路基拓宽工程中桩承式加筋路堤处理的数值分析

为掌握拓宽路堤荷载作用下桩承式加筋路堤的工作特性及其处理效果,建立了三维有限元分析模型,采用土水耦合单元模拟地基土,三维薄膜单元模拟土工格栅,并基于接触单元考虑桩土界面的状态非线性,从土拱效应、土工格栅的拉膜效应以及桩土作用等方面验证了桩承式加筋路堤的工作机理。计算结果表明:土工格栅最大拉力发生在原坡脚位置的桩帽边缘处,外侧桩帽边缘的格栅应力逐渐减小;桩承式加筋路堤可使地表不均匀沉降由50.0 cm减小为8.3 cm,超孔隙水压力由63.7 kPa下降为11.0 kPa,并避免了老路基顶面出现的反坡现象,但在老路基处仍出现了较大的地基沉降和超孔隙水压力,故应充分重视老路边坡位置的地基处理。     

高速铁路低路基桩网结构土工格栅动力特性

采用ABAQUS软件建立了低路基桩网结构的动力有限元模型,通过实测数据验证模型的合理性,分析了列车动荷载-土工格栅-桩-土之间的相互作用机理,研究了动荷载作用下土工格栅受力与变形规律。研究结果表明:沿线路纵向,车载作用前,桩顶土工格栅竖向变形后形状为倒"U"形,竖向变形约为2.27mm,桩顶土工格栅的拉力分布呈"M"形,桩间土工格栅的拉力分布呈倒"V"形;车载作用后,桩顶土工格栅竖向变形增量约为0.10mm,大于桩间土工格栅变形,桩顶土工格栅动位移大于桩间土工格栅动位移,桩顶边缘土工格栅拉力增量最大,桩顶中心土工格栅拉力增量较小,桩间土工格栅拉力增量最小,四桩间土工格栅拉力增量大于两桩间土工格栅拉力增量;沿路基横断面,车载作用前,路基中心土工格栅竖向变形约为12.0mm,车载作用后,格栅竖向变形的增量从路基中心至坡脚逐步减小,其竖向变形增量约为0.47mm;桩顶和桩间土工格栅动位移和动拉力整体分布规律相似,从路基中心到坡脚呈递减规律,坡脚处土工格栅动拉力为负;横断面土工格栅竖向变形增量和最大动拉力均大于线路纵向土工格栅。     

不同垫层下管桩复合地基现场对比试验研究

为比较管桩+钢筋混凝土板复合地基、管桩+桩帽+土工格室复合地基、管桩+桩帽+土工格栅复合地基的受力和沉降控制效果,开展了3种复合地基处理深厚软土路基的现场试验,分析研究了不同垫层条件下管桩复合地基受力和变形规律,结果表明:路堤荷载作用下,桩顶和桩间土应力由路基中心向路肩、坡脚处逐渐减少,土工格栅垫层时桩土应力比为2.47~5.42,土工格室垫层加固桩土应力比为2.30~6.25;钢筋混凝土板垫层时桩土应力比为8.05~14.81;随着路基填土荷载的增大,土工格栅、土工格室拉力逐渐增大,路肩位置拉力最大,相同荷载作用下土工格室所受拉力大于土工格栅;3种复合地基加固措施中管桩+钢筋混凝土板对路基沉降的加固效果最好,稳定后地基面沉降分别为土工格栅和土工格室桩网复合地基地基面沉降的68.46%和72.56%.      

