土拱效應是土木工程中一個很普遍的現象，由Terzaghi（太沙基）在1936年通過活動門試驗證實。
基本介紹
- 中文名：土拱效應
- 學科：土木工程領域
- 發現人：太沙基
- 發現時間：１９３６
詳細內容,效應介紹,產生存在條件,土拱形態研究,複合地基,
詳細內容
效應介紹
在土力學領域，土拱是用來描述應力轉移的一種現象，這種應力轉移是通過土體抗剪強度的發揮而實現的。太沙基(1936)通過活動門試驗證實了土拱效應的存在。土拱作用是指支撐剛度較大而圍護結構剛度較小，牆后土壓力局部增大的現象。局部土體產生移動，而其餘部分保持原來的位置不動，土中的這種相對運動受到土體抗剪強度的阻抗，使移動部分土體的壓力減小，而不動部分上的壓力增加。
土層中的拱作用的產生與拱結構物不一樣，拱結構是把材料製成拱形狀，在荷載作用下發揮其承受壓力的作用;而土拱有其自身的形成過程:在荷載或自重的作用下，土體發生壓縮和變形，從而產生不均勻沉降，致使土顆粒間產生互相“楔緊”的作用，於是在一定範圍土層中產生“拱效應”。由於土拱效應的存在，使得圍護結構後的主動土壓力產生重分布。值得注意的是，土體中除了豎向存在土拱效應外，水平方向同樣存在著土拱效應。合理利用豎向及水平向的土拱效應可使土體的應力重分布向對工程有利的方向發展，充分利用土體自身的抗變形能力。
土拱效應是岩土工程中一個很普遍的現象。活動門試驗是一個最經典的例子。很多學者對活動門模型進行了試驗和數值研究，研究結果己被用於很多地下結構的設計中。在地下管道工程實踐中，測得管道上的土壓力並非上覆土的重力，其中主要的原因就是由於土拱效應的影響，主應力方向發生了偏轉。在非岩石地層中開挖坑道，坑道周圍地層就會產生變形或錯動，因而產生應力釋放現象，這種應力釋放現象實際上是坑道周圍應力向臨近部分傳遞的結果，即土拱效應的結果。
產生存在條件
Terzaghi 通過活動門試驗證明了土拱效應的存在並得出了其存在的兩個條件：
(1) 土體之間產生不均勻位移或相對位移；
(2) 作為支撐的拱腳的存在。
2015年，中國工程師譚可源撰文提出：Terzaghi提出的第2個條件“存在作為支撐的拱腳”欠妥，因為土拱產生了，自然有拱腳，“存在拱腳”是土拱存在的一個表現，但拱腳需要支撐卻是必須的，所以認為Terzaghi提出第2個條件修改為“存在支撐拱腳的條件”較為合適。此外，譚可源還提出了另外一個條件“ 土體顆粒間具有足夠的黏結力與摩擦力”，故此，譚可源提出土拱效應存在的條件是（按照需要的先後次序表述）:
(1) 土體顆粒間具有足夠的黏結力與摩擦力；
(2) 存在支撐拱腳的條件；
(3) 土體內部產生不均勻位移或相對位移。
土拱形態研究
研究表明，在剛性樁複合地基中，樁體承受的荷載作用要比樁間土承受的荷載作用大得多，這就是土拱效應作用所致。土拱效應和土拱的形態息息相關，但是，土拱效應提出以來，對土拱具體形態的研究不多，直至近20年來才進行較多，之前的研究寥寥可數。總結而言，目前提出的比較重要的土拱具體形態有：Carlsson提出的三角拱形模型；B. K. Low等L2J的半圓形模型；W. J. Hewlett和M. F. Randolph}3」的半球形模型；中國科學院院士陳雲敏等根據HEWLEIF模型試驗結果提出的半球殼形模型。
2015年，譚可源提出一種關於剛性樁複合地基土拱效應的三維土拱模型，並作出了理論證明，與既有的土拱模型不同，為區別於既有的土拱模型，稱為譚氏土拱模型，簡稱“譚氏拱”。
譚氏拱的主要特徵是：
1、是複合的多向空間拱結構，由基拱和頂拱組成，基拱主要支承在樁頂托板上，理論上向兩側無限延伸；
2、頂拱與基拱之間的立體關係存在2種可能： A、 頂拱與基拱之間呈直觀明了的上下支撐關係，B、頂拱與基拱之間的上下支撐關係不是非常直觀明顯、有上下支撐關係但呈相互交錯狀，頂拱拱腳深入基拱內部；
3、基拱、頂拱的厚度都是漸變的，拱頂處最薄，由拱頂往拱腳厚度逐漸變厚，而且相鄰的兩個基拱的拱腳相互交叉，相鄰的兩個頂拱的拱腳也相互交叉。
譚氏土拱模型示意圖複合地基
