[发明专利]一种新型的悬臂桩土拱效应的测试方法

说明书

技术领域

本发明属于斜坡支护领域，尤其涉及一种新型的悬臂桩土拱效应的测试方法。 

背景技术

自然斜坡被切削成相对陡峻的人工边坡常称为切方边坡，路堑边坡及基坑边坡都是切方边坡的一种形式。实际工程中，为防止斜坡切方后发生失稳，常采用抗滑桩（支护桩）对待开挖的斜坡进行预支护。待抗滑桩达到设计强度后，再将桩前土体挖除，此时，抗滑桩因不受桩前土体的作用而形成悬臂桩。悬臂抗滑桩多采用非连续结构，利用土体自身强度，使两相邻抗滑桩间的土体形成土拱效应[1]，将桩后土体的下滑推力传递至桩身，并阻止土体从桩间滑出，以达到提高边坡稳定性的目的。其抗滑机制主要体现于桩、滑体、滑床三者间的相互协调作用，并最大限度的利用桩体的材料性能。 

抗滑桩土拱效应很难在工程实践中进行观察，因此近年来许多国内外学者对土拱效应的形成机制进行了分析。常保平提出根据抗滑桩后土拱强度计算桩间距的方法。王成华提出以抗滑桩两侧摩阻力之和不小于桩间滑坡推力作为桩间距计算的控制条件。周德培等提出了在综合考虑桩后土拱强度条件和桩间土拱静力平衡条件的桩间距计算模型。刘静对抗滑桩后土拱效应进行了三维数值模拟分析，发现在抗滑桩后和桩间土体中出现两种不同作用机理 的应力拱，并分析了影响土拱效应的因素。杨明采用离心模型实验手段，再现了桩间土拱效应的现象，并通过数值模拟分析，对桩间土拱的力学传递机制进行了研究。 

悬臂桩桩间土的稳定性影响因素较复杂，其中土拱效应是最关键的影响因素。目前针对悬臂桩桩间土稳定性方面的研究相对埋入式桩较少，缺少相应方面的理论，严重的影响悬臂桩支护稳定性的研究。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型的悬臂桩土拱效应的测试方法，旨在解决传统的悬臂桩桩间土的稳定性影响因素较复杂，其中土拱效应是最关键的影响因素。目前针对悬臂桩桩间土稳定性方面的研究相对埋入式桩较少，缺少相应方面的理论，严重的影响悬臂桩支护稳定性的研究的问题。 

本发明是这样实现的，一种新型的悬臂桩土拱效应的测试方法，该方法包括： 

步骤一：将悬臂桩的土拱效应问题简化为二维平面应变问题，选取地面下一定深度的单位厚度土层进行分析； 

步骤二：在二维平面计算模型的基础上对桩后土拱形成和失效机制进行研究，建立桩土相互作用的颗粒流模型； 

步骤三：通过数值模拟试验，分析随着土体位移的增大桩后土拱的形成过程； 

步骤四：通过数值模拟试验，分析随着土体位移的增大桩后土拱演化过程影响因素； 

步骤五：采用非连续变形的颗粒流方法，分析土拱效应的失效过程； 

步骤六：采用非连续变形的颗粒流方法，分析土拱效应失效过程的影响因素。 

进一步，二维平面应变问题是对选取地面下一定深度的单位厚度土层进行分析，设置边界条件如下： 

a,该土层的变形仅发生在平面内，忽略其竖直方向的变形; 

b,假定桩体完全刚性，不发生变形和位移，重点分析桩间土体; 

c,为了减小计算模型的规模，考虑模型的对称性，仅分析两桩间的单个土拱; 

d,设定桩前边界自由以模拟桩前无土或不考虑桩前土体抗力的情况；在桩后边界上设置y方向的位移模拟土体的水平移动; 

选取矩形截面抗滑桩作为研究对象，桩截面高度a=3.0m，宽度b=2.0m。研究范围高度H=10m，间距L=3b、4b、5b。左右两侧边界约束土体横向位移，纵向自由。 

进一步，桩土相互作用的颗粒流模型的建立方法为：采用颗粒流方法对岩土材料进行模拟时，先建立岩土结构的颗粒集合，并不断调整颗粒的各项参数，使该集合在宏观上具有与实际岩土材料相一致的力学特性；经过大量PFC试样的模拟试算，选定PFC模型颗粒粒径Rmin=3mm、最大粒径与最小粒径比Rmax/Rmin=2.7，粒径服从正态分布，颗粒间的连接强度值也服从正态分布；数值模拟过程中，逐步加载使土体向抗滑桩方向缓慢移动，以使土体中的应力水平逐步增大，直至桩后颗粒发生较大规模坍落，土体应力出现跌落。 

进一步，土拱的形成过程为：第一阶段，桩体初始承载阶段；第二阶段，桩体承载增长，土拱形成与稳定演化阶段；第三阶段，土体开始屈服，土拱不稳定演化阶段。 

进一步，土拱演化过程受到桩土相对位移、土体参数以及桩体参数的影响。 

进一步，土拱效应失效过程为： 

第一阶段，随着桩土相对位移的增大，土体屈服区的扩展已较为显著，但桩后土压力仍能随之增大，直至达到某极限值，该阶段可视为土拱的损伤阶段；