基于PFC的桩承式路堤的土拱效应模拟

本文摘要（由AI生成）：

土拱效应是土木工程中常见的现象，由Terzaghi在1936年证实。土拱效应指在荷载或自重作用下，土体产生不均匀沉降，土颗粒间互相“楔紧”，形成拱效应。这会导致围护结构后的土压力重分布。合理利用土拱效应可优化土体应力分布，提高工程效益。Terzaghi通过活动门试验得出土拱效应存在的条件：土体间的不均匀或相对位移，及拱脚的存在。本文利用PFC2D建立模型，模拟土体成拱作用，观察土拱效应的发展过程。通过改变桩身宽度模拟面积置换率的变化，施加不同荷载，观察土拱的稳定性。在特定荷载下，土体无法形成稳定土拱，超出地基承载能力。

土拱效应是土木工程中一个很普遍的现象，由Terzaghi（太沙基）在1936年通过活动门试验证实。

土层中的拱作用是在荷载或自重的作用下，土体发生压缩和变形，从而产生不均匀沉降，致使土颗粒间产生互相“楔紧”的作用，于是在一定范围土层中产生“拱效应”。由于土拱效应的存在，使得围护结构后的主动土压力产生重分布。合理利用土拱效应可使土体的应力重分布向对工程有利的方向发展，充分利用土体自身的抗变形能力。

Terzaghi 通过活动门试验证明了土拱效应的存在并得出了其存在的两个条件：

(1) 土体之间产生不均匀位移或相对位移；

(2) 作为支撑的拱脚的存在。

在PFC2D中建立模型，对土体成拱作用进行模拟。

基本过程为：首先生成边界墙体和线性接触的颗粒群，为边界墙体施加伺服功能，在指定的围压下进行模型平衡；

改变颗粒的接触属性，定义压实黏土的黏结属性，同时生成用墙体模拟的排桩（模型底部的方框行墙体），固定桩的位置，删除处于桩体中的颗粒，关闭墙体的伺服功能；

删除底部墙体，并设置重力场，运行模型观察球颗粒的接触力链变化发展过程。需要指出的是此处纯属为了直观观察土拱现象而删除了底部墙体，与实际情况不符，实际中桩间土体也是受到下部基础的支承作用的，更合理的模拟应为桩间土产生了竖向沉降。

 下图为土拱效应的发展历程，可以能够比较明显的看到土拱效应。

面积置换率的变化通过改变桩身宽度来实现，改变桩身宽度后的结果：

下图为在顶部施加竖向的200kPa的荷载时的结果，仍能形成稳定的土拱。

下图为在顶部施加竖向的400kPa的荷载时的结果，此时土体已经不能再形成稳定的土拱结构，已经超过了地基的承载能力。

完整代码及说明如下：