土拱效應(yīng)基本信息

中文名稱 土拱效應(yīng) 學(xué)科 土木工程領(lǐng)域
發(fā)現(xiàn)人 太沙基 發(fā)現(xiàn)時間 1936

土拱效應(yīng)詳細(xì)內(nèi)容

簡介

在土力學(xué)領(lǐng)域,土拱是用來描述應(yīng)力轉(zhuǎn)移的一種現(xiàn)象,這種應(yīng)力轉(zhuǎn)移是通過土體抗剪強(qiáng)度的發(fā)揮而實(shí)現(xiàn)的。太沙基(1936)通過活動門試驗(yàn)證實(shí)了土拱效應(yīng)的存在。土拱作用是指支撐剛度較大而圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度較小,墻后土壓力局部增大的現(xiàn)象。局部土體產(chǎn)生移動,而其余部分保持原來的位置不動,土中的這種相對運(yùn)動受到土體抗剪強(qiáng)度的阻抗,使移動部分土體的壓力減小,而不動部分上的壓力增加。

土層中的拱作用的產(chǎn)生與拱結(jié)構(gòu)物不一樣,拱結(jié)構(gòu)是把材料制成拱形狀,在荷載作用下發(fā)揮其承受壓力的作用;而土拱有其自身的形成過程:在荷載或自重的作用下,土體發(fā)生壓縮和變形,從而產(chǎn)生不均勻沉降,致使土顆粒間產(chǎn)生互相"楔緊"的作用,于是在一定范圍土層中產(chǎn)生"拱效應(yīng)"。由于土拱效應(yīng)的存在,使得圍護(hù)結(jié)構(gòu)后的主動土壓力產(chǎn)生重分布。值得注意的是,土體中除了豎向存在土拱效應(yīng)外,水平方向同樣存在著土拱效應(yīng)。合理利用豎向及水平向的土拱效應(yīng)可使土體的應(yīng)力重分布向?qū)こ逃欣姆较虬l(fā)展,充分利用土體自身的抗變形能力。

土拱效應(yīng)是巖土工程中一個很普遍的現(xiàn)象。活動門試驗(yàn)是一個最經(jīng)典的例子。很多學(xué)者對活動門模型進(jìn)行了試驗(yàn)和數(shù)值研究,研究結(jié)果己被用于很多地下結(jié)構(gòu)的設(shè)計中。在地下管道工程實(shí)踐中,測得管道上的土壓力并非上覆土的重力,其中主要的原因就是由于土拱效應(yīng)的影響,主應(yīng)力方向發(fā)生了偏轉(zhuǎn)。在非巖石地層中開挖坑道,坑道周圍地層就會產(chǎn)生變形或錯動,因而產(chǎn)生應(yīng)力釋放現(xiàn)象,這種應(yīng)力釋放現(xiàn)象實(shí)際上是坑道周圍應(yīng)力向臨近部分傳遞的結(jié)果,即土拱效應(yīng)的結(jié)果。

產(chǎn)生和存在的條件

Terzaghi 通過活動門試驗(yàn)證明了土拱效應(yīng)的存在并得出了其存在的兩個條件:

(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。

2015年,中國工程師譚可源撰文提出:Terzaghi提出的第2個條件"存在作為支撐的拱腳"欠妥,因?yàn)橥凉爱a(chǎn)生了,自然有拱腳,"存在拱腳"是土拱存在的一個表現(xiàn),但拱腳需要支撐卻是必須的,所以認(rèn)為Terzaghi提出第2個條件修改為"存在支撐拱腳的條件"較為合適。此外,譚可源還提出了另外一個條件" 土體顆粒間具有足夠的黏結(jié)力與摩擦力",故此,譚可源提出土拱效應(yīng)存在的條件是(按照需要的先后次序表述):

(1) 土體顆粒間具有足夠的黏結(jié)力與摩擦力;

(2) 存在支撐拱腳的條件;

