基于塊體集上限分析的錨板試驗(yàn)?zāi)Ｐ吞接?/h1>
2012-11-05 14:35余生兵黃茂松
巖土力學(xué) 2012年2期
余生兵，黃茂松
（1. 同濟(jì)大學(xué) 地下建筑與工程系，上海 200092；2. 同濟(jì)大學(xué) 巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092）
1 引 言
錨板作為一種基本的抗拔承載力學(xué)模型，其抗拔承載力理論分析結(jié)果廣泛的應(yīng)用于海洋錨板、抗拔基礎(chǔ)、埋置管線上浮和抗拔樁等問(wèn)題的求解，因此，研究條形錨板的抗拔承載力對(duì)于求解這一類抗拔問(wèn)題有著重要的工程意義。錨板模型試驗(yàn)[1－12]作為一種研究錨板抗拔承載特性的方法，具有其他理論分析方法不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。但是，如果試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計(jì)不夠合理，試驗(yàn)結(jié)果往往不能正確地反映錨板真實(shí)的抗拔承載特性，這對(duì)于正確認(rèn)識(shí)錨板的抗拔破壞機(jī)制是極為不利的。本文通過(guò)塊體集上限分析方法，研究了錨板的抗拔承載力和破壞面特性，并將分析結(jié)果與文獻(xiàn)中已有的模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比，分析斜坡地形條件下現(xiàn)有模型試驗(yàn)中拉桿對(duì)于錨板抗拔承載力的影響，并對(duì)錨板試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷倪x取提出合理的建議。
2 現(xiàn)有錨板試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃?jiǎn)述
圖1為錨板實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽鈭D。由圖1(c)可見(jiàn)，當(dāng)錨板在拉力作用下移動(dòng)時(shí)，與錨板運(yùn)動(dòng)方向相反的一側(cè)土體就處于卸荷回彈狀態(tài)，該側(cè)土體總是會(huì)隨錨板運(yùn)動(dòng)一段距離，然后再與錨板逐漸脫離。而當(dāng)錨板埋置在滲透性較差的黏土中時(shí)，錨板頂面與底面的超靜孔壓差會(huì)形成一定的吸力，這將提高錨板的抗拔承載力，這就是錨板在拉拔過(guò)程中的“吸力”效應(yīng)，因此，錨板抗拔承載力的發(fā)揮實(shí)際上與“錨-土”接觸面的脫離深度和吸力均密切相關(guān)。由于考慮“吸力”效應(yīng)非常困難，很多學(xué)者[2,9,11,13]在考慮“錨-土”接觸特性時(shí)一般簡(jiǎn)化為“立即脫離”和“無(wú)脫離”兩種條件。所謂“立即脫離”，是荷載施加之初錨板即與土體脫離，即完全消除“吸力”的影響，而“無(wú)脫離”則假定土體和錨板始終保持接觸，即認(rèn)為“吸力”非常大，“錨-土”接觸面由于“吸力”的存在而始終沒(méi)有脫離。由于“錨-土”接觸面的脫離深度和吸力均受較多因素的影響，實(shí)際工程中很難確定其大小，而且吸力會(huì)隨著孔壓的消散而逐漸降低。實(shí)際工程中通常不考慮吸力對(duì)錨板抗拔承載力的影響，即采用“立即脫離”條件，所得結(jié)果是偏于安全的。
對(duì)于黏性土中的錨板，由于黏性土的滲透系數(shù)較小，在拉拔的過(guò)程中錨板底面的“吸力”效應(yīng)非常明顯。為了更好地驗(yàn)證現(xiàn)有理論分析的結(jié)果，很多學(xué)者[3－4]采用了如圖1(a)所示的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?。該模型為了模擬“立即脫離”模式，一般采取將一個(gè)中空并接通大氣的有機(jī)玻璃盒子放在錨板的下面，以便使錨板底面與大氣相通，從而完全消除錨板底面吸力的影響。另一種消除錨板底面“吸力”效應(yīng)的做法就是直接采用trapdoor模型[14]，即在模型箱底部開(kāi)洞形成錨板的位置，該試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪峭ㄟ^(guò)對(duì)錨板底面施加推力來(lái)模擬錨板的拉拔荷載的，如圖1(b)所示。
由圖 1(a)和圖 1(b)中這兩種試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷氖疽鈭D可見(jiàn)，由于錨板底部的土體被移除了，這兩種模型試驗(yàn)中錨板的破壞模式均被人為地限制為淺埋破壞模式，而不能自由過(guò)渡到深埋破壞模式，因此，這些模型試驗(yàn)的結(jié)果中會(huì)出現(xiàn)條形錨板抗拔承載力系數(shù)大于11.42（深埋條形錨板抗拔承載力系數(shù)）的情況。有關(guān)塊體集上限法對(duì)于錨板深埋破壞模式和淺埋破壞模式的分析見(jiàn)文獻(xiàn)[15]，限于篇幅，此處不再詳述。