土工格栅加筋路堤影响因素研究

在野外修筑了4段连为一体的试验路堤,其中3段含土工格栅加筋层,格栅层间距各不相同.用土压力盒测量了每段路堤底部的竖向土压力.在试验研究的基础上建立有限元模型,模型得到了试验数据的验证.用该模型对土工格栅加筋路堤进行了计算分析,探讨了加筋层间距以及路堤土的内摩擦角、粘聚力和弹性模量对加筋路堤沉降和应力分布的影响规律.得到以下主要结论:(1)加筋路堤的表面沉降随格栅层间距的减小而减小,其根本原因是加筋路堤内部的竖向应力随格栅层间距的减小而降低,而水平应力却随之增加;(2)加筋路堤的整体性和竖向变形的均匀性随格栅层间距的减小而提高,这有利于改善路面结构的受力和变形条件,从而延长路面的使用寿命.     

桩—网结构路堤施工填筑阶段数值模拟研究

结合高速铁路桩—网结构路基试验段进行数值模拟研究,探讨在填筑阶段桩—网结构的沉降特性及桩、网、土共同作用的承载特性。计算结果表明,桩间距对加筋垫层的相对变形影响显著;桩身应力随路堤填土高度的增加呈增大趋势,且应力分布逐步向线路中心桩靠拢,桩身应力沿深度方向先增大后减小;桩间距不同,土工格栅的拉应力随着路堤填筑高度的变化不同;在填筑初始阶段,桩土应力比较大,随着路堤填高的增加,桩土应力比逐渐减小并趋于稳定。以上结论可为桩—网结构路基设计理论提供科学依据。     

盾构法隧道施工时高承台被动群桩的土拱效应

通过建立有限元模型模拟天津市地铁一号线盾构施工,有限元模型得到的土体沉降曲线与现场实测吻合,在此模型基础上进一步研究隧道开挖过程中被动群桩的土拱效应.隧道开挖时,3×3被动群桩中远离隧道的边排桩的桩间土一般形成了“反向土拱”;靠近隧道的边排桩的桩间土拱的形式主要取决于同一位置处桩与土体的相对位移.当桩的水平位移小于土体时,桩间土体形成了类似于边坡工程及堆载情况下的土拱;反之,桩间土体形成“反向土拱”.桩长增加,当桩、土水平位移接近时桩间土拱效应肖失;与地面堆载等典型的被动群桩不同,隧道开挖时当被动群桩的桩间距由4m减小至2m时土拱效应消失.     

列车荷载下的桩网结构低路基土拱效应

运用ABAQUS软件建立了桩网结构低路基动力有限元模型,通过计算结果与实测结果的对比验证了模型的可靠性,并分析了列车荷载下路基中动应力分布、桩土应力比与等沉面高度变化特征。分析结果表明:采用模型计算的路基不同深度处动应力与实测结果最大差值为0.56kPa,动位移的最大差值为7μm,计算和实测的平均动应力和动位移沿路基深度的传递趋势相同,因此,有限元模型可靠;在动荷载作用下,路基中存在土拱效应,土拱高度约为1.6m,与静荷载作用下土拱高度近似,路基表面的应力变化率比路基基底大;路基中动应力的分布受到土拱效应的影响,表现为传递到桩间土上方土体的动应力部分转移至桩顶上方,且在路基垫层附近动应力转移现象最明显;在动荷载作用后,路基中心处桩顶与两桩间的桩土应力比减小,而桩顶与四桩间的桩土应力比增大,桩顶与两桩间的桩土应力比始终大于桩顶与四桩间的桩土应力比;距离路基中心1m处纵断面等沉面高度为1.55m,布置桩体的纵断面等沉面高度大于未布置桩体的纵断面等沉面高度,且沿路基中心到路肩,同类纵断面的等沉面高度逐渐降低,动荷载作用后,路基中心处等沉面高度增大。     

