滲流力-荷載共同作用下土拱效應(yīng)的研究

滲流力-荷載共同作用下土拱效應(yīng)的研究摘要滑坡，是世界上三大地質(zhì)災(zāi)害之一，長期以來給人類的生產(chǎn)和生活帶來巨大危害，甚至是毀滅性的。由于如今建筑工程不斷發(fā)展，很多地區(qū)都開始進(jìn)行大量的工程開發(fā)，所以不可避免地造成人為的滑坡，其影響是較大的。現(xiàn)如今，在滑坡治理方面，采用抗滑樁等支擋結(jié)構(gòu)是最常用的方法。長時間以來，已經(jīng)有很多學(xué)者進(jìn)行了大量的理論研究，取得過不少成果，但在樁土作用機(jī)理研究上還很有欠缺，沒有一套系統(tǒng)的理論體系。在抗滑樁的設(shè)計中，還是過多地依賴于現(xiàn)有的實踐經(jīng)驗，這可能會造成不必要的資源浪費(fèi)，甚至?xí)斐蓢?yán)重的滑坡災(zāi)害。因此，有必要對樁土作用機(jī)理做進(jìn)一步的研究，為實際工程提供參考資料。本文主要是綜合了土拱效應(yīng)的國內(nèi)外研究背景，通過建立樁土計算模型進(jìn)行理論上的分析，再運(yùn)用有限元軟件ADINA建立三維有限元模型，并與室內(nèi)模型試驗進(jìn)行對比分析，研究不同參數(shù)下土拱效應(yīng)的發(fā)揮。具體如下：建立樁土計算模型，在假設(shè)拱形是合理拱軸線的情況下，分析出樁體的最不利破壞面；根據(jù)Mohr—Coulomb強(qiáng)度理論，推導(dǎo)出合理樁間距的公式。運(yùn)用ADINA有限元軟件建立模型，研究不同荷載下土拱效應(yīng)的發(fā)揮、不同滲流力下土拱的發(fā)揮，以及滲流力—荷載共同作用且同時變化時土拱效應(yīng)的發(fā)揮；研究各種因素對土拱效應(yīng)的影響進(jìn)行室內(nèi)模型實驗，進(jìn)行不同滲流場下土拱效應(yīng)的發(fā)揮情況，與數(shù)值模擬進(jìn)行對比分析，驗證結(jié)論是否一致。關(guān)鍵詞：滑坡；抗滑樁；樁土作用機(jī)理；土拱效應(yīng)；模型試驗；數(shù)值模擬AbstractLandslidesareoneofthethreemajorgeologicaldisastersintheworld,andhavelongcausedgreatharmtohumanproductionandlife,evendevastating.Duetothecontinuousdevelopmentofconstructionprojects,manyareashavebeguntocarryoutalargenumberofengineeringdevelopments,soinevitablycausedartificiallandslides,theimpactisgreater.Nowadays,intheaspectoflandslidecontrol,theuseofretainingstructuressuchasanti-slidepilesisthemostcommonmethod.Foralongtime,manyscholarshavecarriedoutalargenumberoftheoreticalstudiesandhaveachievedalotofresults,butthereisstillalackofresearchonthemechanismofpile-soilinteraction,andthereisnosystematictheoreticalsystem.Inthedesignofanti-slidepiles,itstillreliestoomuchonexistingpracticalexperience,whichmaycauseunnecessarywasteofresourcesandevencauseseriouslandslidedisasters.Therefore,itisnecessarytofurtherstudythemechanismofpile-soilandprovidereferencematerialsforpracticalengineering.Thispapermainlycombinesthedomesticandinternationalresearchbackgroundofsoilarchingeffect,establishesthetheoreticalcalculationofpile-soilcalculationmodel,andthenusesthefiniteelementsoftwareADINAtoestablishathree-dimensionalfiniteelementmodel,andcomparesitwithindoormodeltesttostudydifferentparameters.Theplayofthelowereartharcheffect.detailsasfollows:1.Establishthecalculationmodelofpileandsoil.Undertheassumptionthatthearchisareasonablearchaxis,themostunfavorablefailuresurfaceofthepileisanalyzed.AccordingtotheMohr-Coulombstrengththeory,theformulaofreasonablepilespacingisderived.2.UsingADINAfiniteelementsoftwaretoestablishthemodel,studytheplayofsoilarchingeffectunderdifferentloads,theplayofsoilarchunderdifferentseepageforces,andtheplayofsoil-archingeffectwhentheseepageforce-loadinteractionandsimultaneouschange;studyvariousfactorsInfluenceonsoilarching3.Carryoutindoormodelexperiment,carryoutthesoilarchingeffectunderdifferentseepagefields,andcompareandanalyzewithnumericalsimulationtoverifywhethertheconclusionsareconsistent.KeyWords:Landslide；anti-slidepile；soilarchingeffect；modeltest；numericalsimulation目錄TOC\o"1-3"\h\u第一章緒論 81.1研究問題及其意義 81.2土拱效應(yīng)的研究歷史 91.3存在問題、研究內(nèi)容及研究路線 111.3.1存在問題 111.3.2研究內(nèi)容 11第二章樁土相互作用機(jī)理 132.1土拱效應(yīng)形成機(jī)理 132.1.1土拱效應(yīng)概念 132.1.2土拱效應(yīng)的形成機(jī)理 132.2土拱效應(yīng)的合理拱軸線 142.2.1基本假設(shè) 142.2.2計算模型 142.2.2受力分析 152.3土拱效應(yīng)的控制條件 172.3.1土拱的破壞形式 172.3.2控制條件 182.3.3拱高和拱厚確定 212.4樁間距的影響因素 222.4.1L與q的關(guān)系 222.4.2L與c的關(guān)系 222.4.3L與b的關(guān)系 222.4.4L與φ的關(guān)系 222.5本章小結(jié) 23第三章土拱效應(yīng)數(shù)值模擬 233.1ADINA有限元模擬 243.2有限元模型建立 243.2.1建立幾何模型 243.2.2定義材料 253.2.3定義單元及劃分 253.2.4施加荷載和邊界條件 253.3各種參數(shù)對土拱效應(yīng)的影響 263.3.1不同荷載下的土拱效應(yīng) 263.3.2內(nèi)摩擦角對土拱效應(yīng)的影響 273.3.3粘聚力對土拱效應(yīng)的影響 283.3.4樁土接觸面摩擦系數(shù)對土拱效應(yīng)的影響 30第四章室內(nèi)模型試驗 324.1實驗裝置及儀器 324.1.1實驗箱主體 324.1.2滲流系統(tǒng) 334.1.3數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 334.2實驗?zāi)M及分析 354.2.1實驗過程 354.2.2實驗結(jié)果分析 354.3本章小結(jié) 36第五章結(jié)論與展望 385.1結(jié)論 385.2不足與展望 38致謝 40參考文獻(xiàn) 41緒論研究問題及其意義滑坡是在某些地質(zhì)條件下，斜坡的巖（土）由因素如河流侵蝕，地下水動作，地震和人工切坡的影響。由于重力的原因，沿著一定的軟弱面，整體向下滑動的地質(zhì)現(xiàn)象?；拢c地震和火山并稱為三大地質(zhì)災(zāi)害，長期以來給人類的生產(chǎn)和生活帶來巨大危害，甚至是毀滅性的。隨著公路交通、礦山開采、水利等基礎(chǔ)工程的發(fā)展，免不了要進(jìn)行大量的開挖土體，對自然環(huán)境產(chǎn)生影響，形成工程邊坡。其中，所存在的滑坡問題愈來愈多，邊坡的失穩(wěn)甚至破壞將會造成極大的威脅和經(jīng)濟(jì)損失。因此，現(xiàn)如今對于滑坡防治的工程也愈發(fā)增加，已經(jīng)投入相當(dāng)大的資源和人力來研究合理方案防治滑坡。由此可見，防治滑坡地質(zhì)災(zāi)害的重要性。近幾十年以來，很多專家學(xué)者不斷地進(jìn)行工程實踐和理論上的分析討論，采用抗滑樁等支擋結(jié)構(gòu)是如今比較認(rèn)可的一種措施。在工程中，抗滑樁的施工期短、成本較低，能夠快速安全地解決許多工程問題。抗滑樁具有以下優(yōu)點(diǎn)：①樁截面大②樁的抗滑能力強(qiáng)③施工方便。其作用機(jī)理是樁體與滑體、滑床的相互作用的過程中。當(dāng)樁土受到外部荷載時，抗滑樁開始發(fā)揮承擔(dān)載荷作用，拱腳周圍的土體產(chǎn)生的位移比樁間土較小，產(chǎn)生相對位移，整個土體產(chǎn)生不均勻位移，在一定范圍內(nèi)形成土拱。而對于“拱效應(yīng)”，樁的截面尺寸、樁間距等因素都對其穩(wěn)定性有所影響，就目前來看，還沒有成熟的系統(tǒng)方法可使用，依然只能依靠工程經(jīng)驗來不斷的摸索。土拱的穩(wěn)定性直接影響到樁的效用。大量的工程實踐表明，只要設(shè)置合理的樁間距，就能保證滑坡推理傳遞到樁。但，一旦樁間距超過了極限值，就無法形成土拱，為防止土體滑出，必須要保證適當(dāng)減小樁間距；相反，超出這個臨界值，土體將會滑出，無法形成土拱。若樁間距過小，則會造成樁與樁之間的擠壓，也不利于節(jié)省成本。因此，對于土拱效應(yīng)的研究，是合理設(shè)計抗滑樁、節(jié)省成本和提高效用至關(guān)重要的一步，對我們的工程也具有重要的研究意義。圖1.1“糧倉效應(yīng)”示意圖圖1.2活動門實驗示意圖土拱效應(yīng)的研究歷史“糧倉效應(yīng)”是指糧倉中所放的糧食不斷增加，其自重應(yīng)力愈來愈大，則糧倉底部所承擔(dān)的力增加，達(dá)到一定高度后，承擔(dān)力達(dá)到最大值且恒定不變，這一現(xiàn)象由Roberts在1884年提出。在1895年，Janssen通過連續(xù)介質(zhì)模型，驗證了“糧倉效應(yīng)”現(xiàn)象，在理論上給出了定量論證。