另外，一些學(xué)者[1,2]采用如圖1(c)所示的試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠?lái)研究條形錨板抗拔承載力，采用這種試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)試驗(yàn)過(guò)程中錨板底面吸力的控制要求是非常高，在試驗(yàn)過(guò)程中，多數(shù)情況下是采用控制加載速度來(lái)盡可能減少吸力的影響。Rowe[2]在其模型試驗(yàn)中采用中空的拉桿對(duì)錨板施加拉力，中空的拉桿可以使錨板底面安裝拉桿的地方與大氣相通，這在一定程度上可以減少“吸力”效應(yīng)的影響。對(duì)于砂土中的錨板，由于砂土的滲透系數(shù)較大，錨板底面的“吸力”效應(yīng)不明顯，模型試驗(yàn)中通常不予考慮，因此，砂土的模型試驗(yàn)多采用圖1(c)所示的試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>
綜上所述，除trapdoor模型可以不采用拉桿來(lái)施加拉力荷載外，其他試驗(yàn)?zāi)Ｐ途枰捎美瓧U來(lái)施加荷載。
3 塊體集上限分析方法
塊體集上限分析方法的基本思想是：集成和組合，即將最基本的三角形楔塊集成為兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向各異的旋轉(zhuǎn)塊體集（見(jiàn)圖2），然后，運(yùn)用這兩個(gè)旋轉(zhuǎn)塊體集的不同組合來(lái)構(gòu)造所求問(wèn)題的運(yùn)動(dòng)許可速度場(chǎng)，并通過(guò)GAPS算法（遺傳-模式搜索算法）的優(yōu)化得到最小上限解。筆者在文獻(xiàn)[15]中已經(jīng)介紹了塊體集上限法求解過(guò)程。本文所采用的條形錨板運(yùn)動(dòng)許可速度場(chǎng)構(gòu)造方式與文獻(xiàn)[15]中分析不排水黏土中條形錨板抗拔承載力所采用的構(gòu)造方式相同，見(jiàn)圖3，即采用兩個(gè)組合塊體集上下累加構(gòu)成，如圖3中①～④均為旋轉(zhuǎn)塊體集所示。如圖3中運(yùn)動(dòng)許可速度場(chǎng)的內(nèi)能耗散和重力做功見(jiàn)文獻(xiàn)[15]，限于篇幅，此處不再詳細(xì)介紹。
圖3 淺埋條形錨板速度場(chǎng)構(gòu)造示意圖Fig.3 Construction sketch of admissible velocity fields for shallow strip anchors
4 塊體集上限分析與模型試驗(yàn)對(duì)比
4.1 地表水平條件下
地表水平條件下，本文塊體集上限分析解與模型試驗(yàn)解的對(duì)比如圖 4所示。圖中，Nc0為不考慮土體重度時(shí)錨板的抗拔承載力系數(shù)；H為錨板埋深；B為錨板寬度；L為錨板長(zhǎng)度。由圖4(a)可見(jiàn)，本文上限解與 Das[1]的模型試驗(yàn)對(duì)比可以看出，本文塊體集上限解與Das的模型試驗(yàn)解吻合較好。圖4(b)為本文塊體集上限解與 Rowe[2]的模型試驗(yàn)對(duì)比。
如圖5所示，Rowe的模型試驗(yàn)選用了7個(gè)不同尺寸的矩形錨板，并且進(jìn)行了大量的模型試驗(yàn)，由圖可以看出，Rowe的模型試驗(yàn)結(jié)果雖然比較離散，但是該模型試驗(yàn)結(jié)果的整體趨勢(shì)與本文塊體集上限分析的結(jié)果是非常吻合的。
圖4 塊體集上限解與Rowe模型試驗(yàn)解比較Fig.4 Comparison of pull-out capacities of block set mechanism and laboratory test
4.2 斜坡地形條件下
4.2.1 Khing等模型試驗(yàn)
Khing等[3]通過(guò)模型試驗(yàn)研究了飽和黏土中斜坡傾角對(duì)水平條形錨板抗拔承載力的影響，在其模型試驗(yàn)中，錨板的寬度B = 7.6 cm，斜坡傾角β分別為 0°、10°、15°、20°、25°，采用的土體重度γ=17.1 kN/m3，不排水抗剪強(qiáng)度cu=10.2 kPa。Khing等的模型試驗(yàn)所得到的結(jié)論與文獻(xiàn)[15]所得結(jié)論相同，即水平條形錨板抗拔承載力隨斜坡傾角的增大而減小。
為說(shuō)明斜坡傾角對(duì)錨板抗拔承載力的影響，圖5中斜坡傾角分別為 0°和 25°時(shí)，塊體集上限分析計(jì)算結(jié)果與Khing等的模型試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，圖中Nc為考慮土體重度時(shí)錨板的抗拔承載力系數(shù)。由圖中可以看出，在地表水平條件下，本文計(jì)算結(jié)果與模型試驗(yàn)非常吻合，而在考慮斜坡地形情況時(shí)（即斜坡傾角為25°時(shí)），Khing等的模型試驗(yàn)結(jié)果與本文塊體集上限分析的理論預(yù)測(cè)相差較遠(yuǎn)。由圖5可見(jiàn)，當(dāng)斜坡傾角由0°增大到 25°時(shí)，模型試驗(yàn)結(jié)果中錨板抗拔承載力的降低幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于塊體集上限分析的預(yù)測(cè)。由于該模型試驗(yàn)結(jié)果較為離散，一些斜坡傾角為25°時(shí)的數(shù)據(jù)點(diǎn)甚至比斜坡傾角為0°時(shí)的結(jié)果還要大，這與Khing等的結(jié)論相去甚遠(yuǎn)。筆者認(rèn)為，由于各種原因該模型試驗(yàn)并不是很成功。