剛性樁複合地基得到了廣泛的套用，成功的案例很多，但也不乏失敗的案例。與廣泛的套用形成鮮明對比的是：剛性樁複合地基的理論研究卻明顯滯後，而且有點混亂，在全國性的專業學術會議上就有專家指出，剛性樁複合地基的套用是走在理論研究前面的。傳統的剛性樁複合地基土拱效應理論觀點和套用的現狀是：
1、認為剛性樁複合地基的受力機理是樁體和樁間土共同承載、兩者承擔不同比例的荷載，基於這個觀點，不少研究者都研究、嘗試如何讓樁間土承擔更多荷載作用，以便節省剛性樁的投入、節省工程造價。
2、認為樁體能夠比樁間土承擔比較多的荷載作用是因為土拱效應的作用所致，但是土拱效應是如何起到這個作用的，荷載作用的傳遞機理如何，一直以來都不甚明了。
3、對土拱效應的研究至今仍然沒有一個公認的研究成果，仍存在多方面值得探討、需要探討的問題，土拱模型的研究主要還是建立在假設的基礎上，尤其對幾何參數的研究，主觀因素很大。
2015年，譚可源提出一種關於剛性樁複合地基土拱效應的新觀點，並作出了部分理論證明和實例論證，與既有的土拱效應理論觀點不同，為區別於既有的土拱效應理論觀點，稱為剛性樁複合地基的譚可源土拱效應理論，其主要觀點是：
1、土拱實際上起到了傳遞拱腳以上全部荷載的作用，產生了土拱的剛性樁複合地基上部的荷載最終全部都是由樁承擔的，樁間土並沒有實質上承擔到設計的荷載。因此，如果從樁和樁間土是否共同承擔荷載來界定複合地基的觀點來看，這種地基類型不屬於複合地基。
2、以往的工程觀測實例中觀測到的樁間土應力實際上只是土拱下的離空下沉部分的錐形土堆對樁間土產生的應力。
3、土拱是複合的多向空間拱結構，由基拱和頂拱組成，不管樁體間距、托板長寬如何，基拱均為單向拱，頂拱則為四個拱腳長度（取決於樁體縱橫向的間距）相近的雙向拱。
4、土拱沒有明顯的輪廓線。實體土拱不像拱橋的拱那么規整、邊線順直圓滑，厚度也不像拱橋的拱那么一致。
5、無論基拱還是頂拱，沿拱的方向，都存在土拱效應等效線，土拱效應等效線都是由拱頂向兩側拱腳發散的，同一等效線上的各個土體微單元側面受到的法向壓應力是相等的。
6、載入過程中土拱軸線不恆定；荷載穩定後，土拱軸線才趨向恆定；預壓完成後，荷載沒有變化時，土拱軸線應該是恆定的。
7、土拱效應終止於路堤等沉面以下。
8、土拱內的土體密度比土拱外的大，越靠近拱底，密度越大。
9、理論上，基拱寬度可等於樁頂托板的寬度。但在實際套用上，因為受到多種因素的影響，基拱寬度應該按照略小於樁頂托板的寬度來考慮。雖然理論上，拱腳長度無限延伸，但是，實際起到主要作用、關鍵作用的部分是在托板上的部分，只有托板上的拱腳穩定可靠，整個土拱才可能保持穩定。因此，可以把基拱簡化為拱腳長度等於或略小於樁頂托板長度來考慮。所以，在實際套用上，拱腳長度、基拱的厚度都應該按照略小於樁頂托板長度、寬度來考慮，如取0.9的係數。
10、實體土拱的三維結構分析：
（1）等沉面客觀存在，說明實體土拱土拱效應的終止線，該終止線與等沉面相切，另一方面，說明土拱效應強度存在一個由拱底向拱頂逐漸變小的漸變現象。
（2）頂拱與基拱之間的立體關係存在2種可能（具體是哪一種，有待驗證）： A、 頂拱與基拱之間呈直觀明了的上下支撐關係，這種模型下，頂拱土拱效應的終止線與等沉面相切，而基拱土拱效應的終止線距離等沉面有一段距離。 B、頂拱與基拱之間的上下支撐關係不是非常直觀明顯、有上下支撐關係但呈相互交錯狀，頂拱拱腳深入基拱內部。這種模型下，基拱頂面接近頂拱頂面，甚至與頂拱頂面持平、位於同一水平面上；頂拱土拱效應的終止線與等沉面相切；基拱土拱效應的終止線接近等沉面、甚至也與等沉面相切。
（3）不論頂拱與基拱之間的立體關係如何，在相鄰的兩個頂拱中間處，頂拱土拱效應終止線都無限接近等沉面。
（4）基拱、頂拱的厚度都是漸變的，拱頂處最薄，由拱頂往拱腳厚度逐漸變厚，而且，相鄰的兩個基拱的拱腳是交叉的，相鄰的兩個頂拱的拱腳也是交叉的。
11、拱腳不同部位的應力不均勻，而且托板上的幾個拱腳應力對托板產生疊加效應，致使托板上的應力不均勻。
12、鑒於土的散體性質，土拱不可能是扁形的拱，穩定土拱的最終淨矢高應該大於其淨跨徑的1/2。
13、土拱淨跨徑L0越大，淨矢高H0越大，淨矢跨比（H0/ L0）也越大。
14、基於上述認識，拱上任一點的應力不能簡單按照某一種線型來推導。