(3) 土體內(nèi)部產(chǎn)生不均勻位移或相對位移。

土拱形態(tài)的研究

研究表明,在剛性樁復(fù)合地基中,樁體承受的荷載作用要比樁間土承受的荷載作用大得多,這就是土拱效應(yīng)作用所致。土拱效應(yīng)和土拱的形態(tài)息息相關(guān),但是,土拱效應(yīng)提出以來,對土拱具體形態(tài)的研究不多,直至近20年來才進(jìn)行較多,之前的研究寥寥可數(shù)??偨Y(jié)而言,目前提出的比較重要的土拱具體形態(tài)有:Carlsson提出的三角拱形模型;B. K. Low等L2J的半圓形模型;W. J. Hewlett和M. F. Randolph}3」的半球形模型;中國科學(xué)院院士陳云敏等根據(jù)HEWLEIF模型試驗(yàn)結(jié)果提出的半球殼形模型。

2015年,譚可源提出一種關(guān)于剛性樁復(fù)合地基土拱效應(yīng)的三維土拱模型,并作出了理論證明,與既有的土拱模型不同,為區(qū)別于既有的土拱模型,稱為譚氏土拱模型,簡稱"譚氏拱"。

譚氏拱的主要特征是:

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。

剛性樁復(fù)合地基的土拱效應(yīng)理論

剛性樁復(fù)合地基得到了廣泛的應(yīng)用,成功的案例很多,但也不乏失敗的案例。與廣泛的應(yīng)用形成鮮明對比的是:剛性樁復(fù)合地基的理論研究卻明顯滯后,而且有點(diǎn)混亂,在全國性的專業(yè)學(xué)術(shù)會議上就有專家指出,剛性樁復(fù)合地基的應(yīng)用是走在理論研究前面的。傳統(tǒng)的剛性樁復(fù)合地基土拱效應(yīng)理論觀點(diǎn)和應(yīng)用的現(xiàn)狀是:

1、認(rèn)為剛性樁復(fù)合地基的受力機(jī)理是樁體和樁間土共同承載、兩者承擔(dān)不同比例的荷載,基于這個觀點(diǎn),不少研究者都研究、嘗試如何讓樁間土承擔(dān)更多荷載作用,以便節(jié)省剛性樁的投入、節(jié)省工程造價。

2、認(rèn)為樁體能夠比樁間土承擔(dān)比較多的荷載作用是因?yàn)橥凉靶?yīng)的作用所致,但是土拱效應(yīng)是如何起到這個作用的,荷載作用的傳遞機(jī)理如何,一直以來都不甚明了。

3、對土拱效應(yīng)的研究至今仍然沒有一個公認(rèn)的研究成果,仍存在多方面值得探討、需要探討的問題,土拱模型的研究主要還是建立在假設(shè)的基礎(chǔ)上,尤其對幾何參數(shù)的研究,主觀因素很大。

2015年,譚可源提出一種關(guān)于剛性樁復(fù)合地基土拱效應(yīng)的新觀點(diǎn),并作出了部分理論證明和實(shí)例論證,與既有的土拱效應(yīng)理論觀點(diǎn)不同,為區(qū)別于既有的土拱效應(yīng)理論觀點(diǎn),稱為剛性樁復(fù)合地基的譚可源土拱效應(yīng)理論,其主要觀點(diǎn)是:

1、土拱實(shí)際上起到了傳遞拱腳以上全部荷載的作用,產(chǎn)生了土拱的剛性樁復(fù)合地基上部的荷載最終全部都是由樁承擔(dān)的,樁間土并沒有實(shí)質(zhì)上承擔(dān)到設(shè)計的荷載。因此,如果從樁和樁間土是否共同承擔(dān)荷載來界定復(fù)合地基的觀點(diǎn)來看,這種地基類型不屬于復(fù)合地基。

2、以往的工程觀測實(shí)例中觀測到的樁間土應(yīng)力實(shí)際上只是土拱下的離空下沉部分的錐形土堆對樁間土產(chǎn)生的應(yīng)力。

3、土拱是復(fù)合的多向空間拱結(jié)構(gòu),由基拱和頂拱組成,不管樁體間距、托板長寬如何,基拱均為單向拱,頂拱則為四個拱腳長度(取決于樁體縱橫向的間距)相近的雙向拱。

