宏细观尺度下动力土拱的稳定性和加固机理及计算理论研究

Soil arching is one of the most universial phenomena encountered in civil engineering,which is essential in construction. Past research has been focused on the soil arching under the static loading. Soil arching under dynamic loading is rarely investigated. However, there has been an increased number of accidents associated with collapse of soil arching under dynamic loading. In this study, the following tasks are proposed: (1)to investigate load transfer mechanisms using the DEM and understand the formation of the dynamic soil arching; (2)to conduct experimental study to investigate failure and stability of dynamic soil arching, propose the failure criteria of dyanmic soil arching and the methods for calculating soil arching height and earth pressure; (3)to explore and investigate reinforcing mechanisms of geosynthetics and to enhance the stability of the dynamic soil arching and prevent collapse; (4)to validate the proposed methods using the experimental and field test data so that they can be adopted for engineering applications.The completion of this project will result in new theories and methods of dynamic soil arching and safe and reliable guidelines for engineering applications.

土拱效应是土木工程中最常见的工程现象之一，在工程建设中具有十分重要的作用。现有研究成果大多针对静力条件下的土拱，对于动力荷载下土拱的承载特性则较少涉及；而因动力荷载下土拱失稳造成的工程事故则不断发生。针对这一现象，本项目拟开展如下工作:(1)利用离散元研究动力土拱效应的荷载传递机理，明确动力土拱的形成机制；(2)进行动力荷载下土拱稳定及破坏的试验及理论研究,提出判别动力土拱破坏的标准，建立土拱高度及土压力的计算理论；(3)研究土工合成材料加固动力土拱的机理,提高动力土拱的稳定性，避免坍塌破坏；(4)开展动力土拱效应工程设计理论的研究,利用试验结果及工程实测数据检验理论的正确性，提升理论的工程实用价值。通过本项目的研究，建立全新的动力土拱理论及计算方法，提出安全可靠的设计理论为工程服务。

土拱是土木工程中最常见的现象之一。现有研究很好地解释了静力荷载下或重力场中的土拱在不同环境和工作状态下的发展规律并形成了较为系统的理论，动力荷载下土拱的工作机制较少被涉及。然而，动荷载下的土拱稳定性是影响工程设计经济性与安全性的关键因素之一。其相关理论可以用于动荷载作用下建（构）筑物的加固与设计中。. 本项目针对动力土拱相关理论中存在的问题，着重研究了动力土拱作用范围内土中的受力与相对位移、动力土拱的影响因素、静力及动力荷载条件下土工合成材料加筋对土拱效应的影响。. 历经四年的研究，项目组取得的主要研究成果包括：. （1） 土拱引起的荷载传递本质上是由于差异沉降引起的土中的主应力偏转导致的，对于没有发生差异沉降的拱顶土体，荷载借由水平应力的增大来传递。因此，通过土中主应力的偏转情况及水平土压力的大小，提出了新的三维土拱模型。. （2）在其他学者的研究成果基础上，根据本项目试验研究成果，通过归纳分析，项目组简化了地基反应曲线（GRC）。该曲线大大增强了GRC曲线在岩土工程中的实用性。. （3）动荷载会削弱土拱效应。在Trapdoor试验中土拱的弱化首先发生在trapdoor中心区域，逐渐往两侧发展。土拱的削弱程度随荷载幅值和频率的增大而增大，随填高和加载面积的增大而减小。另外，动荷载对土拱的削弱作用明显强于静荷载。. （4）土工合成材料加筋不仅可以增强荷载作用下土拱的稳定性，还可以降低等沉面高度，减少表面荷载引起的沉降。双层加筋在控制表面沉降方面的性能优于单层加筋，但会减弱土拱的稳定性。. 项目原计划中全部模型试验及数值计算内容均已完成，通过进一步地研究分析，将提出动力土拱效应的计算方法，建立基于动力土拱效应的土工合成材料加筋桩承式路堤的设计方法。. 上述已取得的和即将完成的研究成果，将进一步完善土拱效应理论，更好的服务于涉及动力土拱问题的工程建设。