圖5 斜坡地形下塊體集上限分析結(jié)果與Khing的模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.5 Comparison of pull-out capacities of block set mechanism and Khing’s laboratory test results in sloped clayey ground
4.2.2 Rao和Prasad模型試驗(yàn)
Rao和 Prasad[4]也通過(guò)模型試驗(yàn)研究了黏土斜坡地形條件下圓形錨板的抗拔承載力，其模型試驗(yàn)采用直徑為5 cm的圓形錨板。該模型試驗(yàn)的所得的定性結(jié)論與文獻(xiàn)[15]所得結(jié)論相同，即錨板的抗拔承載力隨斜坡傾角的增大而降低。
由于Rao和Prasad的模型試驗(yàn)采用的是圓形錨板，而本文塊體集上限分析研究的是條形錨板，因此，需要引入形狀系數(shù)將圓形錨板的抗拔承載力轉(zhuǎn)換為條形錨板的抗拔承載力。形狀系數(shù)S的大小與錨板的埋深比（H/B）等諸多因素有關(guān)，其定義見(jiàn)式（1）。
式中：Nc0(circle)、Nc0(strip)分別為圓形錨板和條形錨板的抗拔承載力系數(shù)。
Rowe和Davis[9]利用彈塑性有限元方法分別分析了圓形錨板和條形錨板的抗拔承載力。圖 6為Rowe和 Davis的彈塑性有限元分析結(jié)果，其中該分析采用的是k4破壞準(zhǔn)則，即當(dāng)錨板的位移等于彈性分析時(shí)所得到位移大小的4倍時(shí)，認(rèn)為錨板處于極限破壞狀態(tài)。圖6中同時(shí)還給出了由該彈塑性有限元分析所得到的形狀系數(shù)S。
圖6 Rowe和Davis 彈塑性有限元分析所得到的形狀系數(shù)[9]Fig.6 Shape factors of Rowe and Davis[9]
鑒于前文地表水平條件下，塊體集上限分析結(jié)果與文獻(xiàn)中的模型試驗(yàn)結(jié)果非常吻合。此處采用地表水平條件下（即斜坡傾角為 0°時(shí)），Rao和Prasad的圓形錨板模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)與本文塊體集上限分析所得到的條形錨板上限解相比，即由式（2）求得形狀系數(shù)S，如圖7中的黑色方塊點(diǎn)所示。圖 7中，D為圓形錨板的直徑；H/D即為圓形錨板的埋深比，對(duì)于水平條形錨板而言，其錨板埋深比為H/B。同時(shí)，圖7中分別給出了Merifield等[16]采用三維下限有限元分析得到的形狀系數(shù)，以及由Rowe和Davis[9]的彈塑性有限元分析所得到的形狀系數(shù)。由圖可以看出，極限分析下限有限元分析得到的結(jié)果偏于保守，而本文的形狀系數(shù)與Rowe和Davis的彈塑性有限元分析結(jié)果較為接近。
為便于應(yīng)用，本文對(duì)由式（2）求得的形狀系數(shù)S數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行了擬合，得到了本文所采用的形狀系數(shù)計(jì)算公式：
當(dāng)式（3）求得形狀系數(shù)S＜1.15時(shí)，取S = 1.15。采用式（3）所示的形狀系數(shù)，在斜坡地形條件下，本文塊體集上限分析解與Rao和Prasad[4]的圓形錨板模型試驗(yàn)對(duì)比如圖8所示。圖8中，陰影部分表示當(dāng)斜坡傾角由0°增大到45°時(shí)，塊體集上限分析中錨板抗拔承載力的降低程度。由圖可見(jiàn)，當(dāng)錨板埋深比H/B比較小時(shí)，本文塊體集上限分析預(yù)測(cè)與模型試驗(yàn)結(jié)果是比較吻合的，而H/B比較大時(shí)，模型試驗(yàn)結(jié)果中斜坡傾角的影響逐漸變小。如圖8所示，當(dāng)斜坡傾角為45°時(shí)，隨錨板埋深比H/B的增大，其抗拔承載力與地表水平時(shí)相比差距逐漸變小。當(dāng) H/B＞4時(shí)，模型試驗(yàn)結(jié)果甚至出現(xiàn)了兩條線基本重合的現(xiàn)象。對(duì)于模型試驗(yàn)而言，這說(shuō)明在錨板埋深比比較大時(shí)，斜坡傾角對(duì)錨板抗拔承載力會(huì)降低到甚至可以忽略的程度，這一結(jié)論與本文塊體集上限分析的理論預(yù)測(cè)完全相反。
圖7 圓形錨板與條形錨板的形狀系數(shù)Fig.7 Shape factors of circle and strip anchor plates
圖8 斜坡地形下本文上限解與Rao和Prasad模型試驗(yàn)的對(duì)比Fig.8 Shape factors of circle and strip anchor plates