1943年，Terzaghi通過活動門實驗，證實了土拱效應(yīng)的存在。并在對土拱的應(yīng)力分布進(jìn)行描述的基礎(chǔ)上，得出了土拱效應(yīng)存在的條件：①土體之間產(chǎn)生不均勻位移或相對位移②作為支撐的拱腳的存在。1985年，Handy首次得到了土拱效應(yīng)的拱形，其近似于一條懸鏈線，并推出豎直、水平應(yīng)力的關(guān)系式，從而計算土壓力。他得出結(jié)論：土拱并不等同于建筑工程中的拱。工程中的拱稱作大主應(yīng)力拱，其中，大主應(yīng)力連續(xù)，而其小主應(yīng)力不連續(xù)；與工程中的拱不同，土拱的類型為小主應(yīng)力拱。圖1.3小主應(yīng)力拱示意圖在他得出的結(jié)論中對于土拱中的應(yīng)力問題，他提出相鄰的兩側(cè)墻體之間存在拱，且拱為小主應(yīng)力拱，而在拱頂處，豎向上存在大主應(yīng)力，故而在“糧倉效應(yīng)”現(xiàn)象中存在的土拱不為大主應(yīng)力拱[22]。WilliamsK.H.（1989年）對上述結(jié)論進(jìn)行更深一步的研究分析，得出類似的結(jié)論。1994年，LowB.K.通過樁基礎(chǔ)模擬實驗，推導(dǎo)出樁土應(yīng)力分擔(dān)比。He.C等學(xué)者通過有限元軟件將所得模擬模型數(shù)值分析結(jié)果與前述的結(jié)果進(jìn)行對比分析，驗證樁土應(yīng)力分擔(dān)比公式。GoelS.同PatraN.R.（2008年）等人根據(jù)小主應(yīng)力拱的理論得出了不同的擋土墻主應(yīng)力公式。、而在國內(nèi)，大多數(shù)學(xué)者把研究放在了“拱”上。1974年，Wang根據(jù)太沙基理論，假設(shè)邊坡為無限長且為剛塑性，計算出樁間土的受力，得出：①靜止土拱壓力為最大拱壓力；②在樁間距不突破某一“極限值”時，土拱效應(yīng)存在；③土拱效應(yīng)存在于粘性土或砂性圖中；抗剪強(qiáng)度對土拱效應(yīng)由影響1990年，李海深等對活動門實驗、Handy關(guān)于溝槽的土拱效應(yīng)、糧倉效應(yīng)等進(jìn)行了進(jìn)一步地綜合評價和討論，表明了土拱效應(yīng)是存在于基礎(chǔ)工程中的普遍力學(xué)現(xiàn)象。2001年前抗滑樁樁間距某一“極限值”的理論還未建立，針對這一最大樁間距問題，王成華等人基于方樁土拱形成原理，建立出最大樁間距平面計算模型。賈海莉[20]等人在2003年研究了拱形等問題，建立有限差分模型，進(jìn)一步完善了土拱理論。李忠誠（2006年）[12]采用三維有限差分法，提出土拱形成與樁間距、樁土相對位移等因素有關(guān)。當(dāng)樁間距大于“極限值”時，土體產(chǎn)生繞流現(xiàn)象或滑出。呂慶在2010年建立有限元二維應(yīng)變模型，把土拱發(fā)揮劃為3個階段，得到樁后荷載和樁土間的相對位移會影響拱形的發(fā)展，提出了土拱軸線方程。費(fèi)康（2013年）從填土、加筋材料與地基三者的相互關(guān)系出發(fā)，做出數(shù)值模擬和試驗研究，得出隨土體變形增大，土拱效應(yīng)逐步發(fā)揮。楊雪強(qiáng)[3]（2014年）分析了樁間土拱荷載傳遞機(jī)理，基于邊坡土體的滑移模式，研究了拱形隨深度的變化。關(guān)于重力場對土拱承載力的影響進(jìn)行了定性分析，得出了樁側(cè)摩阻土拱和樁身迎荷面土拱推算理論。2015年，譚可源提出一種三維土拱模型，與已有的土拱模型不同，簡稱“譚氏拱”。其主要特征是：①是復(fù)合的多向空間拱結(jié)構(gòu)，由基拱和頂拱組成，基拱主要支承在樁頂托板上，理論上向兩側(cè)無限延伸；②頂拱與基拱之間的立體關(guān)系存在2種可能：a.頂拱與基拱之間呈直觀明了的上下支撐關(guān)系;b.頂拱與基拱之間的上下支撐關(guān)系不是非常直觀明顯、有上下支撐關(guān)系但呈相互交錯狀，頂拱拱腳深入基拱內(nèi)部；③基拱、頂拱的厚度都是漸變的，拱頂處最薄，由拱頂往拱腳厚度逐漸變厚，而且相鄰的兩個基拱的拱腳相互交叉，相鄰的兩個頂拱的拱腳也相互交叉。圖1.4“譚式拱”示意圖100多年以來，眾多學(xué)者對于樁土作用機(jī)理和土拱效應(yīng)的研究為基礎(chǔ)理論的建立和抗滑樁的設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。存在問題、研究內(nèi)容及研究路線存在問題目前，在基礎(chǔ)工程中，對于樁土相互作用的研究還不夠，缺乏較為完善的一套理論系統(tǒng)和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，還有很多需要研究的問題：拱的邊界條件、拱形及拱的受力問題；抗滑樁的合理樁間距的確定等。針對這些問題，眾多的研究得出的結(jié)論相差較大，對于工程實踐，更多的仍是借鑒經(jīng)驗來設(shè)計，導(dǎo)致工程的設(shè)計并不是最優(yōu)方案，可能會增加工程成本，也可能會造成工程上的安全隱患。由此，對于樁土相互作用機(jī)理的理論需要進(jìn)一步地研究和完善。研究內(nèi)容本文主要通過有限元軟件的數(shù)值模擬、顆粒流模型試驗及理論分析相結(jié)合，研究土拱效應(yīng)的相關(guān)規(guī)律。