动荷载下桩承式路堤的承载特性及机制研究

对于桩承式路堤作用效应的研究目前主要侧重于对静荷载作用下桩土应力比和土拱效应等,较少考虑动荷载的影响,而车辆运行产生的动应力会对路堤中的土拱产生一定的影响,进而影响桩承式路堤的整体性能。为了分析静、动荷载作用下桩承式加筋路堤的性能变化,采用可视化模型试验和颗粒流数值模拟相结合的方法,对桩承式路堤在静载和动载下的应力传递和变形性状进行研究,分析动载作用下填土高度、桩帽、桩距、加筋形式、荷载频率的影响。试验结果表明,在动载下无筋路堤的桩顶的应力减小,而桩间的应力和位移增大,并且变化的幅度均比加筋路堤大,加筋材料的设置有利于减小动载的影响效应,但不同加筋形式下桩承式路堤的工作性状有所不同,受动载影响程度的大小主要与土拱效应的强弱有关。设置双层加筋时,因加筋材料与周围砂土形成半刚性平台,土拱效应减弱,故受动载影响的程度最小,单层加筋时,格栅设于桩顶上方10 cm比格栅置于桩顶受动载影响的程度明显减小,颗粒流的模拟结果验证了以上结果,并且进一步得出随荷载频率的增加、填土高度与桩净距的减小,动载的影响效应增大的结论。     

桩承式加筋路堤三维土拱效应试验研究

桩承式加筋路堤受力性状比较复杂,土拱效应对路堤的承载变形性状具有重要影响。通过三维土拱效应模型试验,研究桩-土相对位移、路堤高度、桩帽净间距和水平加筋体拉伸强度等因素对桩土应力比及路堤沉降的影响。结果表明：土拱效应发挥程度与桩-土相对位移密切相关,存在一个临界桩-土相对位移使得桩土应力比达到最大值,该临界桩-土相对位移约为6～8 mm。路堤高度与桩帽净间距之比越大,桩土应力比越大,路堤顶面差异沉降越小;桩帽宽度与桩帽净间距之比越大,桩土应力比越大,路堤顶面差异沉降越小。设置水平加筋体能有效提高桩土应力比并减小路堤顶面沉降;路堤越低,水平加筋体对桩土应力比的提高作用及对路面沉降的减小作用越明显;水平加筋体拉伸强度越高,这种作用越明显。桩承式加筋路堤三维土拱效应等沉面高度与桩帽净间距之比约为3.5。     

桩承式加筋路堤作用机理理论分析与数值模拟

软土地基上填筑高路堤常常面临地基承载力不足、沉降和不均匀沉降过大等问题。桩承式加筋路堤能够有效地解决这些难题。通过理论分析和有限元数值模拟,研究了路堤填土-加筋材料-桩体-桩间土之间的相互作用机理,讨论了路堤填土中的土拱效率、桩体效率、路堤底面差异沉降和筋材拉力的变化规律。研究结果表明,填土中的土拱效应和筋材张力膜效应能够有效地提高桩体效率,防止软土屈服;筋材内部拉力呈非线性分布,桩顶边缘处筋材拉力最大。     

长短桩组合路堤桩三维复合拱土拱效应分析

基于等长桩路堤桩土拱效应的Hewlett分析方法,提出均布荷载作用下长短桩组合路堤桩的三维复合拱土拱效应分析方法。采用有限元法形象描绘土拱效应形成的应力集中形态随长桩与短桩的桩长比不同时的变化,基于此提出三维复合拱的基本理论框架。引入土拱效应系数来表征土拱的强度状态,建立桩帽顶部平面的应力平衡微分方程,结合边界条件及土拱效应系数之间的关系计算长桩和短桩的桩-土应力比;当加筋体存在时,分区域对加筋体进行变形假设,建立考虑加筋体拉力的桩帽顶部应力平衡微分方程。与离心模型试验和现场实测结果及有限元方法的模拟结果进行比较,验证了此方法的合理性,进一步开展参数分析对主要影响因素进行等级评价。分析表明,加筋体的存在明显增大桩-土应力比,尤其当桩帽覆盖率比较小时效果更为明显。     

