路堤荷载下钉形桩土拱效应的理论与特性分析

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1、第一章绪论1．1概述土拱效应是由于介质的不均匀位移引起的。土拱的形成改变了介质中的应力状态，引起应力重新分布后，并把作用于拱后或拱上的压力传递到拱脚及周围稳定介质中去川。国际上对土拱效应通用的定义是：应力从土体的屈服部分迁移到临近的未屈服部分或土体的约束边界Ⅲ。在岩石力学中，认为岩层中拱效应的形成是坑道顶部围岩的变形发展到一定程度，逐渐终止，这时顶部围岩将形成一个稳定的拱形—一压力拱。在水利工程中，认为土坝中拱效应的产生是由于不同材料间的不均匀沉陷引起的，据某心墙砂坝的观测结果，在土坝中部高程处，实测土压力值仅为土柱自重压力的30～50％，而坝壳的实

2、测压力是土柱自重压力的1．9倍，这是由于坝壳对心墙的顶托作用，使心墙中部高程处的垂直压力减小，而在同一高程的坝壳压力则增加，这样就产生了“拱效应”。在跨河方向上，由于河岸v型河谷的影响同样存在着不均匀沉降，河床中部的沉降大于两侧的沉降，根据有限元计算结果，土坝中部的垂直土压力比自重压力小，也存在拱效应的现象例。大量的模型试验和观测研究表明，支护结构所受土压力与库伦、朗肯土压力理论的计算结果有一定的差异。造成实测的主动土压力或被动土压力值与Rankille土压力差异的原因是多方面的，其中一个重要原因也是土拱效应⋯。土层中拱作用的产生跟拱结构物不一样。拱

3、结构是把材料制成拱形状，在荷载作用下即发挥其承受压力的作用。而土拱有其自身的形成过程。由于土体具有颗粒间的粘结力与摩阻力，所以具有形成土拱的作用，在荷载或自身重力的作用下，土体产生压缩或沉降，当土中存在着洞穴、软弱材料或边界条件不一致时，将产生不均匀位移，由于位移的不均性，致使土颗粒产生互相“楔紧”的作用，于是就在一定范围的土层中产生“拱效应”。方桩正方形布置情况下，桩顶平面以上的填土由于沉降不均而引起的在桩顶上的竖向半球形土拱模型如图1．1所示。1．2土拱效应研究现状1．2．1土拱特性研究圈1．1竖向半球形土拱模型示意图1884年，英国科学家Rob

4、erts首次发现了“粮仓效应”【，j，粮仓底面所承受的力在粮食堆积高到一定程度后达到最大值并保持不变，这就是通常所说的土拱效应。N20世纪末21世纪初，在岩土工程领域，与土拱效应有关的实测数据、试验模型及理论研究越来越多，对以前无人问津的拱体几何参数与力学参数的研究也层出不穷16，71。研究土拱理论的同时，有人已将研究成果付诸实践，对工程设计进行指导、优化，并取得了良好的效果””J。1895年，德国工程师Janssen用连续介质模型对其进行了定量解释【ll。1943年，Terzaghi通过著名的活门拱试验““J。证实了土力学领域土拱效应的存在，并在对

5、土拱的应力分布进行描述的基础上，得出了土拱效应存在的两个条件：(1)相邻土体单元产生相对位移；(2)支东南大学硕：l：学位论文撑十拱的拱脚。bbl图1．2活塞板试验如图1．2所示，在水平扳ccl静置一定厚度的松散介质，在水平板上开--d,槽，槽内放置可以上下移动的活塞板aaI。当活塞板aal往下移动较大位移时，板aal上介质将随板一起往下错动，出现错动带aatbbl，介质内出现两条破裂面ab和atbl，如果在活塞板aal下装上溯力器，发现松散介质作用在活塞板上的压力冈活塞板下移而减小了，而作用在水平板ac和alel上的力增加了，这是由于错动带通过破裂

6、面向相邻部分传递了一部分自重应力的结果，这就是土拱效应现象。Terzaghi理论作了如下假定：错动带内水平截面上法向应力a0是均匀分布的；两垂直破裂面附近介质达到极限平衡状态；根据实测结果，活塞板附近错动带内水平方向的正应力近似等于垂直方向的正麻力q，假定q／o'y=1·考虑错动带介质的力学平衡，确定错动带内介质垂直方向应力oj=tn—exp(_如z)】+gexp(_七2z)。式中毛、t2为与介质力学参数和活塞板几何尺寸有关的系数，q为作用在错动带顶面的外荷载。得到口j随深度z的增加而渐趋稳定，当深度Z达到活塞扳扳宽的2～3倍值时，叮。即非常接近稳定

7、值。Terzaghi理论能明确地解释由于土拱效应的作用而引起活塞板上的应力变化。当活塞板上堆积介质达剑一定厚度以．1斤，作用在活塞板上的压力就与堆积厚度无关。这与活塞板移动以前活塞板上介质中应力的分布是完全不同的。Terzaghi理论假定盯。／盯，=1，这实际上认为土的抗剪强度等于零，其分析结果与实际情况是有出入的。而且由于分析过程中忽略了许多因素，得出的结论当然是概念性的。但在太沙基理论中，太沙基根据实验得出k=1．O～1．5，k没有明确的概念，太沙基也没有考虑粘聚力的影响．尽管有这些缺陷，太沙基对士拱效戍的概念性解释是上E确的。所以土拱效应据此可

8、以定义为，屈服介质的戍力向临近非屈服介质的传递作用。Ladanyi＆Hoyaux(1969)；Vardoul