较好。主动极限状态下,土体内摩擦角越小,墙土接触面上外摩擦角越大,土拱效应越明显,主动土压力合力作用点越上移;被动极限状态下,土体内摩擦角和墙土接触面上外摩擦角越大,土拱效应越明显,被动土压力合力点越往下移。     

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。     

考虑土拱效应的管棚合理间距计算方法

管棚作为隧道安全穿越不良地质地段的超前支护结构,依靠土拱效应发挥其支护作用,管棚间距与成拱效应密切相关。通过引入合理拱轴线,并考虑侧向土压力的影响,结合管棚间土拱破坏条件给出了管棚合理间距的计算方法,通过凤咀江隧道工程实例和离散元对比分析,验证了计算方法的合理性。进一步分析了管棚间距随管棚所处位置的变化规律以及管棚直径、土体参数等对管棚间距的影响规律。结果表明：当侧向土压力系数较小时,拱腰至边墙处管棚间距可适当调大;当侧向土压力系数较大时,拱顶至拱腰处管棚间距应适当减小。管棚间距随管棚直径和土体黏聚力的增加而线性增加,且与土体内摩擦角数呈正相关关系,随内摩擦角增大,对管棚间距的影响也越来越大。     

考虑土拱效应的管棚合理间距计算方法研究

管棚作为隧道安全穿越不良地质地段的超前支护结构,依靠土拱效应发挥其支护作用,管棚间距与成拱效应密切相关。通过引入合理拱轴线,并考虑侧向土压力的影响,结合管棚间土拱破坏条件给出了管棚合理间距的计算方法,通过凤咀江隧道工程实例和离散元对比分析验证了计算方法的合理性。进一步分析了管棚间距随管棚所处位置的变化规律以及管棚直径、土体参数等对管棚间距的影响规律。结果表明:在侧向土压力系数较小时,拱腰至边墙处管棚间距可适当调大,当侧向土压力系数较大时,拱顶至拱腰处管棚间距应适当减小;管棚间距随管棚直径和土体粘聚力的增加线性增加,且与土体内摩擦角数呈正相关关系,随内摩擦角增大,对管棚间距的影响也越来越大。     

考虑土拱效应的管棚合理间距计算方法研究

管棚作为隧道安全穿越不良地质地段的超前支护结构,依靠土拱效应发挥其支护作用,管棚间距与成拱效应密切相关。通过引入合理拱轴线,并考虑侧向土压力的影响,结合管棚间土拱破坏条件给出了管棚合理间距的计算方法,通过凤咀江隧道工程实例和离散元对比分析验证了计算方法的合理性。进一步分析了管棚间距随管棚所处位置的变化规律以及管棚直径、土体参数等对管棚间距的影响规律。结果表明:在侧向土压力系数较小时,拱腰至边墙处管棚间距可适当调大,当侧向土压力系数较大时,拱顶至拱腰处管棚间距应适当减小;管棚间距随管棚直径和土体粘聚力的增加线性增加,且与土体内摩擦角数呈正相关关系,随内摩擦角增大,对管棚间距的影响也越来越大。     

砂性土成拱应力释放特性的模型试验及数值模拟研究

通过室内模型试验研究了卸荷尺度及孔隙率对砂性土成拱应力释放特性的影响,并应用离散元分析软件PFC2D进一步对颗粒摩擦性质影响、成拱后应力场以及位移场变化规律和应力释放分区进行了细观研究。研究发现：（1）数值模拟对卸荷尺度影响因素的研究结果与室内试验一致,应用PFC2D研究砂性土应力释放特性是可行的。（2）应力释放区内竖向应力释放大于应力加载区,而水平应力释放小于应力加载区;侧压力系数在应力释放区内距离卸荷位置越近增量越大,而在应力加载区距离卸荷位置越近增量越小。（3）砂性土摩擦性质会减小土体成拱对应力释放以及侧压力系数变化的影响。（4）应力释放随着卸荷尺度及孔隙率的增大而增大;对于侧压力系数,在应力释放区内随着卸荷尺度或孔隙率的增大而增大,而在应力加载区随着卸荷尺度或孔隙率的增大而减小。     

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...     

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。     

静动荷载下桩网结构路基模型试验研究

通过室内模型试验测试了桩网结构路基各部分在动静两种荷载下的桩-土应力、格栅拉力,研究了土拱效应的发展演化机制以及土工格栅拉膜效应的发展特点。试验结果表明：桩-土应力以及格栅拉力的分布都是路基横截面方向上大于其纵向延伸方向,这与路基的梯形截面设计相关;空间土拱效应要强于平面土拱效应,空间土拱效应的极限状态出现在桩-土应力比为3.8时,平面土拱效应的极限状态出现在桩-土应力比为2.2时;动荷载下土拱效应较静载有一定的衰减,且静载下土拱效应越强的部位在动载的下衰减程度越大,桩间土压力随振次的发展趋势类似N型,与桩顶土压力的变化趋势正好相反。     

考虑土拱效应的挡土墙主动土压力与被动土压力统一解

土拱效应对倾斜挡土墙下的主动土压力及被动土压力有重要的影响,但是相关计算理论研究略显不足。为了将土拱效应考虑到倾斜挡土墙下的土压力计算中,首先通过应力摩尔圆及静力平衡法分别给出了考虑土拱效应下主动土压力及被动土压力计算所需的两大因素：侧向土压力系数及竖向平均应力公式。在此基础上建立了考虑土拱效应的倾斜挡土墙主动土压力及被动土压力的统一表达式,并将其应用到求解土压力合力及其作用点高度的计算中。算例表明,土拱效应对于主动土压力与被动土压力的影响不同。随着墙体倾角的增大,主动土压力作用点高度逐渐降低,即土拱效应随着墙体倾角的增大而降低。与前述相反,随着墙体倾角的增大,被动土压力作用点高度逐渐降低,即土拱效应的影响随着墙体倾角的增大而增大。     

钢筋混凝土箱涵竖向土压力理论研究 ——梯形沟谷设涵

梯形沟谷设涵在山区公路和铁路建设中的应用非常广泛。然而,目前规范中尚无梯形沟谷设涵的设计方法。现有的研究主要针对上埋式和沟埋式涵洞,对天然梯形沟谷埋设涵洞时的涵洞受力性状的研究甚少。通过数值模拟得出梯形沟谷设涵时,钢筋混凝土箱型涵洞顶部填土内的应力状态和土拱的分布规律。在此基础上建立理论模型,推导涵洞土压力理论计算式,并验证理论方法的正确性。此外,对涵顶土压力的影响因素进行了参数研究。结果表明,梯形沟谷设涵时涵洞的受力状态不同于上埋式和沟埋式两种情况。当涵顶填土高度到达临界高度时,填土中会形成上、下两层土拱。下层土拱效应使涵顶产生土压力集中,上层土拱效应会减小涵顶的土压力集中。涵顶土压力的大小取决于涵顶的填土高度、沟谷坡角、沟谷宽度、涵洞的几何尺寸及填土的性质。     

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。     

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.