4、土拱沒有明顯的輪廓線。實(shí)體土拱不像拱橋的拱那么規(guī)整、邊線順直圓滑,厚度也不像拱橋的拱那么一致。

5、無論基拱還是頂拱,沿拱的方向,都存在土拱效應(yīng)等效線,土拱效應(yīng)等效線都是由拱頂向兩側(cè)拱腳發(fā)散的,同一等效線上的各個土體微單元側(cè)面受到的法向壓應(yīng)力是相等的。

6、加載過程中土拱軸線不恒定;荷載穩(wěn)定后,土拱軸線才趨向恒定;預(yù)壓完成后,荷載沒有變化時,土拱軸線應(yīng)該是恒定的。

7、土拱效應(yīng)終止于路堤等沉面以下。

8、土拱內(nèi)的土體密度比土拱外的大,越靠近拱底,密度越大。

9、理論上,基拱寬度可等于樁頂托板的寬度。但在實(shí)際應(yīng)用上,因?yàn)槭艿蕉喾N因素的影響,基拱寬度應(yīng)該按照略小于樁頂托板的寬度來考慮。雖然理論上,拱腳長度無限延伸,但是,實(shí)際起到主要作用、關(guān)鍵作用的部分是在托板上的部分,只有托板上的拱腳穩(wěn)定可靠,整個土拱才可能保持穩(wěn)定。因此,可以把基拱簡化為拱腳長度等于或略小于樁頂托板長度來考慮。所以,在實(shí)際應(yīng)用上,拱腳長度、基拱的厚度都應(yīng)該按照略小于樁頂托板長度、寬度來考慮,如取0.9的系數(shù)。

10、實(shí)體土拱的三維結(jié)構(gòu)分析:

(1)等沉面客觀存在,說明實(shí)體土拱土拱效應(yīng)的終止線,該終止線與等沉面相切,另一方面,說明土拱效應(yīng)強(qiáng)度存在一個由拱底向拱頂逐漸變小的漸變現(xiàn)象。

(2)頂拱與基拱之間的立體關(guān)系存在2種可能(具體是哪一種,有待驗(yàn)證): A、 頂拱與基拱之間呈直觀明了的上下支撐關(guān)系,這種模型下,頂拱土拱效應(yīng)的終止線與等沉面相切,而基拱土拱效應(yīng)的終止線距離等沉面有一段距離。 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。這種模型下,基拱頂面接近頂拱頂面,甚至與頂拱頂面持平、位于同一水平面上;頂拱土拱效應(yīng)的終止線與等沉面相切;基拱土拱效應(yīng)的終止線接近等沉面、甚至也與等沉面相切。

(3)不論頂拱與基拱之間的立體關(guān)系如何,在相鄰的兩個頂拱中間處,頂拱土拱效應(yīng)終止線都無限接近等沉面。

(4)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是交叉的,相鄰的兩個頂拱的拱腳也是交叉的。

11、拱腳不同部位的應(yīng)力不均勻,而且托板上的幾個拱腳應(yīng)力對托板產(chǎn)生疊加效應(yīng),致使托板上的應(yīng)力不均勻。

12、鑒于土的散體性質(zhì),土拱不可能是扁形的拱,穩(wěn)定土拱的最終凈矢高應(yīng)該大于其凈跨徑的1/2。

13、土拱凈跨徑L0越大,凈矢高H0越大,凈矢跨比(H0/ L0)也越大。

14、基于上述認(rèn)識,拱上任一點(diǎn)的應(yīng)力不能簡單按照某一種線型來推導(dǎo)。

土拱效應(yīng)造價信息

市場價 信息價 詢價
材料名稱 規(guī)格/型號 市場價
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行情 品牌 單位 稅率 供應(yīng)商 報價日期
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材料名稱 規(guī)格/型號 除稅
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行情 品牌 單位 稅率 地區(qū)/時間
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材料名稱 規(guī)格/需求量 報價數(shù) 最新報價
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土拱效應(yīng)常見問題

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土拱效應(yīng)文獻(xiàn)

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黏性土樁間土拱效應(yīng)計算與樁間距分析 黏性土樁間土拱效應(yīng)計算與樁間距分析

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黏性土樁間土拱效應(yīng)計算與樁間距分析——土拱效應(yīng)是安全經(jīng)濟(jì)地發(fā)揮抗滑樁等非連續(xù)支擋結(jié)構(gòu)的支護(hù)功能的重要前提,樁間距與成拱作用密切相關(guān)。利用合理拱軸線幾何特征與受壓破裂角方位,通過力學(xué)概念分析,將黏性土土拱計算的平衡條件和強(qiáng)度條件綜合簡化為以拱腳...