桩承式加筋路堤的现场试验及数值分析

对一桩体面积置换率为8.7 %的低置换率桩承式加筋路堤进行了现场试验及三维有限元分析。现场主要进行了桩、土荷载分担,孔压、沉降及侧向水平变形等内容的观测。将观测数据与常规设计方法及三维有限元分析结果进行了对比研究,在此基础上对设计方法的适用性进行了分析。研究结果表明,路堤填土的土拱效应造成荷载向桩体转移,这种荷载转移大幅度减小了在软土层中产生的超孔隙水压力。当填土高度大于2.5 m时,土拱效应的应力折减系数可用Russell和Pierpoint或Hewlett和Randolph提出的土拱效应分析方法进行计算,其结果与三维有限元分析也较相符,但在路堤高度较小时,只有Russell和Pierpoint方法与实测结果相接近。路堤施工过程中,实测的水平变形与沉降之比仅为0.2左右,这表明采用桩承式加筋路堤不仅可减小沉降,而且可减小水平向的变形,提高路堤的稳定性。     

考虑桩土差异沉降影响的桩网复合地基桩土应力比分析方法

桩土应力比是桩网复合地基或路基设计的重要控制参数,受土拱效应、拉膜效应和桩土相互作用及其耦合作用的综合影响,为此,本文首先引入几何同心拱模型,考虑桩土差异沉降与土拱发挥程度的关系,建立了新型桩网复合地基土拱效应分析模型,并根据水平加筋网变形特征将水平加筋网变形曲面视为球面与柱面的组合,建立了反映桩土差异沉降影响的拉膜效应分析模型。然后,考虑桩土相互作用及桩土差异沉降,建立了考虑路基填土、网、桩土加固区耦合作用的桩网复合地基荷载传递分析模型,进而提出了其桩土应力比分析新方法。该方法不仅能反映土拱效应、拉膜效应和桩土相互作用对桩土应力比的影响,而且还能反映桩土差异沉降对三者发挥程度的影响。最后,通过工程实例计算以及与现有同类相关方法的比较分析,表明了本文分析模型与方法的可行性与合理性。     

桩承式路堤土拱效应三维离散元分析

为探究桩承式低路堤的空间土拱效应演化规律,采用PFC3D软件建立了3种不同高度低路堤三维活动门颗粒流模型。将试验结果与既有解析解进行对比,分析路堤内部竖向土压力分布特点、土拱发展模式和土体的沉降变形规律。研究结果表明, 桩土荷载分担比达到稳定状态时4桩顶部形成力链球状拱结构,构成荷载传递路径,应力拱拱高随填土高度的增加表现出先增加后稳定的变化;挡板不同位置土拱率■的变化特点显示土压力分布不均匀,呈现出4桩中心大于2桩中心大于2桩中心两侧的分布特点,土拱率■稳定值处于0.2～0.4内;从变形的角度来看,依据土体竖向沉降量沿高度的分布可判断等沉面高度约为1.2B（B为桩净间距）,等沉面以下桩间土上部沉降量大于桩顶上部土体,随埋深的增加差异沉降不断增大,总体呈现下凸状;土体的滑裂面形状存在三角形扩展式和等沉面式,在等沉面破坏模式中土体内部滑裂面呈现为穹顶状。提取桩间土整体平均土压力、4桩中心（区域Ⅰ）土压力、2桩中心（区域Ⅱ）土压力以及两桩中心两侧（区域Ⅲ、Ⅳ）土压力随活动门下移量的变化并进行归一化处理,得到不同填土高度土拱率随下降位移的结果,如图7所示,归一化位移量为挡板下移量与桩净间距B的比值。     

桩承式路堤土拱形成及荷载传递机制离散元分析

土拱效应是桩承式路堤中影响荷载传递的关键因素。基于前人的室内模型试验,建立了桩承式路堤离散元（DEM）数值分析模型。基于路堤中应力偏转规律对土拱随桩土相对位移的形成规律进行了分析。在该基础上提出了合理拱轴线土拱模型,并引入荷载传递系数? 对土拱与土拱下方路堤填料间的荷载传递进行量化分析。模拟结果表明,桩土相对位移引起路堤中应力主方向发生偏转并形成虚拟土拱;土拱形态及高度随桩土相对位移的变化而变化,最大拱高约0.8倍桩净间距;? 随土拱高度的增加呈对数关系减小。     