5 試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭欣瓧U的影響
Rao和 Prasad[4]模型試驗(yàn)中之所以會(huì)出現(xiàn)與本文塊體集上限分析理論預(yù)測(cè)相反的情形，主要是該模型試驗(yàn)采用了圖 1(a)試驗(yàn)?zāi)Ｐ停囼?yàn)過(guò)程中拉拔力通過(guò)連接在錨板中點(diǎn)的金屬拉桿來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，錨板的埋深比H/B越大，該金屬拉桿在土體中埋置的長(zhǎng)度就越大。而對(duì)于斜坡地形條件下塊體集上限法對(duì)于錨板破壞面的分析結(jié)果，如圖9所示。由圖可以看出，當(dāng)?shù)乇硭綍r(shí)，破壞面呈現(xiàn)對(duì)稱的 U型，且拉桿處土體變形主要是豎直方向的。當(dāng)斜坡傾角存在時(shí)，破壞面向坡腳方向傾斜，因此土體變形會(huì)傾向于向坡腳方向傾斜，原先在地表水平條件下所呈現(xiàn)的對(duì)稱性不復(fù)存在。同時(shí)，由圖9還可以看出，斜坡傾角越大，破壞面向坡腳方向的傾斜程度也越大。
圖9 不同斜坡傾角時(shí)水平條形錨板破壞面(H/B=10)[15]Fig.9 Failure surface of strip anchor plate at different slope angles (H/B=10)[15]
由圖10(a)所示，對(duì)于地表水平條件下，由于模型試驗(yàn)中拉桿正好處于錨板破壞面的對(duì)稱軸的位置，因此，拉桿對(duì)錨板抗拔承載力的影響主要體現(xiàn)在拉桿側(cè)壁與土體的摩擦阻力上，當(dāng)拉桿表面足夠光滑時(shí)，摩擦阻力的影響完全可以忽略不計(jì)。而對(duì)于斜坡地形條件下（見(jiàn)圖10(b)）可以明顯的看到，拉桿的存在對(duì)土體向坡腳方向的變形有著明顯的制約作用，因此拉桿的存在可以提高錨板抗拔承載力。由塊體集上限分析可知，斜坡傾角和錨板埋深比H/B越大，錨板破壞時(shí)破壞面向坡腳方向的傾斜程度也越大，這就意味著土體在拉桿側(cè)壁的法向方向的變形也越大，即拉桿對(duì)錨板抗拔承載力的貢獻(xiàn)也越大，這就導(dǎo)致了Rao和Prasad[4]模型試驗(yàn)結(jié)果中，隨著錨板埋深比H/B的增大，斜坡傾角對(duì)錨板抗拔承載力的降低部分越來(lái)越多的被拉桿的有利貢獻(xiàn)所抵消。因此，Rao和Prasad模型試驗(yàn)所測(cè)得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)際上是錨板與拉桿協(xié)同作用下的抗拔承載力，這與研究錨板本身抗拔承載力的試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)有著很大的區(qū)別。因此，由于拉桿的存在，Rao和 Prasad[4]的模型試驗(yàn)對(duì)于斜坡地形條件下錨板抗拔承載力的研究并不合理，尤其是在錨板埋深比H/B比較大時(shí)，由于拉桿的影響，該模型試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果甚至與本文塊體集上限分析的理論預(yù)測(cè)趨勢(shì)相反。
圖10 模型試驗(yàn)中拉桿對(duì)錨板抗拔承載力的影響Fig.10 Effects of steel rod on pull-out capacity of anchor plates in laboratory test
鑒于此，對(duì)于斜坡地形條件下的淺埋錨板抗拔承載力研究，筆者認(rèn)為應(yīng)該盡可能采用從錨板底面施加推力的trapdoor模型，這樣就可以避免土體中拉桿的存在，而使得模型試驗(yàn)結(jié)果能夠更好的反映錨板本身的抗拔承載力。
6 結(jié) 語(yǔ)
通過(guò)塊體集上限分析方法，本文研究了錨板的抗拔承載力和破壞面特性，并將分析結(jié)果與 Das[1]和Rowe[2]的錨板模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比，驗(yàn)證了塊體集上限法的有效性。然后運(yùn)用塊體集上限法分析了考慮斜坡地形的Khing等[3]條形錨板抗拔承載力試驗(yàn)，以及Rao和Prasad[4]的圓形錨板抗拔承載力試驗(yàn)，通過(guò)與模型試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，分析了斜坡地形條件下模型試驗(yàn)中采用拉桿加載的方式對(duì)于試驗(yàn)結(jié)果的影響，并對(duì)錨板試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷倪x取提出了合理的建議，（1）對(duì)于地表水平條件下，錨板模型試驗(yàn)中拉桿的影響可以忽略，但是對(duì)于斜坡地形條件下，拉桿的影響不能忽略；（2）斜坡地形條件下，淺埋錨板的模型試驗(yàn)應(yīng)盡可能采用trapdoor模型。
