考虑土拱效应的超大断面隧道上覆土影响因素分析

超大断面隧道上覆荷载是隧道支护结构设计的关键参数。依托某超大断面隧道工程,建立数值模型分析不同覆土厚度与洞径之比下土层黏聚力、内摩擦角和剪胀角对隧道上覆土竖向应力的影响。结果表明:随着覆土厚度与洞径之比增加,土拱效应逐渐显现;各地层参数对隧道上覆土竖向应力的影响程度由大到小依次为内摩擦角、黏聚力、剪胀角。

考虑土拱效应的多层土体墙后主动土压力模式研究

土拱效应已经被广泛证明存在于岩土工程中,然而关于土拱效应的土压力研究目前常局限于单层土体,对于多层土体墙后主动土压力的分布规律尚不清楚。基于土拱效应理论,提出了多层土体挡土墙后非线性主动土压力求解公式,并通过两种典型地层研究了土体内摩擦角和墙土摩擦角对主动土压力分布规律的影响。结果表明:所提出的计算公式能够很好地描述多层土体墙后主动土压力分布规律,计算结果与数值模拟结果基本一致;当上、下土层参数一致时,该公式可以退化成单一土层土压力计算模型;当墙土摩擦角充分发挥时,上层土体墙后土压力受土体内摩擦角影响明显,而当墙土摩擦角部分发挥时,下层土体墙后土压力受墙土摩擦角影响更大。

基坑开挖坑底土拱效应离心模型试验及数值分析

基坑开挖会导致坑底产生土拱效应。与活动门上方土拱效应相比,基坑底土拱效应发展方向与土体自重应力方向相同且具有不同的力-位移边界条件。为探究土拱效应影响下基坑底土体竖向应力和回弹变形等力学响应,开展了干砂地层基坑开挖离心模型试验,并同时进行了不同开挖深度和宽度的多工况下数值分析。研究表明,基坑底地层存在差异变形和应力转移现象,证明了坑底土拱效应的存在;基坑底存在松动区和土拱区,松动区内土体相对密实度明显下降,土拱区以下地层回弹量仅占坑底总回弹量的20%;开挖深度和宽度是影响坑底土拱效应形成-演化的关键因素,二者与松动区和土拱区高度呈正相关。研究结论可为预测基坑开挖导致的地层响应和下方既有地下结构变形控制提供支撑。

悬臂式抗滑桩桩后土拱效应及影响因素分析

悬臂式抗滑桩常用于边坡的加固支护,为研究桩后土拱效应的影响因素及主应力分布规律。文章采用数值模拟软件,建立三维悬臂抗滑桩数值模型,分析抗滑桩桩后土体应力分布规律。结果表明:桩后土体深度越深,土拱效应越不明显,土拱在三维形态上呈上宽下窄,后陡前缓的近楔形体形状,距坡顶深度越深土拱后缘越接近凌空面。研究结果为抗滑桩的合理优化设计提供参考。

基于颗粒非连续变形法的路基桩网结构土拱效应

桩网路基由于其施工工期短和沉降变形小等优点在中国铁路和公路建设中得到了广泛的应用。为研究桩网路基中土拱效应的机理和影响因素,采用非连续变形分析方法(discontinuous deformation analysis, DDA),通过改变路基高度、桩间净距和土工格栅参数建立了九种不同模型。结果表明:数值结果与实验结果吻合良好,验证了非连续变形分析方法在模拟路基桩网结构土拱效应上的可行性;随着路基高度的增加,土拱产生的作用逐渐显著,等沉面高度稳定为0.8~0.85倍桩间净距;桩间净距对桩土应力比峰值时刻有明显影响,随着桩间净距的减小,桩顶接受来自路基荷载传递的压力增大,桩土应力比达到峰值的速度加快。桩间净距的减小会导致等沉面高度的下降;加入土工格栅后,桩网结构所产生的桩土应力比与未加入土工格栅的相比更大,说明土工格栅可有效提高路基强度。

土拱效应下桩板墙承载性能及土压分布研究

桩板墙承载能力发挥主要是依靠相邻两桩间的土拱效应,鉴于此,研究桩板墙工程中的土拱效应发挥程度有助于探究桩板墙的承载性能。本文主要采用理论分析的方法对桩板墙后土拱效应的形成机理以及土拱效应发挥程度定量分析指标—桩板荷载分担比η进行探究。采用数值模拟的方法分析了土拱效应在桩板墙后的分布规律,探明了桩板墙的承载性能发挥程度,为边坡支护桩板墙的设计与施工提供了重要的理论依据和技术支持。

