砂土拱效应的室内模型试验研讨.pdf

砂土拱效应的室内模型试验研究 ModelTestOilSand Laboratorial Arching 加瑞1朱伟‘，2钟小春1 (1河海大学土木工程学院，南京，210098；2．河海大学环境科学与工程学院．南京．210098) 摘要：土拱效应对考虑拱效应时土压力的计算非常重要，而目前对土拱效应的形成机理认识还 不深刻。通过自行设计的室内挡板下落模型试验对砂土拱效应的问题进行了试验研究。探讨了不 同的七体埋深和不同孔隙比的砂土的情况下，随挡板下移挡板上土体重量的变化规律。试验结果 表明，砂土中不均匀位移广：生了土拱效应；土体埋深达到一定值后，挡板上土体的重量不再随土 体埋深的增加而变化；砂土孔隙比较小时，土拱效应更明显。最后对砂土拱效应的形成机理进行 了分析。对考虑土拱效应时土压力的计算有一定的参考价值。 关键词：土拱效应砂土孔隙比模型试验 1 引言 拱效应是岩土工程中一个广泛存在的现象，如地下管道、盾构施工的隧道、抗滑桩、黏 土心墙坝等结构中都存在着拱效应。对岩土工程的研究者来说，去理解和认识拱效应是一个 重要的问题。拱效应是由于土体的不均匀位移引起的，土体内的应力进行了重分布，移动土 体把部分压力传递给了相邻的不动土体。 TerzaghiI．U对土拱效应的定义：“当支撑土体的一部分屈服时，屈服土体将从原有位置移 出，屈服土体和邻近静止土体的相对移动将受到两部分土体间剪应力的阻碍作用，由于剪应 力阻力有使屈服土体保留在原有位置的趋势，从而使屈服区域土压力减小而领近静止土体土 压力增大，这种土压力从屈服区域转移到邻近静止区域的现象通常称为土拱效应。有时，当 屉眼土体比邻近土体移动量更大时，也将发生土拱效应。”所以，只要土体中有不均匀位移 就会有土拱效应，上述存在拱效应的岩土结构中也都是因为有不均匀位移的产生。 于容器内的颗粒物质底部压力在颗粒物堆积到一定高度不再随颗粒物增高而变化．这就是通 A．]aassen用连续介质模型对此现象进行了 常所说的“粮仓效应”；1895年，德国工程师H 支护中的土拱效应进行了研究；土拱效应的试验研究和有限元分析也已有较多的研究成果 ‘州．但目前对土拱效应的形成机理认识得还不深刻，如土拱效应中是否有客观的拱体和作为 支撑的拱脚还有较大的争议。 本文设计了研究土拱效应的室内挡板下落模型试验，对箱内不同的土体埋深和不同孔隙 比的砂土随挡板下移挡板上土体重量的变化进行了试验研究，并通过实测模型箱底部土压力 的分布情况探讨r砂土拱效应的形成机理。 336 第二届全国岩土与工程学术大会论文集 2 室内模型试验装置和试验方法 2．1试验装置设计 本文设计了室内挡板下落模型试验，试验装置的示意图如图l所示。 ． 210 ∞． 210 十———————卜——卜————_ 电子台秤 圈1挡板下落模型示意图 试验的模型箱用有机玻璃制成，模型箱的宽度为500’mm．长度为600m。高度为600mill。 用千斤顶来控制挡板的位移，用电子台秤来称量挡板上的砂土重量。本文使用的是手动立式油 压千斤顶，起重重量为2吨，起重高度为100m“；使用的电子台秤是TCS系列电子台秤，最 挡板的长度为596 mm，比模型底部开口的长度(600ram)d,。这样就可以消除挡板和箱壁之间 的摩擦力，使挡板能够顺利下移。为了不使砂土从挡板与箱壁之间的空隙中漏出，在模型箱底 部开口的一周贴了一层薄的光滑条带，盖过挡板与箱壁之间的空隙，再延伸2cm。 2．2试验材料与试验方法 本试验采用的是干砂，干密度肺为1．44g，c一，比重G。为2．65，内摩擦角劝34。，砂土 的粒径分布曲线如图2所示。 为了下面叙述方便，对以下符号进行如下说明：矗为挡板的宽度，日为箱内砂土的埋深， d为挡板下移的位移量，Q0为挡板上土体的初始重量，Q为