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（1. 同濟(jì)大學(xué) 地下建筑與工程系，上海 200092；2. 同濟(jì)大學(xué) 巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092）
1 引 言
錨板作為一種基本的抗拔承載力學(xué)模型，其抗拔承載力理論分析結(jié)果廣泛的應(yīng)用于海洋錨板、抗拔基礎(chǔ)、埋置管線上浮和抗拔樁等問(wèn)題的求解，因此，研究條形錨板的抗拔承載力對(duì)于求解這一類抗拔問(wèn)題有著重要的工程意義。錨板模型試驗(yàn)[1－12]作為一種研究錨板抗拔承載特性的方法，具有其他理論分析方法不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。但是，如果試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計(jì)不夠合理，試驗(yàn)結(jié)果往往不能正確地反映錨板真實(shí)的抗拔承載特性，這對(duì)于正確認(rèn)識(shí)錨板的抗拔破壞機(jī)制是極為不利的。本文通過(guò)塊體集上限分析方法，研究了錨板的抗拔承載力和破壞面特性，并將分析結(jié)果與文獻(xiàn)中已有的模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比，分析斜坡地形條件下現(xiàn)有模型試驗(yàn)中拉桿對(duì)于錨板抗拔承載力的影響，并對(duì)錨板試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷倪x取提出合理的建議。
2 現(xiàn)有錨板試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃?jiǎn)述
圖1為錨板實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽鈭D。由圖1(c)可見(jiàn)，當(dāng)錨板在拉力作用下移動(dòng)時(shí)，與錨板運(yùn)動(dòng)方向相反的一側(cè)土體就處于卸荷回彈狀態(tài)，該側(cè)土體總是會(huì)隨錨板運(yùn)動(dòng)一段距離，然后再與錨板逐漸脫離。而當(dāng)錨板埋置在滲透性較差的黏土中時(shí)，錨板頂面與底面的超靜孔壓差會(huì)形成一定的吸力，這將提高錨板的抗拔承載力，這就是錨板在拉拔過(guò)程中的“吸力”效應(yīng)，因此，錨板抗拔承載力的發(fā)揮實(shí)際上與“錨-土”接觸面的脫離深度和吸力均密切相關(guān)。由于考慮“吸力”效應(yīng)非常困難，很多學(xué)者[2,9,11,13]在考慮“錨-土”接觸特性時(shí)一般簡(jiǎn)化為“立即脫離”和“無(wú)脫離”兩種條件。所謂“立即脫離”，是荷載施加之初錨板即與土體脫離，即完全消除“吸力”的影響，而“無(wú)脫離”則假定土體和錨板始終保持接觸，即認(rèn)為“吸力”非常大，“錨-土”接觸面由于“吸力”的存在而始終沒(méi)有脫離。由于“錨-土”接觸面的脫離深度和吸力均受較多因素的影響，實(shí)際工程中很難確定其大小，而且吸力會(huì)隨著孔壓的消散而逐漸降低。實(shí)際工程中通常不考慮吸力對(duì)錨板抗拔承載力的影響，即采用“立即脫離”條件，所得結(jié)果是偏于安全的。
對(duì)于黏性土中的錨板，由于黏性土的滲透系數(shù)較小，在拉拔的過(guò)程中錨板底面的“吸力”效應(yīng)非常明顯。為了更好地驗(yàn)證現(xiàn)有理論分析的結(jié)果，很多學(xué)者[3－4]采用了如圖1(a)所示的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?。該模型為了模擬“立即脫離”模式，一般采取將一個(gè)中空并接通大氣的有機(jī)玻璃盒子放在錨板的下面，以便使錨板底面與大氣相通，從而完全消除錨板底面吸力的影響。另一種消除錨板底面“吸力”效應(yīng)的做法就是直接采用trapdoor模型[14]，即在模型箱底部開(kāi)洞形成錨板的位置，該試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪峭ㄟ^(guò)對(duì)錨板底面施加推力來(lái)模擬錨板的拉拔荷載的，如圖1(b)所示。
由圖 1(a)和圖 1(b)中這兩種試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷氖疽鈭D可見(jiàn)，由于錨板底部的土體被移除了，這兩種模型試驗(yàn)中錨板的破壞模式均被人為地限制為淺埋破壞模式，而不能自由過(guò)渡到深埋破壞模式，因此，這些模型試驗(yàn)的結(jié)果中會(huì)出現(xiàn)條形錨板抗拔承載力系數(shù)大于11.42（深埋條形錨板抗拔承載力系數(shù)）的情況。有關(guān)塊體集上限法對(duì)于錨板深埋破壞模式和淺埋破壞模式的分析見(jiàn)文獻(xiàn)[15]，限于篇幅，此處不再詳述。
