桩间土拱效应离心模型试验研究_王成.pdf

第 8 卷第 1 期地 下 空 间 与 工 程 学 报Vol 8 2012 年 2 月 Chinese Journal of Underground Space and EngineeringFeb 2012 桩间土拱效应离心模型试验研究 王成 王东 陈夏雨 刘晓洁 重庆交通大学土木建筑学院 重庆400074 摘要 抗滑桩的合理桩间距是设计中的关键参数之一 本文通过桩间净距分别为4 d 5 d 和 6 d 的粘性土抗滑桩离心模型试验 分析了桩间土拱形态变化及破坏状态 试验结果表 明 桩间距较大时 土拱曲线形状趋于平缓 土拱矢高较小 土拱的受力趋于梁的受力 难以形 成稳定的土拱 桩间距较小时 土拱矢高较大 土拱的受力呈现受压的特征 容易形成稳定的土 拱 即随着桩间距的增大 土拱效应减弱 同时从理论上分析了不同桩间距土拱的破坏图式 提出粘土中合理桩间净距为桩径的 4 倍左右 该结论对抗滑桩的设计具有一定的参考意义 关键词 抗滑桩 离心模型试验 土拱效应 合理桩间距 中图分类号 TU443文献标识码 A 文章编号 1673 0836 2012 01 0033 04 Study on Centrifuge Model Tests of Soil Arching Effect between Piles Wang Cheng Wang Dong Chen Xiayu Liu Xiaojie Department of Tunnel and Geotechnical Engineering Chongqing Jiaotong University Chongqing 400074 China Abstract Reasonable spacing of anti sliding piles is one of key parameters in the design Based on the centri fuge tests of such pile in clay with the net spacing of 4d 5d and 6d pile diameter the shape variation and failure state of soil arching are analyzed The results indicate that when the pile spacing is quite big the loading state of soil arching will tend to be that of the beam because of the smooth curve small vector height so it is difficult to form the stable soil arching and that when the pile spacing is rather small the loading state of soil arching will tend to be compressed because of the large vector height so it is easy to form the stable soil arching That is to say with the in crease of pile spacing the effect of soil arching will weaken Meanwhile the failure mode of soil arching in different pile spacing is theoretically analyzed The conclusion that the reasonable net spacing is as large as the 4 times of pile diameter is put forward which is of great significance to the design of such pile Keywords anti slide pile centrifuge model test soil arching effect reasonable pile spacing 1引言 目前 对抗滑桩自身强度的设计方法已经比较 成熟 而对抗滑桩合理桩间距及尺寸等的设计还停 留在经验阶段 没有成熟的理论方法可供指导 一般很难观察桩间土拱的自然现象 人们研究 抗滑桩士拱效应主要集中于以下两个方面 一是从 理论方面对合理桩间距进行研究 1 7 二是从数值 模拟角度对抗滑桩土拱效应产生的机制 条件及合 理桩间距进行研究 8 9 本文通过粘土中离心模 型试验和数值分析方法 对桩间距对桩间土拱稳定 性的影响进行系统的研究 对抗滑桩的设计具有一 定的理论意义 2粘土中桩间土拱效应离心模型 试验 2 1离心模型实验概况 试验采用 60 cm 35 cm 50 cm 模型箱进行 收稿日期 2011 10 20 修改稿 作者简介 王成 1962 男 重庆人 教授 主要从事桥梁与隧道工程的科研与教学工作 E mail wch62 yahoo cn 相似比为 1 100 采用悬臂式抗滑桩 桩间不设 板 形成临空面 模型底部填筑水泥砂浆模拟抗滑 持力层 分层填筑粘土作为滑体 两者交界面形成 潜在滑动面 模拟试验不严格考虑粒径影响 采用 2 cm 3 cm 横截面的有机玻璃柱模拟抗滑桩 表 面涂三氯甲烷 并粘有机玻璃粉末 使模型桩表面 具有一定粗糙度 以模拟桩土接触 分别进行了桩 间净距为 4 d 5 d 和 6 d 的离心模型试验 试验方 案立面 平面及模型图见图 1 图 2 图 3 试验参数 见表 1 和图 4 图 1离心模型立面图 单位 cm Fig 1Front view of centrifuge model units cm 图 2模型平面图 单位 cm