基于活動(dòng)門(mén)試驗(yàn)的土拱數(shù)量對(duì)土拱效應(yīng)演化的 影響分析

程冰男

（同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院）

0 引言

土拱效應(yīng)是實(shí)際工程和實(shí)驗(yàn)室中最常見(jiàn)的力學(xué)現(xiàn)象之一[1]。太沙基(1943)[1]通過(guò)著名的“活動(dòng)門(mén)”試驗(yàn)驗(yàn)證了土拱效應(yīng)的存在。土拱效應(yīng)是由于相鄰?fù)馏w發(fā)生相對(duì)位移導(dǎo)致剪應(yīng)力的發(fā)展，而引起土中應(yīng)力重分布的現(xiàn)象。

對(duì)土拱效應(yīng)的深入研究發(fā)現(xiàn)，土拱效應(yīng)存在演化過(guò)程。針對(duì)土拱效應(yīng)演化規(guī)律。Iglesia et al.(1999)[1]提出基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的土拱演化模型，他將土拱率-相對(duì)位移曲線劃分為四個(gè)階段。這之后，許多學(xué)者（Han et al.(2017)[2]、King et al.(2017)[3]）研究了填高等因素對(duì)土拱效應(yīng)演化的影響。Rui 等（2016）[4]在討論填土中土拱效應(yīng)位移發(fā)展模式時(shí)指出，塔形發(fā)展模式TDP 在群拱條件下的trapdoor 試驗(yàn)中很少被觀測(cè)到，而在數(shù)個(gè)單拱條件下的trapdoor 試驗(yàn)中被觀測(cè)到，因而土拱數(shù)量對(duì)土拱效應(yīng)的演化存在影響。

本文使用透明土用于近似模擬土顆粒開(kāi)展活動(dòng)門(mén)試驗(yàn)，通過(guò)設(shè)置對(duì)照組，從力學(xué)特征與位移特征兩方面去研究土拱數(shù)量對(duì)土拱的形成與演化過(guò)程的影響。

1 模型試驗(yàn)

圖1為室內(nèi)活動(dòng)門(mén)試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖?。試?yàn)?zāi)Ｐ拖涞膬?nèi)部尺寸為：900mm(長(zhǎng))×500mm(高)×100mm(寬)。為在活動(dòng)門(mén)和固定塊上共布置了15 個(gè)土壓力盒，圖1（b）展示了活動(dòng)門(mén)和固定塊的上表面土壓力盒分布情況。

圖1 室內(nèi)模型試驗(yàn)裝置示意圖 (a)正視圖；(b)俯視圖

（2）位移監(jiān)測(cè)裝置與材料

本課題所采用透明土由高純度光學(xué)鍍膜石英砂顆粒和工業(yè)白油配置而成，如圖2所示。

試驗(yàn)主要監(jiān)測(cè)內(nèi)容為：trapdoor 與stable part 上覆土壓力分布、trapdoor 的位移、基于PIV 技術(shù)的填土位移場(chǎng)。

通過(guò)控制變量探究單拱/群拱對(duì)土拱演化過(guò)程的影響，見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)方案

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

圖2展示了試驗(yàn)1 部分土壓力盒與活動(dòng)門(mén)相對(duì)位移關(guān)系。整體上，隨著活動(dòng)門(mén)相對(duì)位移的增加，活動(dòng)門(mén)上的土壓力經(jīng)歷了降低-穩(wěn)定的過(guò)程，而固定塊上承擔(dān)了相應(yīng)的力，因而經(jīng)歷了升高-穩(wěn)定的過(guò)程。

圖2 試驗(yàn)1 土壓力的變化

2.2 拱數(shù)對(duì)土拱效應(yīng)力學(xué)特征的影響

d 相對(duì)位移，%；

B 活動(dòng)門(mén)寬度，本次試驗(yàn)為100mm。

對(duì)于試驗(yàn)1，相對(duì)位移在0～1.2%的初始階段，土拱率隨著相對(duì)位移的增加迅速由1 下降至0.72，說(shuō)明較小的相對(duì)位移將引起較強(qiáng)的土拱效應(yīng)；隨著相對(duì)位移的繼續(xù)增加，土拱率下降速率逐漸變緩直至在相對(duì)位移約為2.5 時(shí)土拱率達(dá)到最小值，最小土拱率為0.70。此時(shí)，土拱效應(yīng)“完全”發(fā)揮，是拱效應(yīng)最強(qiáng)的階段。在相對(duì)位移約為4.2 后，土拱率呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，逐漸由0.72 上升至0.76。在相對(duì)位移達(dá)到9.5%后，土拱率增加速度變得較為緩慢，進(jìn)入最終的階段。

試驗(yàn)2 中僅有中間位置處的trapdoor2 向下位移，因此只在中間位置處產(chǎn)生“土拱效應(yīng)”。如圖4所示單拱條件下，土拱率-相對(duì)位移曲線與群拱條件下有較大不同：相對(duì)位移0～1%，土拱率隨著相對(duì)位移的增加迅速由1 下降至0.55，此后土拱率基本保持不變。單拱條件下最小土拱率、最小土拱率對(duì)應(yīng)的相對(duì)位移、相對(duì)位移為20%時(shí)的土拱率均小于群拱條件下相應(yīng)的值。因此，單拱條件，即周?chē)鸁o(wú)其他土拱效應(yīng)形成的情況更有利于土拱效應(yīng)荷載傳遞作用的發(fā)揮。

圖3 不同拱數(shù)下土拱率-相對(duì)位移曲線

2.3 拱數(shù)對(duì)土拱效應(yīng)位移分布特征的影響

PIV 技術(shù)可以使肉眼不可見(jiàn)的小位移可視化，圖5、6 為通過(guò)PIV 技術(shù)得到的試驗(yàn)1 下相對(duì)位移為2.5%時(shí)豎向位移等值線圖。

土拱效應(yīng)是由于差異沉降引起的，在填土中形成剪切破碎帶，那么土拱效應(yīng)對(duì)應(yīng)的位置應(yīng)為位移分布快速變化的區(qū)域。由圖5、6 可知土拱外側(cè)形狀近二次曲線，滑動(dòng)面的冠部高度可以視為土拱高度，圖5這一高度約為200mm（途中白色虛線所處的位置），約等于兩倍的trapdoor 寬度；圖6這一高度約為160mm，即單拱條件下形成的土拱效應(yīng)的高度較群拱低40mm。

圖5 試驗(yàn)1 豎向位移云圖

圖6 試驗(yàn)2 豎向位移云圖

3 結(jié)語(yǔ)

（1）單拱/群拱條件會(huì)影響土拱效應(yīng)的形成與演化。

（2）單拱/群拱條件下對(duì)土拱效應(yīng)力學(xué)特征的影響：兩條土拱率-相對(duì)位移（p-d ）曲線差異較大，單拱條件下最小土拱率、最小土拱率對(duì)應(yīng)的相對(duì)位移、相對(duì)位移為20 時(shí)的土拱率均小于群拱條件下相應(yīng)的值。因此，單拱條件，即周?chē)鸁o(wú)其他土拱效應(yīng)形成的情況更有利于土拱效應(yīng)荷載傳遞作用的發(fā)揮。

（3）單拱/群拱條件下對(duì)土拱效應(yīng)豎向位移分布特征的影響：由PIV 得到的豎向位移等值線圖表明，最大土拱效應(yīng)階段的土拱外側(cè)形狀近二次曲線，單拱條件下形成的土拱效應(yīng)的高度較群拱條件下形成的土拱效應(yīng)低40mm。