另外，一些學(xué)者[1,2]采用如圖1(c)所示的試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠?lái)研究條形錨板抗拔承載力，采用這種試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)試驗(yàn)過(guò)程中錨板底面吸力的控制要求是非常高，在試驗(yàn)過(guò)程中，多數(shù)情況下是采用控制加載速度來(lái)盡可能減少吸力的影響。Rowe[2]在其模型試驗(yàn)中采用中空的拉桿對(duì)錨板施加拉力，中空的拉桿可以使錨板底面安裝拉桿的地方與大氣相通，這在一定程度上可以減少“吸力”效應(yīng)的影響。對(duì)于砂土中的錨板，由于砂土的滲透系數(shù)較大，錨板底面的“吸力”效應(yīng)不明顯，模型試驗(yàn)中通常不予考慮，因此，砂土的模型試驗(yàn)多采用圖1(c)所示的試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>
綜上所述，除trapdoor模型可以不采用拉桿來(lái)施加拉力荷載外，其他試驗(yàn)?zāi)Ｐ途枰捎美瓧U來(lái)施加荷載。
3 塊體集上限分析方法
塊體集上限分析方法的基本思想是：集成和組合，即將最基本的三角形楔塊集成為兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向各異的旋轉(zhuǎn)塊體集（見(jiàn)圖2），然后，運(yùn)用這兩個(gè)旋轉(zhuǎn)塊體集的不同組合來(lái)構(gòu)造所求問(wèn)題的運(yùn)動(dòng)許可速度場(chǎng)，并通過(guò)GAPS算法（遺傳-模式搜索算法）的優(yōu)化得到最小上限解。筆者在文獻(xiàn)[15]中已經(jīng)介紹了塊體集上限法求解過(guò)程。本文所采用的條形錨板運(yùn)動(dòng)許可速度場(chǎng)構(gòu)造方式與文獻(xiàn)[15]中分析不排水黏土中條形錨板抗拔承載力所采用的構(gòu)造方式相同，見(jiàn)圖3，即采用兩個(gè)組合塊體集上下累加構(gòu)成，如圖3中①～④均為旋轉(zhuǎn)塊體集所示。如圖3中運(yùn)動(dòng)許可速度場(chǎng)的內(nèi)能耗散和重力做功見(jiàn)文獻(xiàn)[15]，限于篇幅，此處不再詳細(xì)介紹。
圖3 淺埋條形錨板速度場(chǎng)構(gòu)造示意圖Fig.3 Construction sketch of admissible velocity fields for shallow strip anchors
4 塊體集上限分析與模型試驗(yàn)對(duì)比
4.1 地表水平條件下
地表水平條件下，本文塊體集上限分析解與模型試驗(yàn)解的對(duì)比如圖 4所示。圖中，Nc0為不考慮土體重度時(shí)錨板的抗拔承載力系數(shù)；H為錨板埋深；B為錨板寬度；L為錨板長(zhǎng)度。由圖4(a)可見(jiàn)，本文上限解與 Das[1]的模型試驗(yàn)對(duì)比可以看出，本文塊體集上限解與Das的模型試驗(yàn)解吻合較好。圖4(b)為本文塊體集上限解與 Rowe[2]的模型試驗(yàn)對(duì)比。
如圖5所示，Rowe的模型試驗(yàn)選用了7個(gè)不同尺寸的矩形錨板，并且進(jìn)行了大量的模型試驗(yàn)，由圖可以看出，Rowe的模型試驗(yàn)結(jié)果雖然比較離散，但是該模型試驗(yàn)結(jié)果的整體趨勢(shì)與本文塊體集上限分析的結(jié)果是非常吻合的。
圖4 塊體集上限解與Rowe模型試驗(yàn)解比較Fig.4 Comparison of pull-out capacities of block set mechanism and laboratory test
4.2 斜坡地形條件下
4.2.1 Khing等模型試驗(yàn)
Khing等[3]通過(guò)模型試驗(yàn)研究了飽和黏土中斜坡傾角對(duì)水平條形錨板抗拔承載力的影響，在其模型試驗(yàn)中，錨板的寬度B = 7.6 cm，斜坡傾角β分別為 0°、10°、15°、20°、25°，采用的土體重度γ=17.1 kN/m3，不排水抗剪強(qiáng)度cu=10.2 kPa。Khing等的模型試驗(yàn)所得到的結(jié)論與文獻(xiàn)[15]所得結(jié)論相同，即水平條形錨板抗拔承載力隨斜坡傾角的增大而減小。
為說(shuō)明斜坡傾角對(duì)錨板抗拔承載力的影響，圖5中斜坡傾角分別為 0°和 25°時(shí)，塊體集上限分析計(jì)算結(jié)果與Khing等的模型試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，圖中Nc為考慮土體重度時(shí)錨板的抗拔承載力系數(shù)。由圖中可以看出，在地表水平條件下，本文計(jì)算結(jié)果與模型試驗(yàn)非常吻合，而在考慮斜坡地形情況時(shí)（即斜坡傾角為25°時(shí)），Khing等的模型試驗(yàn)結(jié)果與本文塊體集上限分析的理論預(yù)測(cè)相差較遠(yuǎn)。由圖5可見(jiàn)，當(dāng)斜坡傾角由0°增大到 25°時(shí)，模型試驗(yàn)結(jié)果中錨板抗拔承載力的降低幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于塊體集上限分析的預(yù)測(cè)。由于該模型試驗(yàn)結(jié)果較為離散，一些斜坡傾角為25°時(shí)的數(shù)據(jù)點(diǎn)甚至比斜坡傾角為0°時(shí)的結(jié)果還要大，這與Khing等的結(jié)論相去甚遠(yuǎn)。筆者認(rèn)為，由于各種原因該模型試驗(yàn)并不是很成功。