基于桩网路堤简化分析方法的参数研究

为研究桩网路堤各影响参数对其传力机制与变形特性的影响,通过理论推导得出了桩网路堤简化分析方法,采用该方法对桩网路堤进行参数分析. 首先,综合考虑路堤填土土拱效应、地基支承作用和土工格栅效应,采用抛物线方程描述土工格栅变形,推导得到了针对正方形布桩型式的桩网路堤的分析方法;其次,通过与现场试验和目前主流设计方法对比分析,验证了本文计算方法结果可靠、计算过程简便;最后,采用该理论方法针对路堤高度、土工格栅刚度、地基软土厚度、软土模量对格栅张力、地基最大沉降和应力集中比的影响规律进行系统分析,在此基础上,引入非重复性二次方差分析对各参数的影响程度进行了量化对比. 研究结果表明:格栅张力与路堤填高、格栅刚度、地基软土厚度成正相关关系,与软土模量成负相关关系;地基沉降与路堤高度、软土厚度成正相关关系,与格栅刚度、地基软土模量成负相关关系;应力集中比与路堤高度、格栅刚度、地基软土厚度成正相关关系,与地基软土模量成负相关关系;降低地基软土厚度和增大软土模量是保证土工格栅正常工作情况下尽可能增大应力集中比的有效手段;缩小桩间距或采用大桩帽,其优化效果好于提高格栅抗拉刚度.      

基于现场试验的桩网复合地基垫层效应分析

为对桩网复合地基垫层设计提供参考,对4组不同桩帽尺寸的桩网复合地基进行了现场试验,测试、分析了路堤荷载作用下的地基沉降、基底压力和垫层筋带拉力.结果表明:桩顶设置桩帽的作用显著,可有效降低桩顶压力,减小桩顶筋带拉力,缩小桩土沉降差;土拱高度与桩间净距有关,试验条件下约为桩帽间轴线净距的0.9~1.3倍;桩顶压力分布不均匀,中间小,边缘大,前者约为后者的67%~79%;桩顶筋带拉力最大,桩帽边缘筋带拉力大于桩中心.     

地震作用下考虑土拱效应的桩间挡板土压力计算

桩间土拱效应的存在使得桩间挡土构件的地震动土压力计算不能套用传统的土压力计算理论。建立了考虑土拱效应的挡板土压力计算模型,采用水平层分析法推导了一种求解桩间挡板地震主动土压力的方法,并与卸荷拱法、拟化筒仓法、边坡规范法等进行对比。结果表明:土拱效应的存在使得挡板土压力明显小于Coulomb土压力,挡板土压力沿挡墙高度呈非线性分布且趋于一个极值,方法计算的土压力值介于卸荷拱法和拟化筒仓法之间;桩间土拱效应可以显著降低挡板承受的地震主动土压力;水平、竖向地震力会显著放大土压力,两者对土压力的贡献几乎相当;土压力增大系数与地震加速度近似呈线性关系。     

桩网结构路基格栅加筋作用及其拉力特性研究

为了研究柱网结构路基中土工格栅的加筋作用以及路基在动静荷载下土工格栅拉力的变化特性,建立了高速铁路柱网结构路基足尺物理模型试验装置,用激振器对路基施加动静荷载,利用土压力盒以及布拉格光栅分别监测路基内部土压力以及格栅拉力的变化特征.试验结果分析表明:路基上部荷载对路基内部土拱的稳定性存在影响,随着荷载的增大,土拱出现先强化后弱化的现象;桩土荷载分担比存在上限值,随着桩土差异沉降先增大后减小;当路基上部受到静荷载作用时,土工格栅能够使得桩顶上方承担的静荷载增加约12%,且路基中心处的格栅拉力增长最大;路基在长期动荷载作用下,格栅拉力产生了明显的变化,桩帽中心处的格栅拉力约增长了8%,路基筋材的设计需要考虑路基上方动荷载的影响.      