悬臂式抗滑桩土拱效应影响因素研究

土拱效应决定着抗滑桩支护作用的发挥,然而目前对其影响因素的研究还不够深入。借助有限元模拟方法,以某采用悬臂式抗滑桩进行加固的基覆型边坡为例,构建三维模型,从桩截面尺寸、桩间距、抗剪强度参数几方面对土拱效应的影响因素进行探讨。结果表明,桩间距相对桩截面尺寸对土拱效应影响更明显,土拱效应随桩间距的增大而减弱。粘聚力和内摩擦角较小时对土拱效应影响显著,增大到一定值后影响不明显。

抗滑桩桩宽及桩间距对土拱效应的影响数值模拟研究

为研究抗滑桩产生的土拱效应影响因素,文章以某公路边坡为研究对象,在对该边坡进行现场地质调查的基础上,采用离散元数值模拟软件PFC,分析不同桩宽和桩间距对土拱效应的影响。主要结论如下:(1)影响土拱效应的因素包括抗滑桩桩宽、桩间距、土体粒径及力学性质等;(2)抗滑桩越宽,产生的土拱越明显,且抗滑桩极限承载能力越强,两者之间满足函数关系qmax=466.85b+99.04;(3)土拱极限承载力与桩间距呈负相关,两者之间满足幂函数qmax=2770.1S-0.58。研究结果对于抗滑桩桩宽及桩间距的合理设计具有一定的参考意义。

以钻掘桩工法稳定边坡的土拱效应与稳定分析

钻掘桩工法是一种可行且适应地形能力强的边坡稳定方法。本研究同样采用数值分析的方式观察钻掘桩工法中土拱效应与破坏面发展的关系,并以稳定模型方式建立土拱效应的贡献。研究结果显示,边坡破坏面发展及深度均与桩径比(S/D)息息相关,充分反映出钻掘桩间土拱效应的贡献。整体而言,当地层倾斜角度(α)为0°且S/D由2增加到4时,破坏面受两侧桩体影响已大幅下降,显示出土拱效应贡献的大幅降低。另外,在不考虑岩层影响下(α=0°),土拱效应影响较为显著,且随着坡角增加其影响性更大。基于多个文献案例与实际工程应用与结果比较,本研究建立的稳定模型具有可靠性与合理性,且可快速量化钻掘桩在边坡FoS上的贡献,实现工程实践上的应用需求。

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。

基于颗粒流的抗滑桩土拱效应研究

抗滑桩土拱效应的研究目前主要是建立在连续介质理论基础上,难以考虑土体颗粒粒度组成等重要影响因素,因此有必要进一步深入揭示土体这种非连续、非均匀散粒体的成拱机理。利用颗粒流方法,研究了抗滑桩截面大小、间距、桩土相对变形速度和土体颗粒粒度组成对土拱效应的形成、发展、破坏和再形成过程的影响,并揭示了这些因素对土拱的极限承载能力、残余承载能力和桩土荷载分担比的影响规律。结果表明:以上因素对抗滑桩土拱效应影响显著。土拱的极限承载能力随桩间距与桩宽的相对比例增大而减小,随桩土间的相对运动速度和土颗粒的分布宽度增大而增大;残余承载能力和桩体荷载分担比随桩间距与桩宽的相对比例和土颗粒的分布宽度增大而减小,随桩土间的相对运动速度增大而增大。因此在抗滑桩设计及布桩位置选择时,应尽可能考虑相关影响因素,以优化设计,节省投资。

水平推力作用下抗滑桩间土拱效应影响因素的数值分析

利用FLAC3D软件对抗滑桩后土体的应力拱产生过程和形成机理进行三维数值分析,并通过一系列的对比计算,研究桩间距、土体性质(包括土体的内摩擦角、黏聚力、弹性模量、泊松比、膨胀角)以及桩土接触面性质等因素对土拱效应的影响。研究结果表明:随着抗滑桩桩间距的增大,土拱范围变小,土拱形状也由拱形发展到扁平抛物线形,桩的荷载分担比降低。土体内摩擦角、土体黏聚力以及桩土之间的相对弹性模量对土拱效应的影响呈正相关关系,而土体的泊松比对桩后土拱范围的影响呈反比关系,土体的膨胀角对土拱效应影响不太明显;随着桩土接触面粗糙程度的增加,桩后土拱的范围增大,土拱效应也越显著。

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。

被动桩中土拱效应问题的数值分析

被动桩对侧向位移的土层起到遮拦作用的机理主要是土拱效应。采用有限元软件Plaxis 8.1,详细地研究了被动桩中土拱效应的产生机理,分析了导致侧向位移的荷载大小、土体性质、群桩以及桩土接触面性质等影响因素对土拱效应性态和桩土应力分担比的影响,分析表明,桩间距是影响土拱效应的最主要因素。