圖5 斜坡地形下塊體集上限分析結(jié)果與Khing的模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.5 Comparison of pull-out capacities of block set mechanism and Khing’s laboratory test results in sloped clayey ground
4.2.2 Rao和Prasad模型試驗(yàn)
Rao和 Prasad[4]也通過(guò)模型試驗(yàn)研究了黏土斜坡地形條件下圓形錨板的抗拔承載力，其模型試驗(yàn)采用直徑為5 cm的圓形錨板。該模型試驗(yàn)的所得的定性結(jié)論與文獻(xiàn)[15]所得結(jié)論相同，即錨板的抗拔承載力隨斜坡傾角的增大而降低。
由于Rao和Prasad的模型試驗(yàn)采用的是圓形錨板，而本文塊體集上限分析研究的是條形錨板，因此，需要引入形狀系數(shù)將圓形錨板的抗拔承載力轉(zhuǎn)換為條形錨板的抗拔承載力。形狀系數(shù)S的大小與錨板的埋深比（H/B）等諸多因素有關(guān)，其定義見(jiàn)式（1）。
式中：Nc0(circle)、Nc0(strip)分別為圓形錨板和條形錨板的抗拔承載力系數(shù)。
Rowe和Davis[9]利用彈塑性有限元方法分別分析了圓形錨板和條形錨板的抗拔承載力。圖 6為Rowe和 Davis的彈塑性有限元分析結(jié)果，其中該分析采用的是k4破壞準(zhǔn)則，即當(dāng)錨板的位移等于彈性分析時(shí)所得到位移大小的4倍時(shí)，認(rèn)為錨板處于極限破壞狀態(tài)。圖6中同時(shí)還給出了由該彈塑性有限元分析所得到的形狀系數(shù)S。
圖6 Rowe和Davis 彈塑性有限元分析所得到的形狀系數(shù)[9]Fig.6 Shape factors of Rowe and Davis[9]
鑒于前文地表水平條件下，塊體集上限分析結(jié)果與文獻(xiàn)中的模型試驗(yàn)結(jié)果非常吻合。此處采用地表水平條件下（即斜坡傾角為 0°時(shí)），Rao和Prasad的圓形錨板模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)與本文塊體集上限分析所得到的條形錨板上限解相比，即由式（2）求得形狀系數(shù)S，如圖7中的黑色方塊點(diǎn)所示。圖 7中，D為圓形錨板的直徑；H/D即為圓形錨板的埋深比，對(duì)于水平條形錨板而言，其錨板埋深比為H/B。同時(shí)，圖7中分別給出了Merifield等[16]采用三維下限有限元分析得到的形狀系數(shù)，以及由Rowe和Davis[9]的彈塑性有限元分析所得到的形狀系數(shù)。由圖可以看出，極限分析下限有限元分析得到的結(jié)果偏于保守，而本文的形狀系數(shù)與Rowe和Davis的彈塑性有限元分析結(jié)果較為接近。
為便于應(yīng)用，本文對(duì)由式（2）求得的形狀系數(shù)S數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行了擬合，得到了本文所采用的形狀系數(shù)計(jì)算公式：
當(dāng)式（3）求得形狀系數(shù)S＜1.15時(shí)，取S = 1.15。采用式（3）所示的形狀系數(shù)，在斜坡地形條件下，本文塊體集上限分析解與Rao和Prasad[4]的圓形錨板模型試驗(yàn)對(duì)比如圖8所示。圖8中，陰影部分表示當(dāng)斜坡傾角由0°增大到45°時(shí)，塊體集上限分析中錨板抗拔承載力的降低程度。由圖可見(jiàn)，當(dāng)錨板埋深比H/B比較小時(shí)，本文塊體集上限分析預(yù)測(cè)與模型試驗(yàn)結(jié)果是比較吻合的，而H/B比較大時(shí)，模型試驗(yàn)結(jié)果中斜坡傾角的影響逐漸變小。如圖8所示，當(dāng)斜坡傾角為45°時(shí)，隨錨板埋深比H/B的增大，其抗拔承載力與地表水平時(shí)相比差距逐漸變小。當(dāng) H/B＞4時(shí)，模型試驗(yàn)結(jié)果甚至出現(xiàn)了兩條線基本重合的現(xiàn)象。對(duì)于模型試驗(yàn)而言，這說(shuō)明在錨板埋深比比較大時(shí)，斜坡傾角對(duì)錨板抗拔承載力會(huì)降低到甚至可以忽略的程度，這一結(jié)論與本文塊體集上限分析的理論預(yù)測(cè)完全相反。
圖7 圓形錨板與條形錨板的形狀系數(shù)Fig.7 Shape factors of circle and strip anchor plates
圖8 斜坡地形下本文上限解與Rao和Prasad模型試驗(yàn)的對(duì)比Fig.8 Shape factors of circle and strip anchor plates