研究內(nèi)容如下：查閱大量相關(guān)文獻(xiàn)，對土拱效應(yīng)的研究歷史有整體上的認(rèn)識，了解目前所存在的研究問題；進(jìn)行顆粒流模型試驗，設(shè)置不同的樁間距進(jìn)行試驗，研究土體的滑動規(guī)律和土拱效應(yīng)的發(fā)揮，分析樁土的應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律，探討相關(guān)因素對于土拱效應(yīng)的影響；運(yùn)用有限元分析軟件ADINA建立模型，進(jìn)一步研究相關(guān)因素對于土拱效應(yīng)的影響，與試驗所得出的結(jié)果進(jìn)行對比，并作出補(bǔ)充。本文具體的研究路線如圖1.5所示圖1.5研究路線圖樁土相互作用機(jī)理本章主要介紹土拱效應(yīng)的形成機(jī)理，以塑性極限平衡理論進(jìn)行分析，對拱形進(jìn)行討論，最后對不同參數(shù)下土拱效應(yīng)的發(fā)揮情況。2.1土拱效應(yīng)形成機(jī)理2.1.1土拱效應(yīng)概念土拱是指土體內(nèi)部產(chǎn)生不均勻位移，引起內(nèi)部應(yīng)力傳遞到樁上的現(xiàn)象，這種應(yīng)力傳遞主要通過土體抗剪強(qiáng)度來進(jìn)行。外部荷載作用下，靠近樁或墻的后部土體因支撐作用相對靜止，局部土體發(fā)生移動，進(jìn)而土體之間產(chǎn)生相對位移，在抗剪強(qiáng)度的影響下，局部土體內(nèi)應(yīng)力減小，靜止的土體內(nèi)應(yīng)力增大。2.1.2土拱效應(yīng)的形成機(jī)理賈海莉等人將抗滑樁視為剛性樁，認(rèn)為只有水平方向的土拱。即滑坡土體下滑過程中，由于存在后緣邊界，在豎直方向上沒有明顯的變形，且存在支撐土體的拱腳；而在水平方向上，抗滑樁可以阻止土體水平變形，與狀體直接接觸的部分土體的水平位移要小于樁間土體的水平位移，故可以形成水平拱。土拱效應(yīng)的形成到破壞的整個過程可分為：開始滑坡推力較小，土體位移較小，樁后土體局部受壓；當(dāng)推力增大后，樁后的受壓部分?jǐn)U大，土體的相對位移也隨之增大，由于樁側(cè)與土體的摩擦力的作用，產(chǎn)生樁間土拱，側(cè)摩阻力提供了拱腳的穩(wěn)定性，即為摩擦土拱（如圖2-1）；隨著滑坡推力進(jìn)一步增加，摩擦力已無法再承受荷載，此時樁體開始起作用，靠自身強(qiáng)度直接承擔(dān)荷載，即直接土拱；當(dāng)摩擦力無法承受時，樁間土滑出，摩擦拱產(chǎn)生破壞，土拱效應(yīng)的發(fā)揮開始減弱；當(dāng)推力繼續(xù)增加達(dá)到樁體的極限承載力時，與樁體直接接觸的土體位移過大，可能導(dǎo)致裂紋出現(xiàn)，直接土拱出現(xiàn)剪切破壞，而后土體出現(xiàn)大范圍擠出，產(chǎn)生繞流現(xiàn)象，土拱被破壞。圖2-1土拱示意圖2.2土拱效應(yīng)的合理拱軸線2.2.1基本假設(shè)（1）假設(shè)兩樁體之間的拱形為一條拋物線，其對稱軸在跨中，且忽略樁間小土拱的影響；（2）因樁體高度相對于拱厚相差很大，拱厚相對較薄，因而可忽略土體自重應(yīng)力的影響，把模型簡化成更加清晰的平面應(yīng)力問題；（3）假設(shè)滑坡推力為均布荷載。2.2.2計算模型選取單位高度的土拱進(jìn)行計算，如圖2.2和圖2.3。圖2.2土拱模型注：t為拱圈厚度，l為土拱厚度圖2.3土拱模型示意圖注：l為跨度．h為拱高，f為厚度，q為均布荷載，N和V為拱角反力。2.2.2受力分析根據(jù)假設(shè)，土拱可認(rèn)為是三較拱，如圖2.4。設(shè)土拱受到的均布荷載為q，土拱厚度為t，土拱跨度L，土拱拱高為f，水平和豎直反力分別為Fx、Fy。其合理拱軸線為二次拋物線，各截面上的彎矩及剪力為零，可得其拋物線方程為：（2-1）圖2.4土拱受力示意圖如圖2.4（c），由于對稱性，取半拱進(jìn)行研究：lian'li的聯(lián)立（2-2）~（2-4）解得：取土拱上任意一點(diǎn)D，D點(diǎn)的合力為：D點(diǎn)的合力與水平方向的夾角為：A點(diǎn)合力的切向角α和軸力N為：由上式可知，A點(diǎn)所受的軸向力最大，故最易發(fā)生剪切破壞的面在拱腳界面，為最不利控制面。2.3土拱效應(yīng)的控制條件2.3.1土拱的破壞形式當(dāng)滑坡推力過大時，土體自身的抗剪強(qiáng)度無法承受這個荷載，土體將會發(fā)生破壞?；峦屏﹂_始作用時，土拱將會產(chǎn)生滑動方向的壓縮變形，推力將逐漸地向樁側(cè)方向傳遞（圖2.5a）；當(dāng)土拱變形至兩樁體水平線時，達(dá)到極限變形位置，即臨界變形（圖2.5b）。超出這個變形后，土拱被破壞，傳遞到樁側(cè)的滑坡推力又轉(zhuǎn)向至跨中，土體內(nèi)部應(yīng)力出現(xiàn)松弛現(xiàn)象，土體從樁間流出（圖2.5c）。圖2.5土拱破壞過程示意圖土拱的破壞形式如下：在水平上的破壞

拱腳處樁體與土體之間的水平向摩阻力來平衡由跨中傳遞來的水平推力，若摩阻力不足以承擔(dān)水平力，在拱腳處會發(fā)生較大的水平變形，從而使土拱破壞。在豎向上的破壞

土體承受荷載被壓縮壓密，向樁間滑動，此時荷載將傳遞至樁側(cè)面，若兩樁側(cè)的摩阻力不足以承擔(dān)荷載，土體將會從樁間滑出，土拱將被破壞。材料的強(qiáng)度破壞

由上節(jié)計算可知，在拱腳處，樁土之間會形成三角受壓區(qū)，如圖2.6，即為最不利破壞面。若周圍土體的抗剪強(qiáng)度不足以承擔(dān)荷載，則在三角受壓區(qū)會產(chǎn)生破壞，進(jìn)而導(dǎo)致土拱破壞。圖2.6三角受壓區(qū)示意圖2.3.2控制條件針對每種破壞形式，都有其相對應(yīng)的控制條件：水平方向的控制條件

要保證水平向的穩(wěn)定，則要求樁體兩側(cè)的極限水平摩阻力要能夠承擔(dān)水平應(yīng)力的大小，即：

式中：：土體內(nèi)摩擦角和粘聚力；a：樁背厚度。有：若設(shè)則：豎直方向的控制條件

