基于安定理论的竖向土拱效应动力渐变失稳机制

The soil arching has an influence on the mechanical property and the deformation performance of the underground structures and it is inevitably affected by construction or traffic dynamic loads. Existing researches on soil arching under dynamic loads are mainly limited to characteristics of dynamic stress distribution. However, the mechanism, stability characters and the quantitive description of the soil arching are rarely studied. This task, mainly considering the characters of track traffic loads, will study thoes problems based on preliminary studies on the dynamic stability of soil arching carried out by applicant. Firstly, the task will study microscomic characters of the soil arching and microscopic parameters description method of the dynamic stability of the soil arching by photoelastic tests and discrete element and so on. Secondly, the study will focus on the macroscopic dynamic stability, influence factors and the macroscopic parameter description method of soil arching by variate dynamic loading model tests. Based on those studies, the relationship between macroscopic parameters and microscomic parameters will be established. Combining with dynamic shakedown theory of elastic-plastic mechanics and elastic-plastic finite element method of soil accumulated deformation under high cycle dynamic loads, the dynamic collapse and gradual change mechanism and determination method of stability threshold value of vertical soil arching will be studied. This research is an important attempt in the basic theory study of soils dynamics. The research results will also provide theoretical basis and reference for engineering design and prediction of long-term life of underground structures.

土拱效应直接影响地下结构物的受力及变形性能，其在长期使用过程中不可避免地受到施工或交通等动力荷载的影响。现有动荷载下土拱效应的研究主要局限于动应力分布特点，而对拱效应的失稳机理、失稳特性以及定量描述等方面缺乏研究。本课题拟主要考虑轨道交通荷载特点，结合申请人前期对土拱动力稳定性的试验研究成果，首先采用光弹试验、离散元模拟等手段，研究土拱效应的细观特性及动力稳定性的细观参量描述方法；其次，借助室内变值动力加载模型试验，研究土拱效应宏观动力稳定特性、影响因素及宏观参量表征方法；在此基础上，建立动力稳定性宏细观参量间的关系，并将弹塑性力学中的动力安定理论与高循环次数下土体累积变形计算的弹塑性有限元法相结合，研究竖向土拱效应动力失稳渐变机制以及阈值的确定方法。该研究是土动力学基础理论的一次重要尝试，研究成果将为地下结构设计、长期使用寿命预测等提供理论依据和参考。

土拱效应直接影响地下结构物的受力及变形性能，其在长期使用过程中不可避免地受到施工或交通等动力荷载的影响。现有动荷载下土拱效应的研究在退化规律、失稳机理以及定量描述等方面较为欠缺。本课题结合申请人前期对土拱动力稳定性的试验研究成果，从宏、细观方面分析土拱效应在动力影响下的失稳特性。采用光弹试验、离散元模拟等手段，从颗粒体系加卸载应力残留特性的细观机理入手，研究了土拱效应的动力稳定性的细观影响参数；借助PIV观测动力加载活动门试验和室内隧道抬升模型试验，研究了土拱效应在宏观上的动力稳定特性、影响因素及发生退化至破坏的基本规律；在此基础上，分别引入高循环次数下土体累积变形计算的显隐式转换有限元法和动力安定理论方法，研究了高周次循环动荷载下竖向土拱效应的动力失稳规律以及各发展阶段阈值的确定方法。.重要结论包括：.（1）动荷载作用下土拱效应的失稳模式包括：瞬间破坏、稳定和渐变破坏。影响稳定特性的因素有：荷载大小、频率、作用次数，土体剪切强度，结构刚度差异，相对位移，填土高度，是否采取相关加固措施等。.（2）宏观上，失稳主要由拱顶、拱脚发生的塑性破坏导致。动荷载引起土体内应力重分布，导致桩土应力比减小，应力分叉点发生偏移；塌落脱空区逐步向上发展直至填土表面，失稳的影响区域随之扩大。表征退化形态的特征量为：实体拱边界、土拱效应影响边界、滑移面倾角和土拱效应扩展角。.（3）细观上，颗粒体系在加卸载作用下产生接触残留力和力链强度的变化，并形成“内边界”，最终均表现为接触力偏转和传递路径变化；土拱效应的失稳导致了土压力系数的变化以及主应力方向的偏转。.（4）根据动力安定理论方法，给出了求解引起土拱效应退化的临界安定荷载的分析方法；针对高速铁路桩承式路基，提出了考虑列车动荷载影响的土拱效应桩土荷载分担计算方法。.相关研究成果将为岩土工程、地下结构设计、长期使用寿命预测等提供理论依据和参考。