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因性能可靠和節(jié)省投資,樁承式加筋路堤在松軟土地區(qū)公路和鐵路路基工程中得到了越來越多的應(yīng)用。其內(nèi)在機(jī)理是基于樁土差異沉降形成路堤土拱效應(yīng),土拱效應(yīng)與加筋拉膜效應(yīng)相結(jié)合,使樁承擔(dān)大部分路堤荷載,從而控制路基總沉降和不均勻沉降。但目前對土拱形態(tài)和成拱條件認(rèn)識不一致,荷載傳遞機(jī)制實(shí)證不足,缺乏重復(fù)荷載下樁-筋材-土共同作用對土拱效應(yīng)演變規(guī)律影響的定量研究。本項(xiàng)目將采用縮尺模型試驗(yàn)、離心模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法,試驗(yàn)驗(yàn)證土拱形態(tài),研究全拱條件,把樁承式加筋路堤的土拱效應(yīng)和荷載傳遞視為多因素作用下的動態(tài)過程,分析填土性質(zhì)、地基條件、加筋作用、樁頂沉降等對土拱效應(yīng)和路基沉降的影響。通過本項(xiàng)目的研究,將揭示樁承式加筋路堤土拱效應(yīng)的演變規(guī)律,建立包括土拱形態(tài)、全拱條件在內(nèi)的土拱模型和荷載傳遞模型,提出以沉降控制為原則的樁體荷載分擔(dān)比和路基沉降分析方法。研究成果將為樁承式加筋路堤的工程應(yīng)用奠定科學(xué)理論基礎(chǔ)。

第一章 緒論

1.1 問題的提出及研究意義

1.1.1 問題的提出

1.1.2 研究意義

1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.2.1 關(guān)于懸臂樁土拱效應(yīng)

1.2.2 關(guān)于嵌固段地基反力研究

1.3 研究的思路和內(nèi)容

1.3.1 研究的思路

1.3.2 主要研究內(nèi)容

第二章 懸臂樁室內(nèi)推樁模型試驗(yàn)及土拱效應(yīng)研究

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?

2.1.1 樁間的起拱現(xiàn)象

2.1.2 存在的主要問題

2.2 推樁模型試驗(yàn)設(shè)計

2.2.1 試驗(yàn)方案

2.2.2 模型箱的設(shè)計加工

2.2.3 模型樁的制作與測試

2.2.4 填料選擇及參數(shù)測定

2.2.5 試驗(yàn)加載及監(jiān)測設(shè)備

2.2.6 試驗(yàn)步驟

2.3 懸臂樁監(jiān)測結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

2.3.1 懸臂樁土拱效應(yīng)的三維分布

2.3.2 懸臂樁與埋入式樁的對比

2.3.3 樁間距對土拱效應(yīng)的影響

2.3.4 不同配比填料的測試結(jié)果

2.4 樁板墻監(jiān)測結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

2.4.1 試驗(yàn)方案

2.4.2 測試結(jié)果

2.4.3 總體方案

2.4.4 加載及測試

2.4.5 室內(nèi)模型試驗(yàn)測試結(jié)果

2.5 懸臂式抗滑樁三維土拱效應(yīng)模擬

2.5.1 懸臂式抗滑樁三維及二維有限元模型建立

2.5.2 水平土拱的縱向分布規(guī)律

2.5.3 土拱效應(yīng)的主要影響因素研究

2.5.4 雙排樁樁間土變形破壞模式及土壓力荷載分布

2.6 土拱的形成機(jī)理分析

2.7 本章小結(jié)

第三章 柔性板樁板墻土拱效應(yīng)大型試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)?zāi)康?