Fig 2Plan view of centrifuge model units cm 表 1土的物理力学参数 Table 1Physical and mechanical parameters of soils 参数 材料 弹性 模量 泊松比重度粘聚力 内摩 擦角 MPa kN m3 kPa 桩2 9800 37625 滑坡体240 28196034 砂浆2 0000 282640042 图 3试验模型图 Fig 3Test model 图 4时间与加速度曲线 Fig 4Curves of time and acceleration 2 2土拱离心模型试验结果分析 图 5 图 6 及图 7 为桩间净距分别为 4 d 5 d 和 6 d 时的土拱破坏状态图 由图 5 7 知 1 桩间净距为 4 d 时 桩间土体形成连拱 2 桩间净距为 5 d 6 d 的模型中 拱顶坍塌 导致土拱被破坏 整个土体出现明显的滑动 滑体 后缘出现几乎贯通的拉裂缝 试验表明 桩间距越大 拱的受力越接近于梁 的受力 不能有效形成土拱 桩间距越小 土拱受力 越体现受压的特征 对土拱结构的受力越有利 因 此 随着桩间距的增大 土拱效应减弱 3抗滑桩合理桩间距的理论解释 在均布荷载 q 作用下 拱的合理拱轴线是一条 抛物线 拱轴线的每一截面上只存在压力 没有弯 矩和轴力 对称结构 沿桩长方向取单位高度的土 拱进行分析建立如图 8 所示坐标系 其合理拱轴线 方程为 y 4f L2 L x 1 43地 下 空 间 与 工 程 学 报第 8 卷 图 5桩间净距为 4d 时土拱破坏图 Fig 5Destruction of soil arching while the pile spacing is 4 d 图 6桩间净距为 5 d 时土拱破坏图 Fig 6Destruction of soil arching while the pile spacing is 5 d 图 7桩间净距为 6 d 时土拱破坏图 Fig 7Destruction of soil arching while the pile spacing is 6 d 对拱脚 O 点力学平衡条件得 H N qL2 8f 2 V q L 2 3 当滑坡体处于极限平衡状态时 在均布荷载 q 作用下 拱脚处的受力最大 设 A 点应力达到应力 极限状态 对 A 点进行受力分析如图 9 A 点处土 体在沿着拱轴压力线方向 即拱轴在 A 点的切线 图 8粘土桩身弯矩与桩间净距的关系曲线 Fig 8Curves of pile body moment with net pile spacing in clay 图 9土拱受力分析图 Fig 9Stress analysis chart of soil arching 方向 的应力是大主应力 1 破坏面与大主应力 1方向的夹角为 45 2 10 由于 为拱轴线 在 A 点处的切向角 所以有 tan tan 4 2 V H 4f L 4 根据 Mohr Coulomb 屈服准则 1 3tan2 2ctan 5 对最可能发生破坏的拱顶和拱脚处进行强度 验算如下 3 1拱顶土体强度控制的情况 3顶 q 1顶 N t 1 6 根据图 8 中的几何关系 可求得 t d 2 tan tan 7 L1 L tsin 8 式中 H V 为拱脚处的反力 N 为拱顶部截面处所 受的轴力 为拱截面在 A 处与竖向方向的切向 角 q 为截面上的沿滑面方向的滑坡推力 L 为拱 跨 即桩的中心距 t 为拱圈厚度 d 为桩截面宽度 由式 1 式 8 推导得 532012 年第 1 期王成 等 桩间土拱效应离心模型试验研究 图 10土拱交汇处的受压区图 Fig 10Compression at intersection region in soil arching 由拱顶强度所确定的临界桩间距 L 1顶 为 L 1顶 d qtan2 2ctan sin tan tan qsin cos tan sin d 2 tan tan sin 9 3 2拱脚土体强度控制的情况 3脚 sin q 10 1脚 Vcos Hsin T 11 由式 1 式 8 式 10 式 11 得由拱脚强度 所确定的临界桩间距 L 1脚 dqtan2 2ctan sin tan tan qsin cos tan sin d 2 tan tan sin 12 显然临界桩间距由 L 1顶 和 L 1脚 中的较小者控 制 比较得 临界桩间距由式 12 L 1脚 确定 根据以上临界桩间距的计算公式确定本次试 验的临界桩间距 参数取值如下 d 2 cm c 60 kPa 34 反算得到推力 q 17 8 N m 28 1 25 6 45 2 28 代入式 12 计算得到 L 1脚 10 3 cm 由此说明当桩间净距大于 4 d 时 土拱作用将 不再明显 4结论 通过 3 组不同抗滑桩间距的离心模型试验结 果分析和理论研究表明 1 桩间距是影响土拱形成的一个主要因素 桩间距较大时 土拱曲线形状趋于平缓 土拱矢高 较小 土拱的受力趋于梁的受力 难以形成稳定的 土拱 桩间距较小时 土拱矢高较大 土拱的受力呈 现受压的特征 容易形成稳定的土拱 因此 随着 桩间距的增大 土拱效应减弱 2 离心模型试验和理论计算均表明 试验条 件下的粘土中 其抗滑桩的最佳桩间净距为 4 倍桩 宽度 参考文献 References 1 吴子树 张利民 胡定 土拱的形成机理及存在条 件的探讨 J 成都科技大学学报 1995 2 15 19 Wu Zishu Zhang Limin Hu Ding Studies on the mechanism of arching action in loess J Journal of Chengdu University of Science and Technology 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