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。     

基于改进SW滑楔模型刚性抗滑桩极限滑坡推力智能优化计算方法

采用刚性抗滑桩加固沿软弱结构面滑动的边坡时,桩后土体会逐渐形成一个三维滑动土楔,作用于桩上的极限滑坡推力(Pult)就转化为滑动土楔所产生的被动土压力。本文以更符合实际的对数螺旋线面代替应变楔(SW)模型中直线型滑楔底面,得到改进SW滑楔模型,并基于倾斜薄层单元法,引入智能优化法-粒子群优化(PSO)算法计算Pult。最后还探讨了桩位、桩径以及土体参数变异性对Pult的影响,结果表明:当桩间距较大,桩位设置在坡的中部时,作用于桩上的极限滑坡推力Pult小于按规范推荐的传递系数法所得计算结果,而且Pult与桩径基本上呈线性关系。根据对土体参数不同变异系数进行抽样计算,可得到Pult的变异系数δPult,由此法得到的δPult结果可直接用于刚性抗滑桩可靠性分析计算。     

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。     

柔性支护黏性土基坑非极限被动土压力研究

经典的Rankine和Coulomb土压力计算理论均建立在土体达到极限平衡状态的基础上,并不适用于位移需要严格控制的基坑工程。以柔性支护的黏性土基坑边坡为研究对象,考虑边坡土拱效应、非极限状态下柔性支护结构与土体间内摩擦角以及黏聚力发挥值、土体内摩擦角以及黏聚力发挥值的影响,从黏性土应力莫尔圆出发,采用微层分析法建立静力平衡,搜索边坡土体潜在滑动面,推导柔性支护黏性土基坑的非极限被动土压力计算式。通过实例计算对比分析了本文计算理论与经典Rankine计算理论,推导公式计算得到的被动土压力小于Rankine计算值19%,合力作用位置低于Rankine计算值,作用位置距桩底距离较Rankine计算值小1.5%,计算得到的潜在滑动面为一水平倾角随深度逐渐减小的曲面,潜在滑动面范围小于Rankine极限状态滑动面。     

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。     

L型抗滑桩加固土坡特性的离心模型试验与有限元模拟研究

L型抗滑桩在传统等截面抗滑桩的基础上加入横段,有效提高桩的稳定性和加固边坡效果。本文采用离心模型试验与数值模拟相结合的方法研究了L型抗滑桩加固土坡的变形特征与桩土相互作用。基于离心模型试验得到了L型抗滑桩加固土坡的位移场,并采用有限元软件对离心模型试验过程进行了数值模拟,数值与试验结果得出的土坡荷载位移曲线吻合程度较高,水平位移分布趋势基本一致。模拟结果表明,L型抗滑桩的加固效果明显优于传统等截面抗滑桩,土坡位移减小约25%,桩转角减小约70%。通过对比、融合离心模型试验观测与数值模拟结果,分析了L型抗滑桩对土坡的加固效果及桩-土相互作用。横段上下侧的土压力分布相差很大,差距最大时上侧土压力仅为下侧土压力的20%左右。L型抗滑桩横段与土的摩擦力分布存在极小值,竖直段抗滑桩可以改变土坡位移场,使得内侧位移分布存在极大值。坡体受力变形分析结果表明,抗滑桩导致土坡出现土拱效应,L型抗滑桩的横段会进一步增强土拱效应,形成应力重分布,使横段所受土压力增大,提高抗滑桩的稳定性。     

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。     

考虑空间协同作用框架式抗滑桩的计算方法

基于空间协同作用的框架式抗滑桩力学分析模型考虑了桩、梁、岩土之间的相互作用及桩间土拱效应, 运用空间协同分析机理对框架式抗滑桩结构的内力和变形规律进行分析, 较好的弥补了当前主要采用桩土效应对多排抗滑桩进行受力分析的局限性.根据框架式抗滑桩受力模型的基本假定, 采用分段计算方法, 以框架式抗滑桩的滑动面为分界将桩体结构分为两段, 综合运用土拱效应、平衡协调原理及弹性地基梁方法, 分别建立框架式抗滑桩上下部分的受力计算方程, 给出该模型受力计算的数学解析方程组求解法, 并采用MATLAB对方程组进行编程计算, 结合工程实例的实验结果进行对比分析该数学解析法的正确性.      

微型组合抗滑桩距径比的模型试验

针对碎石土滑坡沿基岩顶面滑移的问题,在平行布置3排微型组合抗滑桩进行加固的条件下,通过开展微型组合抗滑桩的模型试验和有限元分析,研究微型组合抗滑桩在不同距径比条件下土拱效应的形成特点与承载机理,在此基础上得出了最佳的距径比。结果显示,微型组合抗滑桩在一定的荷载作用下,首先沿受力方向第1排桩间形成土拱效应,然后随距径比的增加,依次在第2排、第3排桩上形成土拱效应,并且前排桩的荷载分担比明显大于后排桩的荷载分担比;当距径比小于3和大于11时,没有明显的或者不存在土拱效应,距径比为7和8时土拱效应最为理想。     

基于土拱效应下的地震作用与抗滑桩桩间距关系分析

基于抗滑桩桩间土土拱效应,建立在地震作用下土拱效应的力学分析模型,在Mononobe-Okabe理论的基础上,将土拱作用等效为挡土墙作用,提出在一定地震设防烈度下土拱面上水平地震力的计算方法;在考虑滑坡推力和地震力两种外力作用下,依据桩间土在极限平衡状态下的静力平衡条件和强度条件,得出桩间净距理论计算公式.工程实例和系列试算表明,同等条件下,考虑地震作用比不考虑地震作用桩间净距要减小4％ ～ 23％,由此得出不同抗震设防等级下桩间净距计算的折减系数和桩间净距直接折减计算公式,以指导抗滑桩工程设计.     

