基于活動門試驗的土拱數量對土拱效應演化的 影響分析

程冰男

（同濟大學土木工程學院）

0 引言

土拱效應是實際工程和實驗室中最常見的力學現象之一[1]。太沙基(1943)[1]通過著名的“活動門”試驗驗證了土拱效應的存在。土拱效應是由于相鄰土體發生相對位移導致剪應力的發展，而引起土中應力重分布的現象。

對土拱效應的深入研究發現，土拱效應存在演化過程。針對土拱效應演化規律。Iglesia et al.(1999)[1]提出基于試驗數據的土拱演化模型，他將土拱率-相對位移曲線劃分為四個階段。這之后，許多學者（Han et al.(2017)[2]、King et al.(2017)[3]）研究了填高等因素對土拱效應演化的影響。Rui 等（2016）[4]在討論填土中土拱效應位移發展模式時指出，塔形發展模式TDP 在群拱條件下的trapdoor 試驗中很少被觀測到，而在數個單拱條件下的trapdoor 試驗中被觀測到，因而土拱數量對土拱效應的演化存在影響。

本文使用透明土用于近似模擬土顆粒開展活動門試驗，通過設置對照組，從力學特征與位移特征兩方面去研究土拱數量對土拱的形成與演化過程的影響。

1 模型試驗

圖1為室內活動門試驗模型箱。試驗模型箱的內部尺寸為：900mm(長)×500mm(高)×100mm(寬)。為在活動門和固定塊上共布置了15 個土壓力盒，圖1（b）展示了活動門和固定塊的上表面土壓力盒分布情況。

圖1 室內模型試驗裝置示意圖 (a)正視圖；(b)俯視圖

（2）位移監測裝置與材料

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

試驗主要監測內容為：trapdoor 與stable part 上覆土壓力分布、trapdoor 的位移、基于PIV 技術的填土位移場。

通過控制變量探究單拱/群拱對土拱演化過程的影響，見表1。

表1 試驗方案

2 試驗結果分析

2.1 試驗結果

圖2展示了試驗1 部分土壓力盒與活動門相對位移關系。整體上，隨著活動門相對位移的增加，活動門上的土壓力經歷了降低-穩定的過程，而固定塊上承擔了相應的力，因而經歷了升高-穩定的過程。

圖2 試驗1 土壓力的變化

2.2 拱數對土拱效應力學特征的影響

d 相對位移，%；

B 活動門寬度，本次試驗為100mm。

對于試驗1，相對位移在0～1.2%的初始階段，土拱率隨著相對位移的增加迅速由1 下降至0.72，說明較小的相對位移將引起較強的土拱效應；隨著相對位移的繼續增加，土拱率下降速率逐漸變緩直至在相對位移約為2.5 時土拱率達到最小值，最小土拱率為0.70。此時，土拱效應“完全”發揮，是拱效應最強的階段。在相對位移約為4.2 后，土拱率呈現上升的趨勢，逐漸由0.72 上升至0.76。在相對位移達到9.5%后，土拱率增加速度變得較為緩慢，進入最終的階段。

試驗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生“土拱效應”。如圖4所示單拱條件下，土拱率-相對位移曲線與群拱條件下有較大不同：相對位移0～1%，土拱率隨著相對位移的增加迅速由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、最小土拱率對應的相對位移、相對位移為20%時的土拱率均小于群拱條件下相應的值。因此，單拱條件，即周圍無其他土拱效應形成的情況更有利于土拱效應荷載傳遞作用的發揮。

圖3 不同拱數下土拱率-相對位移曲線

2.3 拱數對土拱效應位移分布特征的影響

PIV 技術可以使肉眼不可見的小位移可視化，圖5、6 為通過PIV 技術得到的試驗1 下相對位移為2.5%時豎向位移等值線圖。

土拱效應是由于差異沉降引起的，在填土中形成剪切破碎帶，那么土拱效應對應的位置應為位移分布快速變化的區域。由圖5、6 可知土拱外側形狀近二次曲線，滑動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的高度較群拱低40mm。

圖5 試驗1 豎向位移云圖

圖6 試驗2 豎向位移云圖

3 結語

（1）單拱/群拱條件會影響土拱效應的形成與演化。

（2）單拱/群拱條件下對土拱效應力學特征的影響：兩條土拱率-相對位移（p-d ）曲線差異較大，單拱條件下最小土拱率、最小土拱率對應的相對位移、相對位移為20 時的土拱率均小于群拱條件下相應的值。因此，單拱條件，即周圍無其他土拱效應形成的情況更有利于土拱效應荷載傳遞作用的發揮。

（3）單拱/群拱條件下對土拱效應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，最大土拱效應階段的土拱外側形狀近二次曲線，單拱條件下形成的土拱效應的高度較群拱條件下形成的土拱效應低40mm。