加载条件对土拱效应影响的Trapdoor模型试验研究

土拱效应是一种土中应力的重分布现象,它是由土与土中结构物间刚度的差异而引起的。目前关于循环荷载对于土拱效应影响的研究十分有限。使用铝棒相似土代替砂土作为填料,通过自制的模型试验装置进行了土体自重、表面静荷载及循环荷载作用下的平面应变Trapdoor模型试验,利用土拱率作为土拱效应强弱的衡量指标,对比研究了不同加载条件对土拱效应的影响,并将试验所得结果与前人的研究成果进行了对比验证。结果表明,静荷载与循环荷载均会削弱已有稳定"土拱",削弱程度随荷载幅值及频率的增大而增大,随荷载作用面积的增大而减小。相同荷载水平下,循环荷载对土拱效应的削弱较静荷载更强,两者间的差异随荷载幅值的增大而减小,随荷载频率的增大而增大,且峰值荷载下的差异小于零荷载下的差异。总体而言,Evans提出的土拱率计算公式能够较好地用于土体自重及静荷载作用下的Trapdoor试验中土拱率的预测,而对于循环荷载作用下的情况,还有待对计算公式进行进一步地改进。

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φ)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。

桩承式路堤土拱效应的三维数值模拟

结合模型试验结果,建立了三维有限元数值模型,对桩承式路堤中土体竖向应力分布规律进行了分析,计算结果和实测结果具有很好的一致性,而且反映出了土体竖向应力随深度的分布规律、土拱作用机理以及土拱的作用范围.模型试验和计算结果显示:桩承式路堤中土拱内部竖向应力随深度非线性减小,而土拱上部路堤中土体应力随深度近似线性增加.研究还发现,随着荷载水平和桩体-桩间土沉降差的变化,土拱的发生区域也在变化,实际土拱作用的影响范围在路堤底面以上约1倍桩间距的区域,要大于目前理论解答所做的假设.

桩承式加筋路堤土拱效应试验研究

桩承式加筋路堤中存在土拱效应,它影响着路堤的荷载传递和沉降变形性状,桩土应力比是反应土拱效应的重要参数。本文通过模型试验,研究了桩土相对位移、路堤高度、桩梁净间距、桩梁宽度及水平加筋体等因素对桩土应力比及路堤沉降的影响。结果表明:①桩土应力比随桩土相对位移的发展而变化,存在上限值和下限值;②路堤高度与桩梁净间距之比越大,桩土应力比越大;桩梁宽度与桩梁净间距之比越大,桩土应力比也越大;③使用水平加筋体能提高桩土应力比,提高的幅度与水平加筋体拉伸强度有关;④当路堤高度与桩梁净间距之比小于1.4时,无论是否使用水平加筋体,路堤顶面均会出现明显的差异沉降;当路堤高度与桩梁净间距之比大于1.6时,路堤顶面不会出现明显的差异沉降。该研究成果可为桩承式加筋路堤设计提供有益的参考。

桩网支承路基结构中土拱效应及网垫受力的模型试验研究

基于相似理论,对桩网支承路基中心土拱效应进行8组模拟试验。测试桩顶轴力、桩土及路基不同高度处应力、格栅拉力和桩间土沉降随路基高度、外荷载变化特性,探讨格栅受力后变形。结果表明:加筋网垫上方竖向应力与以球形拱理论为基础的德国规范计算结果较为接近;加筋网垫下方桩间土承担竖向应力随路基高度、上覆荷载增加而增加;黏性土路基成拱效率略低于砂土路基;对于两层格栅组成的加筋网垫,下层格栅承担土拱效应竖向应力引起拉力大于上层格栅,位于桩帽之间并垂直于桩帽边格栅拉力大于平行于桩帽边格栅拉力;格栅初始松紧状态对土拱成拱效率有一定影响;格栅受力后平面变形形状近似呈悬索状。研究成果可为我国桩网支承路基结构加筋网垫相关规范提供参考。

考虑路堤填筑过程与地基土固结相耦合的桩承式路堤土拱效应分析

土拱效应分析是桩承式路堤设计时需要解决的首要问题,在总结分析已有现场测试资料及研究成果的基础上,建立能考虑路堤填筑过程与地基土固结相耦合的土拱效应计算模型。该计算模型比较完整地反映了从路堤开始填筑直到地基土固结完成整个过程中土拱效应的发展变化历程,模型计算结果与现场实测结果比较吻合。利用该计算模型对台缙高速公路工程桩承式路堤土拱效应及桩身中性点位置的变化特征进行分析,研究结果表明:(1)在路堤填筑过程中,桩土应力比迅速增加,路堤填筑完毕直至地基土固结完成这个过程中,桩土应力比虽然有所变化,但变化的幅度不大,与路堤刚填筑完毕时的桩土应力比相比,后期桩土应力比的变化幅度不大于15%;(2)在路堤填筑及地基土固结过程中,桩身中性点位置经历了先逐渐向下移动、尔后向上移动、再向下移动、最终趋于稳定位置的过程。该研究成果可为桩承式路堤设计提供有益的参考。