加筋桩承式路堤的三维土拱效应分析与试验验证

为真实反映加筋桩承式路堤的土拱效应,采用三维球形土拱假设,建立了一种路堤荷载和均布荷载共同作用下的土拱效应分析方法。基于Hewlett土拱分析方法推导了无加筋体时路堤荷载和均布荷载作用下的桩土荷载分担表达式;对于加筋桩承式路堤,依据桩帽顶部加筋体沉降的特征,将加筋桩承式路堤分为2个部分,采用不同的沉降假设分别建立其竖向平衡方程,求得桩帽顶面和桩间土表面对加筋体的支撑力;通过离心模型试验和现场实测结果进行对比验证,采用参数分析法对影响土拱效应的主要因素进行等级评价。结果表明：加筋体抗拉强度对桩土应力比以及加筋体拉力均具有很高的影响等级,研究结果能够为分区域铺设加筋体提供理论依据。     

加筋对桩承式路堤变形模式与土拱效应影响试验

对于桩承式加筋路堤,加筋改变了路堤底面的变形形态,不可避免地将对路堤变形模式与土拱效应产生影响。为了深入分析加筋的影响,利用开发的多沉陷门(Multi-trapdoor)试验装置和椭圆钢棒相似土填料,开展未加筋桩承式路堤试验并得到不同参数组合下存在的3种变形模式,选取3种变形模式的代表性试验,开展相同参数条件下的加筋试验以及4种不同填料高度和3种不同加筋刚度的桩承式加筋路堤试验。通过粒子图像测速技术(PIV)和自制三点式载荷计准确测试得到全场位移及桩顶和桩间土压力。结果表明:加筋后,未加筋桩承式路堤的三角扩展型和塔形升高型变形模式转化为同心椭圆扩展模式,等沉面模式转化为同心圆等沉模式;2种变形模式之间转化的临界高度为1.5倍桩间净距,但等沉面的高度仅为67%的桩间净距;加筋对土拱效应发挥起到了双重作用,一方面,加筋减小了差异沉降,导致土拱效应发挥程度降低,另一方面,加筋改变了路堤变形模式,为"同心圆"土拱提供了稳定的拱脚,使得土拱效应发挥程度提高;在填料高度低,加筋刚度高的情况下,土拱效应发挥程度进一步降低;而填料高度高,加筋刚度低时,土拱效应达到了充分发挥所需的差异沉降,加筋对土拱效应有提高作用;张拉膜效应发挥程度随加筋刚度增大而提高,且随着桩间土下沉而提高,导致土拱效应减弱。     

桩承式路堤土拱演化的二维钢棒相似土模型试验

为了解桩承式路堤的变形类型与土拱效应随桩间土下沉的演化规律,并为参数取值提供参考,开发了可考虑桩承式路堤多个单元相互影响的多沉陷门(Multi-trapdoor)试验装置,考虑填料高度H、桩间净距s-a与桩径参数a,进行了1组随桩间土下沉的土拱演化模型试验。试验采用椭圆钢棒相似土作为填料,将采用砂填料的平面应变试验简化为二维试验条件,消除了前后挡板摩擦力的影响。通过粒子图像测速技术获取了填料随桩间土下沉过程的全场变形,利用自制荷载板精确地测试了填料底面的桩土荷载分布,得到不同参数组合下的桩承式路堤土拱变形类型和桩土应力比变化规律;同时利用试验结果总结了3种演化模式的适用条件。结果表明:钢棒相似土能够很好地模拟实际砂填料的平面应力-应变特性,桩承式路堤土拱效应存在三角形扩展型和等沉面型2种主要的演化模式,与三角形扩展模式相比,等沉面模式路堤表面无差异沉降,土拱效应发挥程度高,且桩土应力比随桩间土下沉降低比例较小,另一种塔形升高模式可以看作三角形扩展型向等沉面型转变的一种过渡模式;低路堤桩承式路堤宜调整桩土截面尺寸以提高相对填料高度H/(s-a),使得路堤变形进入等沉面模式。     

