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土拱是广泛存在的自然现象,是土体表现出的特有的空间效应。一般情况下,土拱效应的存在对于基坑的稳定是有利的,但现行的深基坑设计中很少考虑这种空间效应,而把其视为一个二维问题,且借用经典的朗肯或库仑土压力理论进行支护系统的设计,这样固然是偏于安全的,但造成不小的浪费。随着工程实践认识的深化,许多学者感到考虑这种效应对支护体系进行优化设计将产生可观的经济效益。虽然土拱效应的提出迄今已有100多年的历史,但有关土拱效应的理论研究还不成熟,人们对桩间距的研究还不够深入,在数值模拟方面仍存在很多问题值得探讨,因此开展这方面的研究工作变得非常有必要。
本文全面总结了前人的研究成果,对排桩支护结构中的土拱效应进行了较为深入的研究,主要包括以下内容:
1.桩间土拱成拱机理的研究。全面总结土拱的基本概念、分类、成拱机理、土拱拱脚的存在形式、土拱的破坏形式、拱形及拱体的几何参数等。
2.临界桩间距确定方法研究。在总结已有计算模型的基础上,从抛物线形土拱效应分析出发,综合考虑土拱强度条件和桩间静力平衡条件,得出了一种新的临界桩间距计算模型,推导出了桩间距、拱高和拱厚的计算公式,并通过工程算例同前人的计算公式进行了对比分析,说明了本公式的工程合理性。
3.有限元模拟。利用有限元软件MIDAS对排桩支护间的土拱效应进行数值模拟,分析了桩间距、土的泊松比、土的弹性模量、土的粘聚力和内摩擦角等因素对土体成拱的影响。