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各位同学大家好

今天我们来学习

水平支挡结构中的

土拱效应和土楔效应

当地下构筑物

与土体之间存在相对位移的时候

就会形成拱效应

虽然土拱效应广泛存在于岩土工程中

但是这一现象最早

是在非岩土工程背景下发现

并开展研究的

在19世纪早期

法国的军事工程师Feld

被要求设计一个筒仓(Feld1948)

建成后发现

筒仓的底部

只承受了上部材料

总重量的一小部分

侧壁承受的载荷

远远超过预期

通过加载试验表明

如果将基础的一小段

分离并降低高度

该段所承受的载荷并不发生变化

因此

他们的结论是

在这个分离的部分上方

存在一个“拱门”效应

荷载由上部土拱承担

在19世纪后期

Janssen(1895)根据筒仓效应

提出了一种设计谷物和其他

颗粒材料筒仓的方法

暂且称之为“筒仓理论”

岩土工程之父Terzaghi

对这一现象产生了兴趣

1936年

他通过活动门试验

验证了土拱效应的存在

认为

土拱效应是由

不同介质的不对称变形

所导致的一种应力转移与重分布现象

Terzaghi在他1943年编著的

TheoreticalSoil Mechanics一书中对土拱效应

作出了如下定义

当土体的一部分

发生屈服时

屈服土体将从原有位置移出

屈服土体和临近静止土体发生相对移动

并受到界面处剪应力的阻碍作用

这一阻碍作用使得屈服土体

有保留在原位置的趋势

从而使得屈服区域土压力减小

而相邻静止土体土压力增加

这种土压力从屈服区域

转移到临近静止区域的现象

通常称为土拱效应”

土拱的形状对于支挡结构

桩基础侧向变形分析

至关重要

许多研究人员对此进行了研究

并提出了多种分析模型

包括椭圆形

悬链线形

和抛物线形

用以描述拱的形状

其方程如下所示

土拱效应广泛存在于地下管道

边坡抗滑桩

基坑护壁桩

挡土墙

隧道工程中土

层中的拱作用效应

与我们一般认为的拱结构物不一样

拱结构是把工程材料

制成拱的形状

在荷载作用下发挥其承载的作用

而土拱有其独特形成过程

在荷载或自重的作用下

土体发生压缩和变形

从而产生不均匀变形

致使土颗粒间产生互相“楔紧”的作用

于是在一定范围土层中产生“拱效应”

在基坑工程中由于土拱效应的存在

使得围护结构后的主动土压力产生重分布

值得注意的是

土体中除了竖向存在土拱效应外

水平方向同样存在着土拱效应

合理利用竖向及水平向的土拱效应

可使土体的应力重分布

向对工程有利的方向发展

可以充分利用土体自身的抗变形能力

研究认为

土拱效应存在的条件是

1

土体颗粒间具有足够的黏结力与摩擦力

2 存在支撑拱脚的条件

3 土体内部产生不均匀位移或相对位移

从以上分析我们可以知道

土拱效应是由于支挡物发生位移

而使得主动土压力的重分布效应

而支挡物导致被动土压力发生变化

我们称之为应变楔模型

应变楔模型最早由 Norris1977年

根据主动变形桩的桩土相互作用特点

提出的一种计算

单桩水平承载力的方法

该方法实现了弹性地基梁法

从一维到三维的拓展

Norris在试验中发现

横向受荷桩在桩后会形成

如图所示的

被动应力区

他该应力区简化为楔形体形状

以便计算桩所受到的土体抗力

应变楔模型中的几何参数

和桩前三维应变

楔形体相关

其目的是把三维应力-应变-强度等参数

和一维的弹性地基梁模型联系起来

通过桩侧被动区

土抗力p和单桩变形y的关联

来确定桩-土之间的相互作用

即我们在Winkler地基梁模型中

提到的地基反力系数k

如图所示

应变楔模型体现了

动态的应变楔形土体的平衡过程

它的基本参数是变化的底角βm

深度H

变化的伞角Φm

在楔形体面上的

水平应力增量

△σh 和桩侧的剪应力τ

当应变楔某层土体达到破坏时

土的承载力发挥到最大

βm达到土体的内摩擦角Φm

这时

深度x处楔形体的前端宽度

BC

与土体发挥内摩擦角之间的关系

可表示为以下公式

Ashour在1998的研究中认为

应变楔模型有两个基本的假设条件

一

在楔形体深度范围内

桩身位移沿深度呈线性变化

单桩的偏移角为δ

从而保证了应变楔内

土体的竖向

和水平向应变均匀分布

二 应变楔内土体的应力条件

与砂土的固结排水

三轴试验或粘性土的

固结不排水三轴试验相对应

介绍了这两个效应

我们思考一下

在什么情况下

这两个效应

有其特有的物理意义

必须加以考虑呢？

例如

我们之前的学习中已经提到

支挡结构承受的极限土压力

要么采用朗肯理论

要么采用库仑理论

中间状态采用静止土压力理论来计算

无论是哪一种土压力理论

都存在相同的简化假定

即支挡结构无限长水

平变形同步发生

这种假定符合地下连续墙类型的结构

然而我们从实践观察中发现

无论是排桩支护

还是抗滑桩

发生破坏时都存在连续倒塌现象

也就是说

破坏总是从某个最薄弱的点开始

逐渐向周围扩散

这一连续性破坏的土压力

是决定非连续支护结构

极限承载力的关键

由于其非同步性

现有的土压力理论无法用来分析

学习过土拱效应后我们可以认为

单桩破坏后

由于桩土水平相对位移的存在

导致破坏桩后部土压力

以拱效应的形式分配到相邻桩基上

使得相邻桩加速破坏

连续倒塌形成

另一个情况

我们知道

承受较大水平荷载的群桩

单桩的迎土面

会形成若干个土楔结构

相互交叉的土楔体决定了群桩结构的水平弹簧系数

因此土楔效应常常被用来分析

水平荷载作用下的群桩效应

通过描述土楔体的几何形状

与墙后荷载的关系来

得到群桩的水平弹簧系数

同学们

这节课我们学习了

桩土水平相互作用的特殊情况

土拱效应和土楔效应

这两个概念

符合我们的认知研究方法

与以往土压力的分析过程完全不同

值得大家进一步去探索发现

希望今天的内容能对大家有所启发

本节课到此结束

我们下节课见