桩承式路堤土拱效应下的荷载传递机制离散元分析

土拱效应是路堤填料因沉降特性诱发的一种应力重分布现象,也是桩承式路堤中影响荷载传递的关键因素。文章基于离散元法构建了桩承式路堤二维数值模型并验证其有效性,然后利用路堤荷载传递效率、应力主方向以及接触力链等宏细观指标,对土拱效应下荷载传递机制进行研究。主要结论如下:不同桩间距的桩承式路堤的荷载传递效率E随填料高度h增大呈指数增长;格栅加筋能够有效提高桩承式路堤荷载传递效率;离散元裂隙网络能够较好展现桩承式路堤模型中应力重分布现象并验证了土拱效应的存在,同时也表明应力主方向偏转是土拱效应产生的实质;接触力链能够有效反映桩承式路堤荷载传递规律以及土拱效应随着桩间距的增大逐渐减弱的趋势。     

桩帽连梁支撑式路堤土拱机理数值分析

上覆硬壳层缺失的深厚软土地基中基桩由于侧向约束薄弱和受压杆稳定影响存在失稳风险。桩帽连梁结构增加了地基承载力和稳定性,已逐步应用于实际工程中,但目前对于桩帽连梁支撑式路堤荷载传递机理和土拱效应相关的研究较少。通过ABAQUS大型有限元计算软件建立不同填土高度下桩帽连梁支撑式路堤三维简化模型,对桩帽连梁支撑式路堤的沉降变形特性、应力分布规律以及荷载传递机理等进行分析。结果表明,高填路堤桩帽顶、地梁顶以及桩间土顶之间的填土均存在差异沉降,桩间土与桩帽地梁之间以及地梁与桩帽之间均会形成土拱,最终填土荷载主要由桩帽承担。路堤填土竖向应力沿深度存在峰值点,峰值点以上的路堤应力分布与填土自重规律基本一致,峰值点以下的路堤应力沿深度递减,且峰值点高度略低于实际的等沉面高度。     

筒桩桩承式路堤土拱效应的三维数值模拟

考虑大直径薄壁筒桩所特有的大桩径、大桩距的特点,对筒桩桩承式路堤中的土拱效应进行了三维有限元数值模拟。重点分析了筒桩桩承式路堤中的竖向应力分布规律、大主应力方向以及土拱效应系数等反映土拱效应的变量,同时探讨了筒桩桩承式路堤中桩帽对土拱效应的贡献。计算结果表明,随着堆载高度的增加筒桩桩承式路堤中的竖向应力随深度非线性减小;大主应力方向平行于两相邻桩帽之间的圆拱连线,且桩帽的存在使土拱效应的发挥程度提高了40%之多。研究结果为工程应用提供了一定的理论基础。     

软土地基上刚性桩一路堤共同作用分析

针对桩承式路堤工作性状比较复杂、对路堤—桩—土之间共同工作机理的认识还不是十分清楚的问题，建立了考虑土桩路堤变形和应力协调的平衡方程，分析了三者协调工作时路堤、桩、土的荷载传递特性，获得了路堤的土拱效应、桩土荷载分担、桩和土的沉降等结果。将本文的方法与弹塑性有限元计算结果进行了对比，验证了该计算模型的合理性，同时应用所提出的方法，对杭甬高速公路拓宽工程进行了分析。     

土拱效应、应力扩散效应、应力集中效应和桩承式路堤

质疑土拱效应中存在土拱,因"无法探测土拱",使得土拱的形态、形成和应力转移的各种推测均无法验证,土拱效应的计算方法繁多而不能统一,"土拱"的假设制约了土拱效应理论的发展。分析了颗粒结构应力传递的特点,提出应力扩散效应是土体中应力分布基本特性的全新观点。根据应力在扩散范围内具有向强支承面自动集中获得平衡的规律,提出土体中还存在应力集中效应。当土体中应力集中现象发生重迭时,就会产生土拱效应。桩承式路堤中填土超过等沉面高度h0后,桩顶的应力集中效应覆盖整个路堤面,路堤即出现土拱效应典型的应力分布现象。土拱效应是土体抗剪强度通过应力扩散实现的应力转移现象,土拱效应中不存在土拱,土的应力集中效应和土拱效应都是土的应力扩散效应的衍生效应。提出计算桩承式路堤中等沉面高度h0的通用公式。等沉面高度h0不仅与桩净距有关,更与填土的性质有关。     

