樁承式路堤土拱演化——模型試驗分析與DEM模擬.pdf

1、土拱效應是樁承式路堤、抗滑樁、地下埋管等眾多巖土工程問題荷載傳遞的主要機制，土拱效應的研究主要采用Terzaghi的Trapdoor（陷阱門）試驗的思路，而樁承式路堤的群樁與樁間土組合與Multi-trapdoor（多陷阱門）系統(tǒng)更為吻合。其荷載傳遞機制更為復雜，主要樁承式路堤的土拱效應模型眾多，各類模型都有其應用范圍。為了探究樁承式路堤土拱效應模型之間的關系及其演化規(guī)律，課題組自主研發(fā)了多陷阱門模型試驗箱裝置。選取不同的填料高度、樁間

2、凈距、樁體寬度以及顆粒粒徑作為影響參數，開展了一組4因數4水平正交試驗。采用離散單元法(DEM)對模型試驗進行數值模擬，印證模型試驗中發(fā)現的三種土拱效應演化模型及其演化過程。
　　本研究主要內容包括：⑴通過采集到的砂填料圖像以及 PIV（粒子圖像測速）技術獲取的砂填料全場位移等值線圖，揭示出當陷阱門向下移動（模擬樁承式路堤樁間土下沉）時，試驗填料中首先均出現三角形剪切面，稱為初始三角拱。隨著移動量的增加，不同參數組合下的初始三角拱

3、出現了三種不同的演化模式。分別為三角滑移面擴展模式、塔形滑移面升高模式和等沉模式；⑵對獲取的樁土應力比曲線進行分析。16組模型試驗的樁土應力比曲線可以歸為三種類型，分別對應于位移圖像所反映的三種土拱效應演化模式，每種樁土應力比曲線類型對應的參數組合也基本與位移圖像的演化模式的參數組合相對應。通過試驗結果總結出了三種演化模式各自的參數組合條件，即適用條件；⑶樁土應力反映了樁承式路堤土拱效應發(fā)揮程度，采用正交試驗方差分析與極差分析方法，對樁

4、土應力比峰值、峰值對應下移量和樁土應力比殘余值分別進行分析。探討了填料高度、樁間凈間距、樁寬和粒徑對土拱效應的影響規(guī)律和影響程度；⑷對試驗觀察到的初始三角形滑移面的形態(tài)、直線型滑移面的傾角等進行了討論。試驗獲取的初始三角形滑移面絕大多數為直線型，統(tǒng)計的初始滑移面傾角與采用殘余摩擦角計算得到的主動破裂角相近。通過位移演化圖像與樁土應力比曲線對應的下移量分析，初始三角滑移面與最大樁土應力比密切相關，而樁土應力殘余值與垂直滑移面的相關；⑸采用

5、大型平面應變試驗儀對試驗砂料進行了平面應變試驗，試驗結果反映：對于同一種砂料，顆粒粒徑對強度和剪脹性影響不大，相對密度影響較大。試驗用砂的摩擦角和剪脹角均較大。利用臨界土力學理論，獲得了砂料的臨界摩擦角，對試驗結果的合理性進行了探討；⑹利用DEM數值模擬探討了DEM數值模擬中顆粒孔隙率與初始摩擦系數之間的關系，并詳細闡述了摩擦系數對孔隙率存在影響的原因，由此給出了一種獲得指定孔隙率值的顆粒組裝方法。根據砂的平面應變試驗強度參數與曲線，選