桩间土拱效应离心模型试验研究_王成.pdf

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1、第 8 卷第 1 期地 下 空 间 与 工 程 学 报Vol 82012 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、5d 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，

2、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 04Study on Centrifuge Model Tests of Soil Arching Effect between PilesWang Cheng，Wang Dong，Chen Xiayu，Liu Xiaojie(Department

3、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 varia

4、tion and failurestate of soil arching are analyzed The results indicate that when the pile spacing is quite big，the loading state of soilarching will tend to be that of the beam because of the smooth curve small vector height，so it is difficult to form thestable soil arching;and that when the pile s

5、pacing is rather small，the loading state of soil arching will tend to becompressed 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 d

6、ifferentpile spacing is theoretically analyzed The conclusion that the reasonable net spacing is as large as the 4 times of pilediameter is put forward，which is of great significance to the design of such pileKeywords:anti-slide pile;centrifuge model test;soil arching effect;reasonable pile spacing1

7、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

8、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

9、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 980037625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 4C

10、urves of time and acceleration2 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

11、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=4fL2(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 7De

12、struction of soil arching while the pile spacing is 6 d对拱脚 O 点力学平衡条件得:H=N=qL28f(2)V=qL2(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

13、 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 /210。由于 为拱轴线在 A 点处的切向角，所以有:tan=tan(42)=VH=4fL(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=Nt 1(6)根据图 8 中的几何关系，可求得:t=d2 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

14、 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 regionin soil arching由拱顶强度所确定的临界桩间距 L1顶为:L1顶d(qtan2+2ctansin)(tan+tan)qsin(cos+tansin)+d2(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+HsinT(11)由式(1)式(8)、式(10)、式(11)得由拱脚强度所确定的临

15、界桩间距:L1脚dqtan2+2ctansintan+tanqsin cos+tansin+d2tan+tansin(12)显然临界桩间距由 L1顶和 L1脚中的较小者控制。比较得:临界桩间距由式(12)L1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:L1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

16、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 onthe mechanism of arching actio

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18、间土拱力学特性与最大桩间距分析 J 山地学报，2001，19(6):556-559(Wang Chenghua，Chen Yongbo，Lin Lixiang Soil arch mechanical character and suitable space be-tween one another anti-sliding pile J Journal ofMountain Research，2001，19(6):556-559(in Chi-nese)4 常保平 抗滑桩的桩间土拱和临界间距问题探讨 A 滑坡文集(第十三集)C 北京:中国铁道出版社，1998，73-78(Chang Baop

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21、g J Jorunal of Water Resources and Archi-tectural Engingeering，2005，3(1):37-31(in Chi-nese)(下转第98 页)63地 下 空 间 与 工 程 学 报第 8 卷Journal of Underground Space and Engineering，2009，5(6):1 103-1 109(in Chinese)3 陈昌彦，王贵荣 各类岩体质量评价方法的相关性探讨 J 岩石力学与工程学报，2002，2(12):1 894-1 900(Chen Changyan，Wang Guirong Discussio

22、n onthe interrelation of various rock mass quality classifica-tion systems at home and abroad J Chinese Journal ofRock Mechanics and Engineering，2002，2(12):1 894-1 900(in Chinese)4 何发亮，谷明成，王石春 TBM 施工隧道围岩分级方法研究J 岩石力学与工程学报，2002，21(9):1350-1 354(He Faliang，Gu Mingcheng，Wang Shich-un Study on surroundin

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29、6-2001 Specifications for bolt-shotcrete support S 2001(in Chinese)13 吴德伦，黄质宏，赵明阶 岩石力学 M 重庆:重庆大学出版社，2002(Wu Delun，Huang Zhihong，ZhaoMingjie Rock mechanicsM edited by Wu DelunChongqing:Chongqing University Press，2002(in Chi-nese)(上接第 36 页)7 Ito T，Matsui T Methods to estimate lateral force actingon st

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