桩承式路堤土拱效应分析

基于单桩等效处理范围内堤身土体受力平衡,改进了传统的HEWLETT极限状态空间土拱效应分析方法,求得了桩体荷载分担比计算的解析表达式。研究了桩间距、桩帽大小和填料内摩擦角对桩体荷载分担比的影响。研究表明:土拱处于弹性状态时,改进方法计算出的桩体荷载分担比小于HEWLETT极限状态计算结果;土拱处于塑性状态时,改进方法计算结果与HEWLETT计算结果相同。设计桩承式路堤时,若填料内摩擦角较大,则应优先考虑增大桩帽宽度来提高桩体荷载分担比;若内摩擦角较小,则可适当减小桩距来提高桩体荷载分担比。大内摩擦角填料有助于提高桩体荷载分担比。给出了桩体荷载分担比计算图,便于工程应用。最后对一个工程实例作了分析。     

桩承式路堤考虑筋材作用桩土应力比分析

针对Hewlett土拱理论设计桩承式加筋路堤桩土应力比时没有考虑筋材作用的缺陷,在Hewlett土拱理论的基础上考虑筋材的作用,建立路堤土拱、筋材与路堤土体相互作用的力学模型,推导出考虑筋材作用下桩承式路堤桩土应力比的计算公式,并通过广梧高速公路一试验段工程实测数据的对比分析,验证了改进算法的合理性和可靠性。     

考虑土拱效应的双向增强复合地基沉降计算

深入分析路堤中心线一个桩中心距范围内路堤填土—加筋垫层—复合地基的相互作用,借助"自然平衡拱"理论分析路堤填土中的土拱效应,将双向增强复合地基中的桩、桩间土视为不同刚度的弹簧体系,土工加筋垫层视为置于弹性地基上的Timoshenko梁,梁上作用经土拱效应调整的路堤荷载,梁下作用桩、桩间土提供的竖向反力,基于弹性地基梁理论提出了考虑土拱作用的双向增强复合地基的沉降计算新方法,结合工程实例验证了本文沉降计算方法的可行性。     

土拱效应计算理论比较与讨论

系统地阐述了土拱效应的起源、验证与发展，并详细介绍了土拱效应在桩承式路堤、挡土墙、被动桩等领域中的应用。将各领域中的土拱方法分为微分单元法与合理拱轴线法，指出各方法中理论上的区别及计算结果差异。微分单元法起源于粮仓效应中的Janssen连续介质模型，最先由Terzaghi提出，后续学者对微分单元法的改进也借鉴了改进的Janssen模型思想；合理拱轴线法即“结构拱”法，起源于普氏拱理论，与土拱效应应力转移本质有些出入。最后，讨论了微分单元法中的侧土压力系数与应力偏转迹线等相关问题，提出了侧向土压力系数新的表达形式，改进了以往水平方向静力不平衡问题，将微分单元法引入抗滑桩，为抗滑桩土拱效应的研究提供了新的思路。     

基于PFC的桩承式路堤土拱效应机理研究

应用PFC3D软件,模拟桩承式路堤土拱效应,分析土体颗粒体系中力链的分布情况及土体孔隙比、配位数与土拱效应的关系。研究结果表明:桩土相对位移出现时,路堤土体中力链明显偏转,并发展成一拱形;土体成拱过程中,孔隙比会发生突变;桩土相对位移对路堤土体的影响存在渐进性;配位数在路堤土体中的分布,呈现中部高于上、下部的趋势,证明土拱拱体的形成;在较小或较大相对位移情况下,土体内部颗粒运动比较活跃,土拱效应发挥明显。     

桩承式加筋路堤关键问题研究

利用弹塑性有限元方法研究了桩承式加筋路堤应用中的几个关键问题,包括桩承式路堤的沉降组成和分布规律、适用条件、荷载分担比的影响因素等。具体研究了未打穿软土层情况下不同路堤高度时的路堤沉降规律,在打穿和未打穿2种情况下荷载分担比随桩托板尺寸、桩间距、路堤高度等因素的变化规律及土工格栅的作用。结果表明:路堤沉降主要取决于桩端以下软土层的压缩;荷载分担比随桩托板尺寸和路堤高度的增加而增大,随桩间距的增加而减小;土工格栅对荷载分担比和路堤沉降影响都不大。     

