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随着经济建设的恢复与公路建设的高速发展以及已有交通设施建设处的自然等诸多因素的影响,公路边坡与周遭山体的地质灾害呈现出逐年增长的趋势。由于抗滑桩施工简便,支挡效果良好,在面对人们的安全及经济有较大影响的大型滑坡,人们一般采用组合式抗滑桩的方式进行治理。但由于被动桩土拱效应无法采用科学仪器进行观测,且影响抗滑桩土拱效应的因素十分繁杂,致使组合式抗滑桩的应用与理论研究不统一,造成对此类支护构造物在设计时过于保守、性能过剩,间接造成经济上的浪费。因此,研究组合式双排抗滑桩土拱效应具有良好的经济价值与工程应用的意义。
基于上述背景,本文通过理论研究、数值模拟研究与试验研究三个方面,从整体到局部、从宏观至微观,对组合式双排桩后土拱效应的发育-破坏过程与相关因素对土拱效应产生的影响等研究内容进行了相应的研究分析工作并得出相关结论,具体过程如下:
(1)建立组合式双排桩力学分析模型
在理论研究方面:通过合理假设,建立简化的组合式双排桩桩土力学计算模型,先从整体角度,结合弹性地基梁理论与有限差分的方法,研究在滑坡推力作用下,双排桩的力学计算方法,得出了基于有限差分法的双排桩力学计算公式;再从局部角度,结合摩尔-库伦强度理论与结构力学、土力学的相关知识,对合理拱轴线进行了推导,并在此基础上,通过对不同类型土拱拱脚处三角受压区进行相关力学分析,得出了合理拱轴线的迹线方程以及两种类型土拱的极限承载力与土拱几何参数计算方程。
根据前期推导的土拱力学计算公式,对基于土拱效应的合理抗滑桩桩间距与前后排桩排距进行了分析研究,得出了关于合理桩间距与排距的上限代数式。
(2)组合式抗滑桩土拱效应数值模拟分析
在数值模拟研究方面,通过合理假定,分别从宏观角度与微观角度对组合式抗滑桩土拱效应的发育-破坏过程与相应角度影响土拱效应的因素进行了研究:
从宏观角度,基于Flac3d软件,建立组合式抗滑桩桩土模型,通过施加边界的均布荷载模拟下滑推力,采用合适的单元模拟桩土,并定义相关材料参数,模拟了土拱发育-破坏的各个阶段,且通过控制变量法,对各个影响土拱发育过程的因素进行了模拟分析。并结合相关的力学分析,验证了组合式双排桩土拱效应的存在,并得出在滑坡推力持续作用下,桩间距与土体参数等因素对双排桩土拱效应发育影响的定性结论;
从微观角度,基于PFC离散元软件对双排桩的多层土拱效应的形成-发育过程进行分析研究,模拟分析了土体微观参数对土拱发育过程的影响。并得出微观土颗粒参数对土拱发育过程影响的定性结论;
(3)双排桩土拱效应传力特性模型试验
通过进行双排桩土拱效应传力特性试验与相应位置的土传感器数据,对滑坡推力作用下,组合式抗滑桩土拱效应的存在、发育,相关过程中土体压力的转移、分配以及在此基础上的抗滑桩支挡效果等方面进行了研究分析,验证了土拱效应的存在,得出了应力重新分配过程中应力转移的模式与前后排桩在支挡结构中所占的承载地位,得出滑坡推力荷载、土体深度等因素对土拱发育过程与相应双排桩支挡效果影响的定性结论。
基于上述背景,本文通过理论研究、数值模拟研究与试验研究三个方面,从整体到局部、从宏观至微观,对组合式双排桩后土拱效应的发育-破坏过程与相关因素对土拱效应产生的影响等研究内容进行了相应的研究分析工作并得出相关结论,具体过程如下:
(1)建立组合式双排桩力学分析模型
在理论研究方面:通过合理假设,建立简化的组合式双排桩桩土力学计算模型,先从整体角度,结合弹性地基梁理论与有限差分的方法,研究在滑坡推力作用下,双排桩的力学计算方法,得出了基于有限差分法的双排桩力学计算公式;再从局部角度,结合摩尔-库伦强度理论与结构力学、土力学的相关知识,对合理拱轴线进行了推导,并在此基础上,通过对不同类型土拱拱脚处三角受压区进行相关力学分析,得出了合理拱轴线的迹线方程以及两种类型土拱的极限承载力与土拱几何参数计算方程。
根据前期推导的土拱力学计算公式,对基于土拱效应的合理抗滑桩桩间距与前后排桩排距进行了分析研究,得出了关于合理桩间距与排距的上限代数式。
(2)组合式抗滑桩土拱效应数值模拟分析
在数值模拟研究方面,通过合理假定,分别从宏观角度与微观角度对组合式抗滑桩土拱效应的发育-破坏过程与相应角度影响土拱效应的因素进行了研究:
从宏观角度,基于Flac3d软件,建立组合式抗滑桩桩土模型,通过施加边界的均布荷载模拟下滑推力,采用合适的单元模拟桩土,并定义相关材料参数,模拟了土拱发育-破坏的各个阶段,且通过控制变量法,对各个影响土拱发育过程的因素进行了模拟分析。并结合相关的力学分析,验证了组合式双排桩土拱效应的存在,并得出在滑坡推力持续作用下,桩间距与土体参数等因素对双排桩土拱效应发育影响的定性结论;
从微观角度,基于PFC离散元软件对双排桩的多层土拱效应的形成-发育过程进行分析研究,模拟分析了土体微观参数对土拱发育过程的影响。并得出微观土颗粒参数对土拱发育过程影响的定性结论;
(3)双排桩土拱效应传力特性模型试验
通过进行双排桩土拱效应传力特性试验与相应位置的土传感器数据,对滑坡推力作用下,组合式抗滑桩土拱效应的存在、发育,相关过程中土体压力的转移、分配以及在此基础上的抗滑桩支挡效果等方面进行了研究分析,验证了土拱效应的存在,得出了应力重新分配过程中应力转移的模式与前后排桩在支挡结构中所占的承载地位,得出滑坡推力荷载、土体深度等因素对土拱发育过程与相应双排桩支挡效果影响的定性结论。