深厚软土中抗滑桩的修正悬臂桩计算方法

大面积堆填或开挖时深厚软土地层内部常产生较大滑移,这为该类地层中考虑桩土作用的抗滑桩分析带来较大困难。考虑深厚软土的滑移性状,针对既有悬臂桩法计算存在的问题进行修正,滑动面上部桩身受荷段的桩身荷载采用等腰三角形分布且极值点为极限侧土压力,设滑动面下部桩身锚固段上侧桩周软土为理想弹塑性以考虑软土大位移条件,下侧为弹性状态,并通过位移叠加原理对传统方法求解产生滑动面不连续的缺陷进行修正。通过现场桩侧堆载试验验证,修正悬臂桩法的弯矩和位移计算结果较好,桩顶位移误差小于3%,桩身最大弯矩误差小于10%。所提方法有助于深厚软土地层抗滑桩的设计和计算。     

基于双剪强度理论土拱效应的基坑支护桩间距分析

在分析桩间土拱效应形成机理的基础上,以圆形支护桩为研究对象,利用合理拱轴线和起拱点土体破坏面等几何特征,建立抛物线土拱分析模型,通过桩间土拱静力平衡条件和双剪强度理论来确定桩间距,推导出圆形支护桩的合理桩间距计算公式,桩间净距随桩后土体粘聚力或内摩擦角的增大而增大,却随着桩后主动土压力或中主应力参数m的增大而减小,且随着参数m的增大,桩后主动土压力是逐渐增大的.最后通过工程实例计算支护桩间距,并与有限元法和规范法计算结果进行比较,验证了基于双剪强度理论土拱效应的基坑支护桩间距计算结果的合理性和安全性.     

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。     

基于土拱效应的改进抗滑桩最大桩间距计算模型

在目前抗滑桩工程中,抗滑桩布设参数的选取一般多依据工程经验确定,缺乏理论基础的支撑,过分偏于保守的设计会造成一定的投资浪费。根据对抗滑桩与滑坡体相互作用过程的分析,指出抗滑桩桩间土拱是土拱效应作用过程中的最后阶段,并对抗滑桩最大桩间距模型的理论基础进行了论证。在原有对抗滑桩桩间土拱效应研究的基础上,提出了基于土拱效应的改进抗滑桩最大桩间距计算模型。通过滑坡工程实例的对比研究发现,最大桩间距模型比原有计算模型具有更好的工程适用性,可为抗滑桩工程中抗滑桩间距的确定提供科学的依据。     

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。     

基于曲线滑裂面的挡墙主动土压力分析

土体滑裂面形状对挡土墙主动土压力有重要影响。以无黏性填土挡墙为研究对象,假设在考虑土拱效应时,极限状态下墙后土体的滑裂面为曲线,基于水平微分单元法推导出平动模式下挡土墙主动土压力的分布。首先将计算与模型试验结果及已有理论研究成果进行对比分析,验证了方法的可靠性;其次,研究土体内摩擦角和墙-土摩擦角对主动土压力分布、合力大小和作用点高度的影响。结果表明:基于曲线滑裂面假设得到的滑动楔体范围略大于采用直线滑裂面的假设;对于不同高度的挡土墙,建议的计算结果与模型试验结果更为符合;对于不同的土体内摩擦角和墙-土摩擦角,土压力的分布形式和合力作用点与Paik解较为接近,但合力略大于Paik解。     

嵌岩桩抗滑特性的物理模型试验研究

进行嵌岩桩与滑坡体相互作用的框架式滑坡物理模型试验,根据微型土压力盒和电阻应变计的监测数据,分别研究滑坡推力作用下模型桩的受力特征、桩身弯矩分布规律及模型变形破坏模式。试验结果表明,嵌岩桩加固后的滑坡,桩后推力随深度的增加呈抛物线型分布形式,合力作用点约在滑动面以上模型桩自由段的1/2处;嵌岩模型桩有明显的抗滑特性,承担了大部分桩后推力,传递至桩前土压力值较小且稳定;模型桩的桩身弯矩分布形式不同于普通抗滑桩弯矩分布形式,自由段埋深0~15 cm范围内为主要弯矩承受区域,最大弯矩截面位于滑面上模型桩自由段1/3处,滑动面处桩身弯矩绝对值较小;滑坡模型在沿滑面推力加载作用下发生桩后滑体越桩滑动破坏。该试验成果为嵌岩桩的抗滑特性研究提供了科学依据,可为该类型抗滑桩设计提供一定的指导性建议。     

考虑边坡内孔隙水压力效应的抗滑桩简化分析方法

将塑性极限分析上限定理与抗剪强度折减技术相结合,建立了考虑孔隙水压力效应的抗滑桩加固土坡的极限平衡状态方程,采用数学优化方法求解桩侧极限有效土压力及相应的潜在破坏模式,其中水对边坡的影响作用通过虚功方程来体现,将孔隙水压力当作外力荷载做功,进一步地,基于获得的桩侧无量纲极限有效土压力,建立了抗滑桩的挠曲微分方程,采用有限差分法求解桩身的反应。在此基础上,针对典型算例边坡进行变动参数计算与对比分析,探讨了孔隙水压力对抗滑桩加固力与最优加固位置的影响。     

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。