基于透明土技术的桩后土拱效应特征研究

摘要

滑坡是一种仅次于洪水和地震的严重危害到人类生命财产自然灾害。我国西部，地形多为山区，特别是到了雨季，滑坡呈现出密度大、频率高的特点，因此滑坡也是每年威胁到国民生命财产安全重大地质灾害之一。面对滑坡灾害，为了保障人民的生命财产安全，需要对滑坡及其治理做更加深入的研究分析，其中抗滑桩是边坡治理中一种重要的工程措施。在研究桩土相互作用中，土拱效应又是及其重要的一部分。　　前人利用模型试验和数值模拟等方法对土拱效应做了深入研究，但由于受到传统模型试验介入式测量的影响，对于土拱效应并没有形成统一的认识。随着科技的发展，利用人工合成的透明土和PIV技术使得土拱效应的可视化成为了可能。本文采用透明土技术，根据土拱的形成条件，设计了由推力系统、坡体模拟系统、抗滑桩系统、散斑系统和信息采集及处理系统组成的一套试验装置。利用该装置获取滑动过程中的激光散斑场形成的图像，再使用粒子图像测速(PIV)技术分析散斑场的位移特征，进而分析圆桩的土拱效应。通过模型试验得到了以下成果：　　(1)本文使用的透明土是熔融石英砂与正十二烷和15号白油混合液体组成。通过多次试验对比发现：在20℃时，正十二烷和15号白油体积比为1∶2.5，折射率为1.4585时，透明土的透明度最好。在一定温度下混合液的折射率n与该温度下正十二烷n1和15号白油的折射率n2及其体积有关，满足n=n1V1+n2V2/V1+V2。并且对比透明土的物理力学性质发现，本文配制的透明土与自然界的细粉砂土类似。　　(2)利用粒子图像测速(PIV)技术分析试验图像，在位移云图中，观察到由等位移线组成的拱形结构，并根据区域的不同特征，将其划分为四个不同的区域，其中Ⅰ区、Ⅲ区为土拱效应区，发现其大致呈抛物线形。结合试验中圆桩的结构，通过对比不同深度的试验结果，得出单排圆桩因为顶部受力偏转，表现出底端土拱效应最发育，拱高最高；顶端土拱效应滞后，拱高最小，从圆桩底部到顶部土拱拱高逐渐减小。　　(3)通过对桩后土拱的拱线特征分析，提出了影响其特征的因素有桩径、桩间距和深度。而且桩后土拱拱高随着模型箱的位移增加，都是先逐渐增大，最后趋于一稳定值。桩后土拱的最大拱高H与桩径d、径距比L/d、深度S间满足H=λd(n+1)-0.375λS。通过理论推导加上透明土试验结果的修正，且考虑桩土间的摩擦作用，发现桩间土拱不仅与桩径d、桩间距L有关，还与土体性质有关，其最大拱高H'=1/4λ(L-D)tanα+1/2λd。　　(4)利用试验装置对深度方向上的土拱形态演化进行研究，发现随着滑动位移的增大，不同深度的土拱最大拱高均表现为先增大后趋于稳定的特征。　　(5)对于单排桩，利用ABAQUS对不同桩径、桩间距等工况进行模拟发现，从位移等值线图中可以看到土拱的形状基本呈抛物线型；随着滑坡推力逐渐增大，当桩径越大，桩间距越小时，土颗粒间“楔紧”作用也就越强，这对土拱效应的充分发挥也就越有利；而当滑坡推力增大到一定程度，达到土拱的承受极限，形成的土拱不能承担桩后土体的压力，土颗粒间“楔紧”作用失效，土拱也就破坏消失。并利用ABAQUS对不同布置方式及不同排间距时的双排桩的土拱效应进行了模拟分析，发现整体上“矩形”与“梅花”型两种布置方式形成的土拱是一致的，但从稳定性来说“梅花型”布置方式略优于“矩形”布置方式。对于不同排间距，前排桩土拱效应与单排桩基本一致，而后排桩土拱拱高随着排间距的增大，表现出先增大后基本保持不变的特点。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 桩土相互作用的研究现状

1.2.2 土拱效应的研究现状

1.2.3 透明土技术的研究现状

1.3主要研究内容及技术路线

1.3.1主要研究内容

1.3.2技术路线

第2章 透明土的制备及物理力学性质

2.1 透明土的配制

2.1.1 阿贝折射仪

2.1.2 混合液的配制

2.1.3 透明土配制技术

2.2 透明土的物理性质

2.2.1 透明土颗粒级配

2.2.2 透明土的基本物理性质指标

2.3 透明土的力学性质

第3章 基于透明土技术的单排桩土拱效应分析

3.1 试验系统设计

3.2 试验结果

3.2.1 位移矢量图

3.2.2 位移云图

3.3 单排桩的土拱效应

3.3.1 土拱形态分析

3.3.2 桩后土拱形态影响因素分析

3.2.3 桩间土拱拱轴线分析

3.4 深度方向上土拱效应分析

第4章 基于ABAQUS的桩土相互作用分析

4.1 ABAQUS简介

4.1.1 ABAQUS概述

4.1.2 ABAQUS在边坡稳定性分析中的运用

4.2基于ABAQUS的单排桩土拱效应分析

4.2.1 计算模型的建立

4.2.2 单排桩计算结果分析

4.2.3 不同工况下计算结果

4.3 基于ABAQUS的双排桩土拱效应分析

4.3.1 计算模型建立

4.3.2 不同布置方式双排桩计算结果分析

4.3.3 不同排间距计算结果分析

第5章 结论与展望

5.1 结论

5.2 不足与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文