黄土地区悬臂式矩形抗滑桩嵌固段桩前被动土拱的形成机理及演化过程

Landslide prevention and control is one of the hot issues in current study of geological disasters. In the transfer process of residual thrust of landslide by rectangular cantilever anti-slide piles, because of the interaction effect of adjacent piles, the additional stress of soil in passive area in front of the piles will influence and overlap each other, then the arch effect is produced. But, the influences of passive soil-arch effect to the pile space and bearing capacity of pile are not mentioned in the existing codes and regulations. How the passive soil-arch effect before pile is formed, how the spatial shape of passive soil-arch effect is, and what influential factors and evolution process of passive soil-arch effect are, as well as what influences the passive soil-arch effect brings to the computing methods of the pile space and the bearing capacity of pile, these mentioned questions are significant in scientific research..This project will reveal the forming mechanism, the spatial shape, influential factors and evolution process of passive soil-arch effect before pile through the 1:10 physical model test and the analysis of 3-D numerical model. After that, a method for determining pile space and an analytic method for calculating the bearing capacity of pile considering the pile-soil nonlinear interaction and the passive soil-arch effect are proposed based on the simplified space shape of the passive soil-arch and the advantages of p-y curve method. This research will enrich the theory of pile foundation and be very good guides for design calculation of the cantilever anti-slide pile in the western loess areas. Accordingly, it has important applications in engineering practice.

滑坡防治是当前地质灾害研究的热点之一。悬臂式矩形抗滑桩在传递滑坡推力过程中，由于受到相邻桩的相互影响，桩前被动区土体中的附加应力会相互影响、叠加，从而产生“拱效应”。但是，现行规范和规程中有关抗滑桩设计的规定并没有考虑嵌固段桩前被动土拱效应对桩间距、桩承载力等的影响。嵌固段桩前被动土拱效应是如何形成的，其空间形态如何，影响因素有哪些，土拱如何演化，以及对桩间距的确定和桩承载力计算有哪些影响，这些问题都具有良好的科学意义。 . 本研究拟通过1:10的物理模型试验和大量三维数值分析，揭示嵌固段桩前被动土拱效应的形成机理及其空间形态和影响因素、演化过程。在此基础上，通过简化被动土拱的空间形态，吸收p-y曲线法的优点，提出考虑桩-土非线性相互作用和被动土拱效应的桩间距确定方法及桩承载力计算理论。该研究将丰富桩基础计算理论，对西部黄土地区悬臂式抗滑桩的设计计算、工程实践具有重要应用价值

本研究以某典型黄土滑坡防治工程为基础，采用理论分析、模型试验及数值模拟等手段相结合的方法，对抗滑桩嵌固段桩前被动土拱的形成机理、演化过程、空间形态以及影响因素进行了研究，构建了基于修正排桩应变楔模型的考虑桩前被动土拱效应的抗滑桩桩身受力计算理论，主要研究内容及结论如下：.（1）通过模型试验和数值分析，揭示了桩前被动土拱的形成机理：因相邻桩-土相互作用产生叠加，使得桩前土体的主应力方向发生偏转而成拱。提出了土拱拱轴线的数值确定方法，并建议了具有明确物理意义的土拱厚度和拱轴线矢高的确定方法；同时揭示了被动土拱的演化过程主要分为初步形成阶段、发展阶段、完成阶段和破坏阶段；.（2）通过不同桩间距的抗滑桩嵌固段模型试验，对桩前被动土拱的空间三维形态进行了研究，结果表明：同一埋深处，桩前被动土拱矢跨比随桩土相对位移增加而变大，完成阶段的被动土拱矢跨比随埋深增加逐步减小；随荷载增加，桩前被动土拱沿埋深逐步形成和破坏，桩前被动土拱形成的空间曲面沿埋深下移；.（3）通过二次开发的非饱和原状黄土的DC-MC本构模型对抗滑桩嵌固段桩前被动土拱的矢跨比和相对土拱厚度进行了研究，结果表明：终矢跨比随桩间距增加而减小；桩间距为3倍和4倍桩宽时，最终矢跨比随埋深分别呈抛物线和线性分布规律；相对土拱厚度随桩间距增加而逐步增大；相同桩间距下，不同埋深处最终相对土拱厚度基本相近。.（4）提出了适用于典型黄土场地的修正单桩应变楔计算模型，在荷载较大时较幂级数法具有更高准确性；并以此为基础考虑桩前被动土拱效应，建立了修正的排桩应变楔计算模型，可以较准确地反应黄土场地抗滑排桩嵌固段的受力特征，并且相较于“m”法和未修正的应变楔计算法具有更高准确性。.本研究揭示了桩前被动土拱的形成机理、演化过程和空间形态，丰富了桩基础计算理论，对西部黄土地区悬臂式抗滑桩的设计计算、工程实践具有重要应用价值。