路堤下现浇薄壁管桩复合地基工作特性分析

现浇薄壁管桩和土工格栅加筋碎石垫层所组成的复合地基加固软弱路基具有经济合理，施工时间短，承载力高，沉降减小明显等优点。采用非线性有限元对路堤荷载作用下的现浇薄壁管桩复合地基的工作特性进行了分析，结果表明：在路堤荷载作用下，路堤填土材料中的拱效应、土工格栅的拉膜效应或加筋垫层的刚性垫层效应、桩土间刚度差异引起的应力集中效应保证了大部分荷载由桩承担，有效地减小了总沉降和不均匀沉降。同时对荷载传递机理的影响因素做了分析.     

桩-网加固拓宽路堤土拱效应试验研究

采用桩-网加固拓宽路堤时,土拱效应对于分析新老路堤应力分布和差异沉降有至关重要的作用。依托某高速公路路堤拓宽项目对土拱效应进行研究,对试验段新路堤填筑过程及运营时基底桩及桩间土不同位置处土压力、加筋层拉应变进行监测,得到二维平面土拱效应的变化规律,并利用已有土拱效应计算方法对现场实测结果进行对比验证。结果表明,平面土拱作用范围在一定高度范围内,试验段约为2.0 m,即拱高、拱跨之比约为1.4,与英国规范BS8006[1]相近;按Guido法[2]与BS8006法[3]进行土工格栅的设计均过于保守,除Guido法以外,几种方法均低估桩间地基土的承担荷载贡献。因此,需在理论上作进一步研究。     

循环荷载下低填方桩承式路堤动力响应分析

低填方桩承式路堤在交通荷载下的动力响应特性与路堤的承载能力及其稳定性密切相关。基于前人的室内模型试验,采用PFC2D软件建立了桩承式路堤离散元数值分析模型;采用数值双轴试验、数值单向压缩试验分别对路堤填料和桩间土的细观参数进行了标定;同时,根据路堤荷载传递效率对模拟结果与试验数据进行了对比分析,验证了离散元数值模型的正确性及适用性。在此基础上,在低填方路堤表面施加正弦波循环荷载,并对路堤荷载传递效率、接触力分布及路堤沉降等的变化规律进行了分析。模拟结果表明：在循环荷载作用下,低填方路堤中土拱结构的承载力先逐渐弱化并最终趋于稳定;该弱化作用在宏观上表现为路堤荷载传递效率的逐渐降低,而在细观上则表现为桩顶及桩间土上方接触力差异程度的逐渐减小;同时,土拱结构的弱化将不断加剧路堤表面的不均匀沉降。     

桩承式加筋路堤格栅分析

将单桩等效处理范围简化为圆柱体,假定桩间土上部的格栅受上覆土压力作用后变形为二次抛物面,考虑路堤中的土拱效应,得到了格栅受力分析的解析方法。当路堤中的土拱处于弹性状态时,格栅对提高桩体荷载分担比的作用不大;当路堤中的土拱处于塑性状态时,格栅对提高桩体荷载分担比有明显的作用;当格栅与地基的相对刚度较小时,格栅对减小桩间土沉降的作用很小。最后对一个模型试验结果和一个工程实例进行了分析。     

高铁荷载下桩承式路基动力响应及土拱效应研究

土拱效应的作用机制是桩承式路堤荷载传递的关键性技术问题,然而高铁荷载作用下桩承式路堤中土拱效应的研究尚不充分。基于高铁设计规范的相关内容,建立了高铁荷载作用下桩承式路堤三维有限元分析模型,并采用已有研究结论验证了数值模型的正确性。根据该数值分析模型,首先分析了高铁荷载作用下路基的动力响应,研究了高铁荷载作用下道床和路堤不同位置处的竖向位移随时间的变化规律,以及路基中速度与加速度沿深度的分布规律。研究发现：道床和路堤表面处的竖向位移随时间变化呈倒“M”型周期变化,而路堤底部处呈“V”型周期变化;速度与加速度在路基深度范围内衰减了80%。通过变化桩间距、路堤高度以及路堤材料参数,分析其对高铁荷载作用下路堤应力和沉降发展规律的影响,进而分析其对土拱效应的影响。研究结果表明：动载作用下土拱效应依然存在,但有所减弱,动载峰值作用下减弱程度最大,谷值情况下有所恢复;桩间距和路堤高度对高铁荷载作用下桩承式路堤中土拱效应的影响较为明显,而路堤填料内摩擦角和剪胀角的影响则相对较小。     