為避免土拱的豎向破壞，樁體側(cè)摩阻力要能承擔(dān)滑坡推力，即有：聯(lián)立式（2-15）和（2-16），得：若取則將式19代入式14得土體的強(qiáng)度條件由上述分析知，在拱腳處的三角受壓區(qū)，其兩腰是最不利破壞面。根據(jù)Mohr—Coulomb強(qiáng)度理論可知，大主應(yīng)力與破壞面成。如圖（2.7）

圖2.7三角受壓區(qū)受力分析示意圖其中：AB=b：樁背側(cè)寬度AD=t：土拱厚度AC：破壞面長度δ：由圖2.7的幾何關(guān)系可得則壓應(yīng)力σ：其中：將式（2-22）代入式（2-21）中，得：在式（2-23）中，對L求偏導(dǎo)，令即：有：將式（2-24）代入式（2-23）得由于拱腳各點(diǎn)受單向壓縮，根據(jù)Mohr—Coulomb強(qiáng)度原則則當(dāng)則式（2-26）所得結(jié)果即為，強(qiáng)度控制條件下的合理樁間距。綜上所述，在三種控制條件的綜合考慮下，在實際中，已知樁徑、粘聚力、內(nèi)摩擦角以及滑坡推力，綜合式（2-22）和式（2-26），得到較小值確定合理樁間距。即：2.3.3拱高和拱厚確定目前，對于土拱邊界條件的確定還是比較模糊的，在研究中，假設(shè)土拱的厚度與樁側(cè)寬度相同：若樁截面為圓，則土拱的厚度為內(nèi)接正方形邊長；若樁截面為方樁，則土拱的厚度為抗彎面的寬度。由上一節(jié)可知，受壓區(qū)兩腰為最不利破壞面，可由此推導(dǎo)：由圖2.7，拱厚：t=AD將式（2-24）代入得將式（2-29）代入式（2-28）得聯(lián)立式（2-26）和式（2-24）得拱高：2.4樁間距的影響因素根據(jù)上節(jié)式（5-26）得樁間距和滑坡推力q、內(nèi)摩擦角φ、樁側(cè)寬度b及粘聚力c的關(guān)系。2.4.1L與q的關(guān)系假定其他變量不變，L與q的關(guān)系為反比關(guān)系?；峦屏τ?，樁間距越小。得其關(guān)系圖，斜率為k=4bctan(45°+φ/2)。如圖2.8。2.4.2L與c的關(guān)系假定其他變量不變，L與c成正比關(guān)系。粘聚力c愈大，樁間距愈大。得其關(guān)系圖，斜率為k=4btan(45°+φ/2)/q。2.4.3L與b的關(guān)系假定其他變量不變，L與b成正比關(guān)系。樁愈寬，樁間距就愈大。2.4.4L與φ的關(guān)系假定其他變量不變，內(nèi)摩擦角越大，樁間凈距越大。如圖2.9。圖2.8L-b的關(guān)系曲線圖2.9L-φ的關(guān)系曲線2.5本章小結(jié)本章主要是對先前的研究進(jìn)行探究、總結(jié)，對其形成機(jī)理進(jìn)行分析，建立計算模型，對其控制條件和影響因素進(jìn)行了探討。結(jié)論如下：1.土拱是由土體內(nèi)部產(chǎn)生不均勻位移而形成的，土拱為合理拱軸線。2.在某些情況下，土拱會破壞。其破壞形式有三種：（1）水平位移過大致使土拱破壞（2）滑坡推力大于樁側(cè)摩阻力之和，土體滑出（3）土體自身的抗剪強(qiáng)度無法承擔(dān)，沿拱腳受壓區(qū)產(chǎn)生剪切破壞。3.根據(jù)土拱的破壞形式，得出相對應(yīng)的控制條件。推導(dǎo)出在各條件下的合理樁間距的計算公式，從而得到隨影響因素的變化規(guī)律：粘聚力c、內(nèi)摩擦角φ越大，樁間距越大；而，滑坡推力q越大，樁間距越小。由此可知，對于樁間距的合理計算控制，可減少實際工程中的資源浪費(fèi)，也可保證邊坡的穩(wěn)定性土拱效應(yīng)數(shù)值模擬由于前面只對土拱效應(yīng)進(jìn)行了理論上的分析，并不能直觀地反映出土拱效應(yīng)的特性，且土拱的影響因素較多，為更加深入研究土拱效應(yīng)，使用有限元分析軟件ADINA。建立三維有限元模型，對于各種因素下單一變量，樁體應(yīng)力、樁后土體的位移以及樁后土壓力的變化規(guī)律進(jìn)行探討，從而與理論分析和室內(nèi)模型試驗進(jìn)行對比論證，更清楚地認(rèn)識土拱的發(fā)揮特性，為工程實踐提供參考。在上節(jié)理論分析中，存在一定假設(shè)條件，而且公式繁多，對于力學(xué)的求解能力有很高的要求，很多理論還只是存在經(jīng)驗上的結(jié)論，并不能得出解析解。同樣地，無論是室內(nèi)試驗還是現(xiàn)場原位測試，其實驗時間長、操作復(fù)雜，最主要的原因是無法對樁土作用機(jī)理進(jìn)行全方位了解，很難滿足對所有影響因素的全面分析。所以，現(xiàn)如今由于計算機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)，有限元分析軟件迅速發(fā)展，在巖土工程、建筑土木方面有非常廣泛的應(yīng)用。它能夠根據(jù)現(xiàn)場的樁土參數(shù)建立數(shù)值模型，可模擬多種不同的條件，并由計算機(jī)迅速地求解出不同工況下的變化規(guī)律。3.1ADINA有限元模擬1975年，ADINA被K.J.Bathe開發(fā)完成。今天，由于ADINA的基礎(chǔ)代碼具有很高的利用價值，許多相關(guān)行業(yè)正應(yīng)用這一代碼進(jìn)行有限元軟件的開發(fā)。40多年的發(fā)展以來，ADINA軟件發(fā)展異常迅速，具有多種耦合場的功能日益強(qiáng)大。在建立非線性結(jié)構(gòu)、流固耦合和動力學(xué)等方面的模型上有巨大優(yōu)勢，ADINA被應(yīng)用于包括建筑土木、航空航天、船舶、能源、機(jī)械工程等領(lǐng)域。ADINA最大的優(yōu)勢在于它能夠模擬多種場的耦合：流固耦合（FSI）、多孔介質(zhì)熱流固耦合（TPFSI）、熱力耦合（TMC）、流固熱三場耦合（TFSI）、熱電耦合（焦耳熱）、結(jié)構(gòu)和電場耦合（壓電）、流體-傳質(zhì)耦合和電磁流固耦合等。