3.1.1 樁板墻的應(yīng)用

3.1.2 樁板墻樁間擋板設(shè)計中存在的主要問題

3.1.3 試驗(yàn)研究目的

3.2 柔性板樁板墻加固填方工程試驗(yàn)設(shè)計

3.2.1 試驗(yàn)方案

3.2.2 模型槽的制作及懸臂樁的施工

3.2.3 擋土板的制作與安裝

3.2.4 滑體材料的選用

3.2.5 監(jiān)測設(shè)備

3.2.6 兩個工況的試驗(yàn)步驟

3.3 監(jiān)測結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

3.3.1 擋板位移監(jiān)測結(jié)果

3.3.2 填土內(nèi)部土壓力監(jiān)測結(jié)果

3.3.3 摘板卸荷過程試驗(yàn)結(jié)果

3.3.4 樁板墻土壓力試驗(yàn)結(jié)果

3.3.5 擋板布置于樁背側(cè)時墻背土壓力長期監(jiān)測結(jié)果

3.4 本章小結(jié)

第四章 考慮自重應(yīng)力作用的樁間土穩(wěn)定性研究

4.1 引言

4.2 樁間土的穩(wěn)定性分析

4.2.1 土拱強(qiáng)度條件分析

4.2.2 關(guān)于樁周土體應(yīng)力狀態(tài)的探討

4.3 懸臂樁加固切方邊坡

4.3.1 斜坡的初始應(yīng)力場分析

4.3.2 考慮切方卸荷效應(yīng)的樁間土穩(wěn)定性分析

4.3.3 切方邊坡實(shí)例分析

4.4 承受滑坡推力時的樁間土整體穩(wěn)定性分析

4.5 本章小結(jié)

第五章 考慮空間效應(yīng)的懸臂樁嵌固段地基反力計算研究

5.1 引言

5.2 懸臂樁嵌固段空間問題的三角級數(shù)解

5.2.1 受力模式的分解

5.2.2 嵌固段樁的側(cè)向地基反力及接觸壓應(yīng)力的計算

5.3 樁身嵌固段地基反力的對比研究

5.3.1 試驗(yàn)?zāi)康募安襟E

5.3.2 監(jiān)測結(jié)果及對比分析

5.3.3 合理嵌固深度的探討

5.4 本章小結(jié)

第六章 懸臂樁樁間土及嵌固段地基的加固技術(shù)研究

6.1 引言

6.2 逆作法施工時錨桿加固懸臂樁樁間土的數(shù)值分析

6.2.1 分析模型的建立及研究方案

6.2.2 樁間土采用錨桿加固的效果分析

6.2.3 錨桿鉆進(jìn)深度的影響

6.3 懸臂樁嵌固段地基加固的數(shù)值分析

6.3.1 研究內(nèi)容

6.3.2 模型的建立

6.3.3 結(jié)果分析

6.4 本章小結(jié)

第七章 結(jié)論與展望

7.1 主要結(jié)論

7.2 后續(xù)研究工作的展望

參考文獻(xiàn) 2100433B

本項(xiàng)目擬通過理論分析、室內(nèi)和現(xiàn)場試驗(yàn)相結(jié)合的方法研究懸臂式抗滑樁樁間土拱的形成機(jī)理和臨界應(yīng)力條件,確定懸臂式抗滑樁三維土拱幾何形狀和厚度,建立樁間滑體三維穩(wěn)定性分析模型,獲得樁繞流阻力的數(shù)學(xué)表達(dá)式,給出懸臂式抗滑樁三維土拱穩(wěn)定性的判別標(biāo)準(zhǔn),綜合研究滑體物理力學(xué)指標(biāo)、滑坡推力分布形式、樁間距、樁正截面寬度、懸臂高度等要素對三維土拱效應(yīng)的影響,并據(jù)此提出合理樁間距的計算理論與方法,并闡明樁間距與樁間擋板所受荷載之間的關(guān)系。項(xiàng)目研究成果將對安全、經(jīng)濟(jì)、合理地設(shè)置抗滑樁的排列間距及進(jìn)一步完善樁間擋板的設(shè)計理論奠定科學(xué)基礎(chǔ),對該類型支擋結(jié)構(gòu)及與該類型受力特點(diǎn)相類似的支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計理論發(fā)展均有重要的意義。研究成果在山區(qū)交通土建工程、城鎮(zhèn)深基坑支護(hù)工程、庫岸防護(hù)工程、地質(zhì)災(zāi)害治理等領(lǐng)域具有廣闊的工程應(yīng)用前景。 2100433B

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