程冰男

（同济大学土木工程学院）

0 引言

土拱效应是实际工程和实验室中最常见的力学现象之一[1]。太沙基(1943)[1]通过著名的“活动门”试验验证了土拱效应的存在。土拱效应是由于相邻土体发生相对位移导致剪应力的发展，而引起土中应力重分布的现象。

对土拱效应的深入研究发现，土拱效应存在演化过程。针对土拱效应演化规律。Iglesia et al.(1999)[1]提出基于试验数据的土拱演化模型，他将土拱率-相对位移曲线划分为四个阶段。这之后，许多学者（Han et al.(2017)[2]、King et al.(2017)[3]）研究了填高等因素对土拱效应演化的影响。Rui 等（2016）[4]在讨论填土中土拱效应位移发展模式时指出，塔形发展模式TDP 在群拱条件下的trapdoor 试验中很少被观测到，而在数个单拱条件下的trapdoor 试验中被观测到，因而土拱数量对土拱效应的演化存在影响。

本文使用透明土用于近似模拟土颗粒开展活动门试验，通过设置对照组，从力学特征与位移特征两方面去研究土拱数量对土拱的形成与演化过程的影响。

1 模型试验

图1为室内活动门试验模型箱。试验模型箱的内部尺寸为：900mm(长)×500mm(高)×100mm(宽)。为在活动门和固定块上共布置了15 个土压力盒，图1（b）展示了活动门和固定块的上表面土压力盒分布情况。

图1 室内模型试验装置示意图 (a)正视图；(b)俯视图

（2）位移监测装置与材料

本课题所采用透明土由高纯度光学镀膜石英砂颗粒和工业白油配置而成，如图2所示。

试验主要监测内容为：trapdoor 与stable part 上覆土压力分布、trapdoor 的位移、基于PIV 技术的填土位移场。

通过控制变量探究单拱/群拱对土拱演化过程的影响，见表1。

表1 试验方案

2 试验结果分析

2.1 试验结果

图2展示了试验1 部分土压力盒与活动门相对位移关系。整体上，随着活动门相对位移的增加，活动门上的土压力经历了降低-稳定的过程，而固定块上承担了相应的力，因而经历了升高-稳定的过程。

图2 试验1 土压力的变化

2.2 拱数对土拱效应力学特征的影响

d 相对位移，%；

B 活动门宽度，本次试验为100mm。

对于试验1，相对位移在0～1.2%的初始阶段，土拱率随着相对位移的增加迅速由1 下降至0.72，说明较小的相对位移将引起较强的土拱效应；随着相对位移的继续增加，土拱率下降速率逐渐变缓直至在相对位移约为2.5 时土拱率达到最小值，最小土拱率为0.70。此时，土拱效应“完全”发挥，是拱效应最强的阶段。在相对位移约为4.2 后，土拱率呈现上升的趋势，逐渐由0.72 上升至0.76。在相对位移达到9.5%后，土拱率增加速度变得较为缓慢，进入最终的阶段。

试验2 中仅有中间位置处的trapdoor2 向下位移，因此只在中间位置处产生“土拱效应”。如图4所示单拱条件下，土拱率-相对位移曲线与群拱条件下有较大不同：相对位移0～1%，土拱率随着相对位移的增加迅速由1 下降至0.55，此后土拱率基本保持不变。单拱条件下最小土拱率、最小土拱率对应的相对位移、相对位移为20%时的土拱率均小于群拱条件下相应的值。因此，单拱条件，即周围无其他土拱效应形成的情况更有利于土拱效应荷载传递作用的发挥。

图3 不同拱数下土拱率-相对位移曲线

2.3 拱数对土拱效应位移分布特征的影响

PIV 技术可以使肉眼不可见的小位移可视化，图5、6 为通过PIV 技术得到的试验1 下相对位移为2.5%时竖向位移等值线图。

土拱效应是由于差异沉降引起的，在填土中形成剪切破碎带，那么土拱效应对应的位置应为位移分布快速变化的区域。由图5、6 可知土拱外侧形状近二次曲线，滑动面的冠部高度可以视为土拱高度，图5这一高度约为200mm（途中白色虚线所处的位置），约等于两倍的trapdoor 宽度；图6这一高度约为160mm，即单拱条件下形成的土拱效应的高度较群拱低40mm。

图5 试验1 竖向位移云图

图6 试验2 竖向位移云图

3 结语

（1）单拱/群拱条件会影响土拱效应的形成与演化。

（2）单拱/群拱条件下对土拱效应力学特征的影响：两条土拱率-相对位移（p-d ）曲线差异较大，单拱条件下最小土拱率、最小土拱率对应的相对位移、相对位移为20 时的土拱率均小于群拱条件下相应的值。因此，单拱条件，即周围无其他土拱效应形成的情况更有利于土拱效应荷载传递作用的发挥。

（3）单拱/群拱条件下对土拱效应竖向位移分布特征的影响：由PIV 得到的竖向位移等值线图表明，最大土拱效应阶段的土拱外侧形状近二次曲线，单拱条件下形成的土拱效应的高度较群拱条件下形成的土拱效应低40mm。