3.2有限元模型建立3.2.1建立幾何模型實際中為排樁，根據(jù)對稱性模型取相鄰兩個半樁，模型尺寸為550mm×400mm×300mm，半樁尺寸為50mm×100mm×300mm。表3.1幾何點(diǎn)坐標(biāo)Point#X1X2X3Point#X1X2X3100090450240450105100034055011010004355501240100053545013351000654501435007555015400080550165003.2.2定義材料由上章分析，土體符合Mohr—Coulomb強(qiáng)度理論，采用M-C材料；樁為剛性樁，采用線彈性材料（Isotropic）。具體參數(shù)如下表3.2表3.2材料參數(shù)材料類型彈性模量/Pa泊松比粘聚力/kPa內(nèi)摩擦角/°砂土3.05×1070.181930剛性樁3.05×10100.2——3.2.3定義單元及劃分模型采用8節(jié)點(diǎn)六面體單元。網(wǎng)格按照每隔2mm劃分。3.2.4施加荷載和邊界條件(1)施加荷載模型施加不同均布荷載，范圍在800Pa~250kPa。邊界條件首先約束X,Y,Z向旋轉(zhuǎn)自由度。土體頂面和地面Z向約束，兩側(cè)面施加X向約束，土體前面Y向約束，施加荷載面為自由面；樁設(shè)為剛性樁，為全約束。完成后的模型如圖3.2所示。圖3.2有限元分析模型3.3各種參數(shù)對土拱效應(yīng)的影響3.3.1不同荷載下的土拱效應(yīng)其他參數(shù)不變，施加均布荷載F=100N、2000N、5000N、10000N。以F=2000N為例，如下圖3.3。圖3.3F=2000N下應(yīng)力應(yīng)變云圖從位移圖中可以看出，靠近樁體的土體位移相對較小，此時土拱效應(yīng)正發(fā)揮作用；同樣地，從盈利圖中可以看出，大部分荷載都由樁體來承擔(dān)。正是由于土拱的存在，將荷載向著樁體方向傳遞。而且還可以看到，在樁前部分產(chǎn)生了拉應(yīng)力。荷載分擔(dān)比荷載分擔(dān)比荷載/N荷載/N從圖3.4中可以看出，當(dāng)荷載增加時，樁體的荷載分擔(dān)比不斷下降，進(jìn)而說明土拱效應(yīng)的發(fā)揮作用隨著荷載的增加而減弱，當(dāng)荷載繼續(xù)增加時土拱可能失效，而后土拱破壞，土體坍塌。3.3.2內(nèi)摩擦角對土拱效應(yīng)的影響x方向位移/mm保持其他條件不變，施加荷載F=2000N，改變土體的φ值進(jìn)行討論，分別為φ=5°，10°，15°，25°，35°。研究截面y=40mm上樁后土體的Y向應(yīng)力及樁接觸面上的應(yīng)力。x方向位移/mmY向應(yīng)力/N圖3.5截面y=40mm上的應(yīng)力圖Y向應(yīng)力/N如圖3.5，可以發(fā)現(xiàn)，樁后周圍土體的應(yīng)力要明顯大于同一截面跨中位置土體的應(yīng)力。由于狀態(tài)的支撐作用，樁周土位移較小，傳遞到樁前附近的土體應(yīng)力要小于樁間土體應(yīng)力。任一點(diǎn)在不同的內(nèi)摩擦角的條件下，當(dāng)內(nèi)摩擦角增大時，樁后土體的應(yīng)力增大，說明土拱效應(yīng)發(fā)揮作用增大，將更多的應(yīng)力傳遞到樁體上。而當(dāng)內(nèi)摩擦角較小時，即從5°→10°，應(yīng)力增大的幅度大；內(nèi)摩擦角較大時，即從20°→35°，兩曲線基本一致重合，這說明當(dāng)內(nèi)摩擦角增大至一定程度后，對于土拱效應(yīng)的影響會越來越弱。樁側(cè)應(yīng)力/N樁側(cè)應(yīng)力/N內(nèi)摩擦角/°內(nèi)摩擦角/°圖3.6不同內(nèi)摩擦角下的樁側(cè)應(yīng)力圖從圖3.6中可以看出，當(dāng)內(nèi)摩擦角增大時，樁側(cè)應(yīng)力隨之增大。同樣可以表明，當(dāng)內(nèi)摩擦角較小時，即從5°→10°，應(yīng)力增加的幅度大；內(nèi)摩擦角較大時，即從20°→35°，應(yīng)力增加的幅度小。也反映出，內(nèi)摩擦角對于土拱效應(yīng)發(fā)揮作用的影響隨其不斷增大而逐漸減弱，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定程度后，對于土拱效應(yīng)的影響幾乎不變。3.3.3粘聚力對土拱效應(yīng)的影響保持其他條件不變，同樣在F=2000N荷載作用下，改變土體的粘聚力，分別為c=5kPa、10kPa、20kPa、30kPa、40kPa。研究截面y=42mm上樁后土體的Y向應(yīng)力及樁接觸面上的應(yīng)力。x方向位移/mmY向應(yīng)力/Nx方向位移/mmY向應(yīng)力/N

圖3.7截面y=4mm下的應(yīng)力圖從圖3.7中看出，任一點(diǎn)在不同的粘聚力的條件下，當(dāng)粘聚力增大時，樁后土體的應(yīng)力增大，說明土拱效應(yīng)發(fā)揮作用增大，將更多的應(yīng)力傳遞到樁體上。而當(dāng)粘聚力較小時，即從5kPa→10kPa，應(yīng)力增大的幅度大；粘聚力較大時，即從30kPa→40kPa，兩曲線基本一致重合，這說明當(dāng)粘聚力增大至一定程度后，對于土拱效應(yīng)的影響會越來越弱。樁側(cè)應(yīng)力/N樁側(cè)應(yīng)力/N