桩承式加筋路堤等沉面高度影响因素分析

以台缙高速公路桩承式加筋路堤工程为依托,利用有限差分软件FLAC3D建立了桩承式加筋路堤三维数值模型,研究了桩帽净间距、路堤填土内摩擦角、路堤填土粘聚力、水平加筋体拉伸强度对等沉面高度的影响。计算结果表明:等沉面高度与桩帽净间距的比值为3.0~3.7;路堤填土内摩擦角越大,等沉面高度越小;路堤填土粘聚力、水平加筋体拉伸强度的大小对等沉面高度没有影响。     

交通荷载作用下公路路基动力特性的数值模拟研究

根据交通荷载的特性,应用ABAQUS有限元软件进行数值模拟,将交通荷载作用下的公路路基简化为三维立体模型,采用拟静力法来分析动态的数值问题,分别以静荷载、移动恒定荷载和正弦荷载的形式模拟交通荷载.从现有的弹塑性土体本构关系入手,建立路基土有限元模型,通过模型参数的确定,对路基土在交通荷我作用下的动力响应进行数值分析和计...     

复合地基中桩帽作用数值分析及桩帽承载力计算

采用三维快速拉格朗日分析程序,依据某路基试验段的工程地质和设计施工情况建立了路堤荷载下带桩帽刚性桩复合地基数值分析模型,分析了桩帽直径变化对刚性桩复合地基沉降的影响,结果表明:桩帽直径的增大能够起到提高桩荷载分担比、减小复合地基总沉降和桩土沉降差的作用,桩帽直径的变化对下卧层沉降的影响较小。根据相关文献的研究成果,建立了路堤荷载下素混凝土圆板桩帽和倒圆台桩帽的承载力计算方法,并结合实例验证了承载力计算方法可靠性。研究成果可为路堤荷载作用下刚性桩复合地基中素混凝土桩帽的设计提供参考。     

桩承式路堤桩帽顶面土压测试代表性分析

准确获取桩帽顶面的土压力是评价桩承式路堤土拱效应的关键,而如何量化分析桩帽顶面点式土压测试的均值代表性往往被忽视。建立了单桩加固范围的三维有限元模型,提出土压测试代表性系数λ,探讨平面布桩、传感置换率α、路堤填高H_e及刚度等对桩帽顶面土压测试代表性的影响。结果表明,桩承式路堤桩帽顶面土压力不均匀分布特征显著,导致点式土压测值的均值代表性较差。λ对H_e及α的变化较为敏感,α及H_e越小时,点式土压测值的均值代表性越差;H_e较大时,λ对路堤填土刚度的变化不敏感。改变布桩的平面几何数值时,λ仅与桩帽直径相关,而与桩间距无关。新型分布式光纤土压测试方法的提出,有助于提升桩帽顶面土压测试的准确性。研究成果可为土压测试代表性研究提供一定参考。     

桩承式路堤桩帽顶面土压测试代表性分析

准确获取桩帽顶面的土压力是评价桩承式路堤土拱效应的关键,而如何量化分析桩帽顶面点式土压测试的均值代表性往往被忽视。建立了单桩加固范围的三维有限元模型,提出土压测试代表性系数λ,探讨平面布桩、传感置换率α、路堤填高H_e及刚度等对桩帽顶面土压测试代表性的影响。结果表明,桩承式路堤桩帽顶面土压力不均匀分布特征显著,导致点式土压测值的均值代表性较差。λ对H_e及α的变化较为敏感,α及H_e越小时,点式土压测值的均值代表性越差;H_e较大时,λ对路堤填土刚度的变化不敏感。改变布桩的平面几何数值时,λ仅与桩帽直径相关,而与桩间距无关。新型分布式光纤土压测试方法的提出,有助于提升桩帽顶面土压测试的准确性。研究成果可为土压测试代表性研究提供一定参考。     

桩承式加筋路堤桩体荷载分担比计算

基于最小势能原理,分析了路堤填土、水平加筋体、桩(桩顶托板)及桩间土之间的相互作用,得到了桩体荷载分担比。研究了桩间距、路堤高度、桩顶托板宽度、路堤填土剪切模量、水平加筋体拉伸强度及桩土相对刚度对桩体荷载分担比的影响。结果表明:桩间距、路堤高度、托板宽度及桩土相对刚度对桩体荷载分担比影响较大,路堤填土剪切模量的影响次之,而水平加筋体拉伸强度的影响很小。设计桩承式加筋路堤时,主要应通过增大路堤高度与桩间距之比及桩顶托板宽度与桩间距之比来提高桩体荷载分担比。