Field Test Research on Embankment Supported by Plastic Tube Cast-in-place Concrete Piles

The plastic tube cast-in-place concrete pile (TC pile) with a small diameter consists of pre-driven plastic tube filled with concrete. Based on the case of TC pile-reinforced embankment on soft ground, and according to the monitoring data of the TC pile-reinforced embankment system, the treatment effect and reinforcement characteristics for this system were analyzed. The field monitoring results indicates that the critical height of embankment is about 1.1 times the pile net spacing, and the small-spacing arranged TC piles can be applied to low embankment engineering; the load share rate can reflect the degree of soil arching more better and steadily and exceeds 70 % at the end of monitoring period; the settlements of pile cap and soil between piles mainly occurs in the embankment construction period; the different settlement between pile cap and soil approaches the maximum and then reduces gradually when the embankment height is about 2.2 times the pile net spacing. The variation of layered settlement and pore water pressure illustrates that the embankment settlement is mainly caused by the compression of soils within pile length, which is about 90 % of the total settlement; the influence depth of pore water pressure is about 1/3 pile length.     

基于颗粒介质的桩承式路堤土拱效应试验分析

土拱效应的形成和荷载传递机制是进行桩承式路堤中桩土相互作用分析的关键性技术问题。为了探究宏观土拱效应形态的演化过程,借助于传统的光弹试验技术,研制出一种直径为3 mm的聚碳酸酯颗粒,通过自制的加载装置和光测力学图像处理系统,实现了桩承式路堤内部应力分布的可视化,直接观测到模型内部力链网格的产生、分布及变化,求得不同高跨比下桩土应力比变化,并与数值模拟的对比分析。结果表明,随着高跨比的减小,土拱形状由三角形变为半圆形,桩土应力比逐渐减小,当填土高度与桩间距的比值 时,可以形成完整的土拱;当 时,土拱效应开始消失。     

静动荷载下桩网结构路基模型试验研究

通过室内模型试验测试了桩网结构路基各部分在动静两种荷载下的桩-土应力、格栅拉力,研究了土拱效应的发展演化机制以及土工格栅拉膜效应的发展特点。试验结果表明：桩-土应力以及格栅拉力的分布都是路基横截面方向上大于其纵向延伸方向,这与路基的梯形截面设计相关;空间土拱效应要强于平面土拱效应,空间土拱效应的极限状态出现在桩-土应力比为3.8时,平面土拱效应的极限状态出现在桩-土应力比为2.2时;动荷载下土拱效应较静载有一定的衰减,且静载下土拱效应越强的部位在动载的下衰减程度越大,桩间土压力随振次的发展趋势类似N型,与桩顶土压力的变化趋势正好相反。     

高速公路拓宽工程沉降控制复合地基优化设计

按沉降控制设计理论,结合有关公路设计规范、路面功能性和结构性的要求以及有限元法分析路基差异沉降引起路面附加应力的计算结果,提出了采用工后路基路拱横坡度变化小于等于0.45 %作为软土地基上高速公路拓宽工程的容许新老路基差异沉降控制标准。采用有限元法对佛山-开平高速公路拓宽工程标准断面进行分析,采用不同参数计算出水泥土搅拌桩复合地基的新老路基差异沉降。根据沉降控制标准,优化出既满足新老路基差异沉降控制要求,又效益最优的高速公路拓宽工程软土路基水泥土搅拌桩处理的设计参数,即工程水泥土搅拌桩采用面积置换率为8.9 %(对应桩间距1.6 m),桩长8 m,桩径为0.5 m,水泥掺入比为15 %;实际使用时,考虑桩土存在一定的不协调,可适当提高桩体面积置换率达10.1 %（对应桩间距1.5 m）。