粘聚力/kPa圖3.8不同粘聚力下的樁側(cè)應(yīng)力圖粘聚力/kPa在圖3.8中可以看出，當(dāng)粘聚力增大時，樁側(cè)應(yīng)力隨之增大。同樣可以表明，當(dāng)粘聚力較小時，即從5kPa→10kPa，應(yīng)力增加的幅度大；粘聚力較大時，即從30kPa→40kPa，應(yīng)力增加的幅度小。也反映出，粘聚力對于土拱效應(yīng)發(fā)揮作用的影響隨其不斷增大而逐漸減弱，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定程度后，對于土拱效應(yīng)的影響幾乎不變。綜上所述，無論是土體的內(nèi)摩擦角，還是粘聚力對土拱效應(yīng)發(fā)揮作用的影響基本一致。因此，當(dāng)土體自身的抗剪強(qiáng)度相關(guān)參數(shù)在適當(dāng)范圍內(nèi)增大時，土拱效應(yīng)的發(fā)揮越強(qiáng)。隨著抗剪強(qiáng)度相關(guān)參數(shù)逐漸增大，其對土拱效應(yīng)發(fā)揮的影響程度越來越小，達(dá)到一定程度后，幾乎沒有什么影響。3.3.4樁土接觸面摩擦系數(shù)對土拱效應(yīng)的影響Y向應(yīng)力/Nx方向位移/mm其他條件保持不變，在F=2000N的荷載作用下，改變樁土接觸面的摩擦系數(shù)，分別為μ=0.1、0.2、0.3、0.4。當(dāng)土拱將滑坡推力傳遞至樁體時，樁土之間的接觸面會產(chǎn)生摩阻力，承擔(dān)一部分的荷載，即為上節(jié)所討論的摩擦力拱。研究樁土接觸面上的應(yīng)力和截面y=38mm上的樁后土體的Y向應(yīng)力。Y向應(yīng)力/Nx方向位移/mm

圖3.9截面y=38mm上的Y向應(yīng)力圖從圖3.9中可以看出，任一點(diǎn)在不同的摩擦系數(shù)的條件下，當(dāng)摩擦系數(shù)增大時，雖然幅度不大，但樁后土體的應(yīng)力增大，說明土拱效應(yīng)發(fā)揮作用還是稍微有所增大。樁側(cè)應(yīng)力/N摩擦系數(shù)樁側(cè)應(yīng)力/N摩擦系數(shù)圖3.10不同接觸面摩擦系數(shù)下的樁側(cè)應(yīng)力在圖3.10中，當(dāng)接觸面的摩擦系數(shù)增大時，樁側(cè)應(yīng)力反而減小，與上述其他影響參數(shù)剛好相反，但從圖3.9中看出土拱效應(yīng)的發(fā)揮還是增強(qiáng)的。由于摩擦系數(shù)的增大，提高了樁側(cè)的摩阻力，不僅填補(bǔ)了樁側(cè)應(yīng)力即直接土拱的承載作用，而且還增強(qiáng)了土拱效應(yīng)的發(fā)揮。但僅僅增大接觸面摩擦系數(shù)，并不能對土拱效應(yīng)的發(fā)揮有顯著的影響。室內(nèi)模型試驗4.1實驗裝置及儀器本次實驗所用裝置主要包括三個系統(tǒng)：樁土模擬系統(tǒng)、滲流系統(tǒng)和采集系統(tǒng)。如圖4.1所示。圖4.1圖4.1實驗裝置示意圖實驗箱尺寸為1000mm×400mm×300mm。箱子兩側(cè)面為透明玻璃，能更好地觀察到實驗箱中的土體變化，箱體頂面安放一塊玻璃，用隔水膠墊墊在箱體上。如圖4.2所示。圖4.2實驗箱示意圖模型箱中所設(shè)置的樁體完全固定不動，視為剛性樁，其尺寸為100mm×100mm，但模型中單樁取半樁(50mm×100mm)。樁體前側(cè)設(shè)置一推土板，防止土體從樁間滑落，并充當(dāng)樁前土體。箱體前部設(shè)置排水管，可以設(shè)置不同的水頭高度。在箱體內(nèi)四周都涂抹上凡士林，減小土體與箱體之間的摩擦，同樣地，在底板上設(shè)置一種潤滑膠體，并用保鮮膜隔開土體。4.1.2滲流系統(tǒng)該系統(tǒng)主要包括：支架、水箱、水管、水泵等(如圖4.1）。其操作流程如下：打開泵，將蓄水桶里的水從進(jìn)水管送至水箱，而后通過實驗箱與水箱之間的水管送至實驗箱前部，而水箱中多余的水則會流回桶內(nèi)?？梢愿淖冎Ъ艿母叨?，來設(shè)置不同的水頭高度，得到不同的滲流條件。4.1.3數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)該系統(tǒng)主要包括：應(yīng)變箱、傳感器和數(shù)字圖像系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要用于采集：配重量；樁后土體應(yīng)力及滲流力；土體位移變化。實驗中所用傳感器及其放置如圖4.3和圖4.4。a微型土壓計a微型土壓計b微型滲壓計c荷重傳感器d拉線位移計圖4.3實驗數(shù)據(jù)采集傳感器圖圖4.4傳感器布置示意圖將傳感器布置完成后，通過應(yīng)變采集系統(tǒng)采集信號，再將信號傳輸至電腦上，可對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行實時的采集。如圖4.5。圖圖4.5數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)示意圖圖像采集系統(tǒng)如圖4.5(右)。在實驗箱上方固定一相機(jī)，使其能夠靜止垂直拍攝土體的位移變化。數(shù)據(jù)處理時，可通過Matlab進(jìn)行處理，得到土體的位移情況。4.2實驗?zāi)M及分析4.2.1實驗過程實驗選用砂土，首先對用土進(jìn)行篩分處理，而后進(jìn)行直剪試驗。得到其內(nèi)摩擦角約為30.4°，粘聚力約為26.6kPa。將砂土填滿實驗箱并注滿水后靜置，使土體內(nèi)力平衡。開始時，關(guān)閉進(jìn)出水閥門，對土體進(jìn)行加載，加載40分鐘左右，觀察土體的位移變化。4.2.2實驗結(jié)果分析加載完畢后，擋土板向前位移45mm左右，樁前土體出現(xiàn)略微塌陷，但并未產(chǎn)生太大影響。從圖4.6中看出，隨著荷載增加，推土板前進(jìn)的位移呈階梯狀增加，所以加載過程中，土體沒有發(fā)生大變化，土拱發(fā)揮且并沒有破壞。圖4.6推土板位移及其上荷載變化曲線a圖4.6推土板位移及其上荷載變化曲線a推土板位移b推土板荷載如圖4.7中是模型箱加載時，土拱效應(yīng)的產(chǎn)生及發(fā)揮過程。