渗流作用下的被动桩土拱效应及其长期稳定性研究

The stability of passive piles project is often influenced by groundwater seepage caused by rainfall and water level changes, but very few achievements consider seepage force on the soil arching. And the theory of soil arching effect of passive piles now is mainly based on continuum material, hardly considers the soil particle composition. The study will develop continuous - discrete coupling method based on finite difference method and discrete element granular flow method. The continuous - discrete interface coupling analysis will be realized by account the force of discrete particles and continuous contacts, pore water pressure and displacement effects. And the soil arching effect analysis model of passive piles based on continuous - discrete coupled will be built. Then the formation, development, destruction, re-formation and re-destruction process of the soil arching, the influence rules of soil particle composition, flow conditions and the characteristics of passive piles will be studied by the numerical simulation and model test. The formation mechanism and failure mode of soil arching effect under seepage conditions will be revealed, then soil arching effect dynamic mechanical model will be established，which can be helpful for the prediction and evaluation of long-term stability of the passive piles. The study is important as the extensive application of passive piles.

降雨和土中水位变化等引起的地下水渗流是被动桩工程失稳的重要诱因，但目前对于渗流力直接作用下的被动桩土拱效应时间效应及其对被动桩工程长期稳定性的影响研究还很少。而且关于被动桩土拱效应的研究主要基于连续介质理论，较少考虑土体颗粒组成的影响。本项研究将发展考虑渗流作用的连续-离散耦合分析方法,耦合分析通过连续-离散界面处离散元颗粒与连续单元的相互接触力、孔隙水压力和位移作用实现。建立考虑渗流作用的被动桩土拱效应连续-离散耦合模型，结合室内模型试验研究渗流作用下被动桩土拱效应的形成、发展、破坏、再形成和再破坏全过程，以及土体颗粒组成、渗流条件和被动桩特征对土拱效应的影响规律，揭示渗流条件下被动桩土拱效应的形成机制和破坏模式，建立被动桩土拱效应动态力学模型，为被动桩工程的长期稳定性评价提供依据。鉴于被动桩应用的广泛性，对渗流作用下被动桩土拱效应及长期稳定性进行研究，具有重要的理论意义和实用意义。

随着我国经济的不断发展，许多涉及被动桩问题的重大工程逐步开始建设并投入使用，对相关地质环境的研究提出了更高的要求。在以往众多关于被动桩工程的研究中，桩后土拱效应的形成机理及发展过程是一个研究的重点。但随着工程项目日趋复杂，水环境改变对被动桩工程所产生的影响越来越不容忽视，在许多被动桩工程事故中，如基坑、边坡支护失效等，水是导致问题发生的主要原因，降雨、库水位升降、地下水位变化等因素会改变土中渗流场，影响水土压力及土体结构，从而引起工程失稳，因此，在针对被动桩工程问题的研究中，考虑渗流作用对桩后土拱效应的影响对深入理解桩、土、水间相互作用及指导实际工程建设来说，都具有重要意义。本项目针对渗流对被动桩后土拱效应的影响开展了理论分析、数值模拟及实验研究，通过分析土体位移、土压力、孔隙水压力、桩身荷载等，探讨了渗流作用下，被动桩后土体的运动规律、桩后土拱的发展过程及其形成、破坏机理。通过总结现有被动桩后土拱效应计算理论，在已有计算模型基础上，建立了考虑渗流力作用的土拱理论计算模型。揭示了渗流作用下被动桩土拱效应的形成、发展、破坏、再形成和再破坏的全过程，弄清了土体物质组成、渗流条件和被动桩特征等因素对土拱效应的影响规律，渗流作用下被动桩土拱效应的形成机制和破坏模式，建立了渗流作用下的被动桩工程稳定性评价方法。项目研究成果对渗流作用下被动桩工程的设计及施工具有重要指导意义。