5 試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭欣瓧U的影響
Rao和 Prasad[4]模型試驗(yàn)中之所以會(huì)出現(xiàn)與本文塊體集上限分析理論預(yù)測(cè)相反的情形，主要是該模型試驗(yàn)采用了圖 1(a)試驗(yàn)?zāi)Ｐ停囼?yàn)過(guò)程中拉拔力通過(guò)連接在錨板中點(diǎn)的金屬拉桿來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，錨板的埋深比H/B越大，該金屬拉桿在土體中埋置的長(zhǎng)度就越大。而對(duì)于斜坡地形條件下塊體集上限法對(duì)于錨板破壞面的分析結(jié)果，如圖9所示。由圖可以看出，當(dāng)?shù)乇硭綍r(shí)，破壞面呈現(xiàn)對(duì)稱的 U型，且拉桿處土體變形主要是豎直方向的。當(dāng)斜坡傾角存在時(shí)，破壞面向坡腳方向傾斜，因此土體變形會(huì)傾向于向坡腳方向傾斜，原先在地表水平條件下所呈現(xiàn)的對(duì)稱性不復(fù)存在。同時(shí)，由圖9還可以看出，斜坡傾角越大，破壞面向坡腳方向的傾斜程度也越大。
圖9 不同斜坡傾角時(shí)水平條形錨板破壞面(H/B=10)[15]Fig.9 Failure surface of strip anchor plate at different slope angles (H/B=10)[15]
由圖10(a)所示，對(duì)于地表水平條件下，由于模型試驗(yàn)中拉桿正好處于錨板破壞面的對(duì)稱軸的位置，因此，拉桿對(duì)錨板抗拔承載力的影響主要體現(xiàn)在拉桿側(cè)壁與土體的摩擦阻力上，當(dāng)拉桿表面足夠光滑時(shí)，摩擦阻力的影響完全可以忽略不計(jì)。而對(duì)于斜坡地形條件下（見(jiàn)圖10(b)）可以明顯的看到，拉桿的存在對(duì)土體向坡腳方向的變形有著明顯的制約作用，因此拉桿的存在可以提高錨板抗拔承載力。由塊體集上限分析可知，斜坡傾角和錨板埋深比H/B越大，錨板破壞時(shí)破壞面向坡腳方向的傾斜程度也越大，這就意味著土體在拉桿側(cè)壁的法向方向的變形也越大，即拉桿對(duì)錨板抗拔承載力的貢獻(xiàn)也越大，這就導(dǎo)致了Rao和Prasad[4]模型試驗(yàn)結(jié)果中，隨著錨板埋深比H/B的增大，斜坡傾角對(duì)錨板抗拔承載力的降低部分越來(lái)越多的被拉桿的有利貢獻(xiàn)所抵消。因此，Rao和Prasad模型試驗(yàn)所測(cè)得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)際上是錨板與拉桿協(xié)同作用下的抗拔承載力，這與研究錨板本身抗拔承載力的試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)有著很大的區(qū)別。因此，由于拉桿的存在，Rao和 Prasad[4]的模型試驗(yàn)對(duì)于斜坡地形條件下錨板抗拔承載力的研究并不合理，尤其是在錨板埋深比H/B比較大時(shí)，由于拉桿的影響，該模型試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果甚至與本文塊體集上限分析的理論預(yù)測(cè)趨勢(shì)相反。
圖10 模型試驗(yàn)中拉桿對(duì)錨板抗拔承載力的影響Fig.10 Effects of steel rod on pull-out capacity of anchor plates in laboratory test
鑒于此，對(duì)于斜坡地形條件下的淺埋錨板抗拔承載力研究，筆者認(rèn)為應(yīng)該盡可能采用從錨板底面施加推力的trapdoor模型，這樣就可以避免土體中拉桿的存在，而使得模型試驗(yàn)結(jié)果能夠更好的反映錨板本身的抗拔承載力。
6 結(jié) 語(yǔ)
通過(guò)塊體集上限分析方法，本文研究了錨板的抗拔承載力和破壞面特性，并將分析結(jié)果與 Das[1]和Rowe[2]的錨板模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比，驗(yàn)證了塊體集上限法的有效性。然后運(yùn)用塊體集上限法分析了考慮斜坡地形的Khing等[3]條形錨板抗拔承載力試驗(yàn)，以及Rao和Prasad[4]的圓形錨板抗拔承載力試驗(yàn)，通過(guò)與模型試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，分析了斜坡地形條件下模型試驗(yàn)中采用拉桿加載的方式對(duì)于試驗(yàn)結(jié)果的影響，并對(duì)錨板試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷倪x取提出了合理的建議，（1）對(duì)于地表水平條件下，錨板模型試驗(yàn)中拉桿的影響可以忽略，但是對(duì)于斜坡地形條件下，拉桿的影響不能忽略；（2）斜坡地形條件下，淺埋錨板的模型試驗(yàn)應(yīng)盡可能采用trapdoor模型。
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