從圖像采集系統(tǒng)可以看到整個土體位移的過程。在整個過程中，土拱效應(yīng)不斷發(fā)揮，沒有出現(xiàn)破壞情況。開始時，推土板前側(cè)的土體首先被壓縮，受荷載作用。隨著荷載增加，擋土板前土體進(jìn)一步壓密，逐漸將應(yīng)力向樁側(cè)傳遞。而后，樁側(cè)周圍的土體也發(fā)生位移，但由于樁體的承載作用，樁后土體發(fā)生較小位移，產(chǎn)生不均勻位移。荷載繼續(xù)增加，不均勻位移越來越大，致使樁后形成土拱，拱腳處的土體擠密。土拱開始阻擋后側(cè)土體位移。加載繼續(xù)，土體向樁間移動，土體位移增加，在土拱周圍的土體進(jìn)一步被壓密。4.3本章小結(jié)本章主要通過實驗，觀察不同滲流情況下土拱效應(yīng)的發(fā)揮情況。由于實驗時間較短，還有許多需要改進(jìn)的地方：土樣的篩分不仔細(xì)；采集的數(shù)據(jù)圖像只能夠定性地觀察，沒有很強(qiáng)的說服力等。從總體上來看，還是能研究出土拱效應(yīng)的發(fā)揮情況，并得出相應(yīng)的結(jié)論。結(jié)論與展望5.1結(jié)論筆者通過互聯(lián)網(wǎng)查詢和研究大量的有關(guān)樁土作用機(jī)理的文獻(xiàn)資料，建立土拱計算模型，對土拱進(jìn)行了受力分析，通過對土拱的形狀、破壞形式、樁側(cè)土壓力、樁背土壓力的理論推導(dǎo)，得出合理樁間距的理論公式。建立有限元模型，分析各種因素對于土拱效應(yīng)和最大樁間距的影響。最后對于滲流場作用下的多孔介質(zhì)模型進(jìn)行流固耦合分析。具體結(jié)論如下：建立土拱計算模型，對土拱進(jìn)行受力分析，分析出拱的最不利破壞面處于拱腳的三角受壓區(qū)；通過分析土拱的破壞形式，得出拱的三個控制條件：豎向、水平、材料強(qiáng)度，并結(jié)合拱腳處的樁背土壓力和樁側(cè)土壓力，基于Mohr—Coulomb強(qiáng)度理論，推導(dǎo)出合理樁間距的公式。通過上節(jié)得出的樁間距公式，對公式中的各種參數(shù)進(jìn)行分析。有：樁間距和滑坡推力成負(fù)相關(guān)，滑坡推力q越大，所設(shè)置的樁間距就應(yīng)減?。粯堕g距和土體自身的抗剪強(qiáng)度參數(shù)粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ成正相關(guān)，同樁寬b亦成正比關(guān)系，隨其增大而增大；粘聚力c和樁寬b對于樁間距的影響程度較其他因素大。根據(jù)有限元數(shù)值模擬分析，得出：土體自身的抗剪強(qiáng)度參數(shù)和樁土接觸面的摩擦系數(shù)越大，土拱效應(yīng)的發(fā)揮作用越強(qiáng)；隨滑坡推力增加，土拱效應(yīng)的發(fā)揮減弱；土拱效應(yīng)受到內(nèi)摩擦角和接觸面摩擦系數(shù)的影響程度小，受粘聚力的影響程度相對較大，與上節(jié)理論計算推導(dǎo)的結(jié)果相一致。通過室內(nèi)模型試驗，研究和分析土拱效應(yīng)從形成到發(fā)揮，再到破壞的整個過程。5.2不足與展望樁土作用時一個十分復(fù)雜的過程，對于這一方面的研究就目前來看還很淺。特別是對于土拱的邊界條件的確定還十分模糊。筆者進(jìn)行理論上的受力計算、有限元數(shù)值模擬及室內(nèi)模型試驗對理論進(jìn)行最初的討論研究。但因為筆者的知識缺乏，本文中還存在著許多不足之處需要進(jìn)一步改進(jìn)和完善：在對土拱的受力計算時，是在幾個假設(shè)的前提下進(jìn)行的，一是將土拱看做是合理的拋物線形拱軸線，而是忽略土拱的自重。最主要的是在對豎向控制條件的分析，即計算樁側(cè)極限摩阻力時，并沒有考慮樁前土體的影響。在實際中樁前土體的抗力對于摩擦土拱的形成有一定影響。本文是直接認(rèn)為兩相鄰樁體側(cè)存在摩擦土拱，并且樁側(cè)能提供足夠大的摩阻力，這與工程實踐存在一定的誤差，還能對其進(jìn)行進(jìn)一步分析。本文在建立初始應(yīng)力模型時，沒有設(shè)置土體密度值，將模型作為平面模型研究，忽略密度的影響，雖然影響程度較小，但還是有所差距。而且只是控制了單一變量，并沒有考慮多種因素共同變化的情況，不能更好地發(fā)映出樁土的作用機(jī)理。筆者認(rèn)為最重要的改進(jìn)是：由于模型樁設(shè)置為剛性樁，處于完全約束固定的狀態(tài)，并不能發(fā)生位移，但在實際中樁會有微小的變形位移。由此，若考慮樁的位移，可研究其對土拱效應(yīng)的影響，會不會產(chǎn)生應(yīng)力釋放，更有利于土拱效應(yīng)的發(fā)揮。由于筆者能力有限，還需要更深地學(xué)習(xí)才能進(jìn)一步研究。（3）目前，對于樁土模型的建立都是基于假設(shè)連續(xù)介質(zhì)的土體，而土體內(nèi)還存在著孔隙并不只是土體骨架，并非是連續(xù)、均勻的。目前，對于滲流的分析，主要都直接將滲流力施加在土體上，但實際中，流體會在孔隙中流動，所以基于連續(xù)土體，并不能準(zhǔn)確地反映出樁、土、水三者的相互作用機(jī)理，進(jìn)而可以將顆粒流理論運(yùn)用于樁土作用機(jī)理的研究。致謝轉(zhuǎn)眼間，四年的大學(xué)生涯即將劃上句號，回首往昔，奮斗與歡笑都成為絲絲記憶?！捌D苦樸素，求真務(wù)實”的校訓(xùn)伴隨我們一路走來，引導(dǎo)著我們?nèi)绾吻髮W(xué)，教會我們怎樣做一個合格優(yōu)秀的地質(zhì)人。這四年里，不僅學(xué)到豐富的專業(yè)知識，而且還明白了為人處世的道理，結(jié)識了許多朋友。此刻，我由衷地感謝我的學(xué)校，我的老師，我的朋友們。感謝中國地