路堤荷载下刚柔长短桩复合地基承载特性研究

为研究路堤荷载下刚柔长短桩复合地基的承载特性,结合某桥头过渡段带帽薄壁管桩（pre-stressed thin-wall concrete,PTC）联合水泥土搅拌桩（cement deep mixed,CDM）的软基处理工程,开展了PTC-CDM组合式长短桩复合地基承载特性现场试验,对路堤填筑过程中桩土应力比、荷载分担比以及桩土沉降差的变化规律进行了分析,并进一步采用有限元对刚柔长短桩复合地基的路堤荷载传递规律进行了数值模拟.试验与计算结果表明:CDM桩顶与桩间土应力增长缓慢,PTC桩帽上应力增长相对较快;填土达到一定高度土拱完全形成后,大量的路堤荷载转移至刚性长桩;刚性长桩和柔性短桩的桩土应力比分别达到7.5和2.1;短桩的存在减少了长桩桩顶荷载和上部桩身出现负摩阻力的深度,中性点位置上移;短桩达到一定桩长时再增加其长度,对路基总沉降影响不明显,因此,短桩桩长可根据承载力要求的临界桩长来设计.      

路堤下复合地基素混凝土桩受力特征和破坏机理

为了合理分析软土地区路堤下素混凝土桩复合地基的稳定性,基于离心模型试验和仿真分析,研究了不同桩间距条件下路堤下素混凝土桩复合地基桩体的受力特征,引入桩体破坏逐一退出机制,分析了桩体破坏模式. 结果表明:在路堤自重和列车荷载作用下,路堤下复合地基素混凝土桩受力特征和破坏模式具有显著的桩间距效应,当桩间距分别增大至4倍和6倍桩径时,最靠近坡脚的第1列与第1、2列素混凝土桩分别产生了断桩破坏;在桩间距不变的条件下,随着上部荷载的增大,素混凝土桩最大弯矩和剪力均逐渐增大;施加列车荷载后,桩体最大弯矩和剪力往路基坡脚方向呈逐渐增大的规律,桩间距由3倍增大至6倍桩径时,靠近坡脚的桩体最大弯矩由172.9 kN?m增大至601.0 kN?m,大于桩体标定极限弯矩值,剪力由89.4 kN增大至249.1 kN,小于桩体标定极限剪力值,表明离心模型试验中素混凝土桩产生弯曲破坏而不是剪切、受压和受拉破坏,最靠近坡脚的桩最先发生弯曲破坏,随后往路基中心方向呈逐一弯曲破坏模式.      

基于透明土技术的桩后土拱效应特征分析

为研究圆桩后土拱效应的特征及演化过程，从细观角度开展了基于透明土技术的桩土相互作用试验研究. 首先开展了透明土配比试验，获取物理力学性质适宜的土体；其次设计了试验系统并得到透明土与桩相互作用的散斑场图像；最后通过particle image velocimetry （PIV）技术分析得到位移矢量图，进一步分析得到透明土位移变化规律. 研究结果表明:通过位移矢量图可以得到圆桩作用下土体运动趋势及土颗粒的位移特征，并可进一步解译得到位移等值线构成的拱形结构，即桩后土拱结构，呈现出抛物线形，其范围与桩径、桩间距及深度有相关性；桩径越大，土拱区域越大，桩径30 mm时，土拱高达100 mm，桩土相互作用的影响范围越大；桩间距越大拱高最大值越大，桩间距80 mm时，土拱高也达100 mm；不同深度下土拱拱高在变化趋势上有较大的相似性，深度越深，土拱的最大拱高越小，深度50 mm时，拱高60 mm；通过拟合公式得到，土拱最大拱高沿桩身方向从桩顶至桩底呈逐渐减小趋势，同时随土体位移增加，表现出先增大，后趋于一稳定值的特征，其稳定值的大小与桩径呈正相关、桩间距呈正相关及深度呈负相关.      

路堤荷载下桩承式加筋路堤数值模拟研究

目前,桩承式加筋路堤在工程中得到广泛应用。为了更深入了解桩承式加筋路堤作用机理,将单桩等效处理范围简化为正方体,采用FLAC3D数值模拟软件建立有限差分模型,对路堤荷载下桩承式加筋路堤桩顶及桩间土压力与沉降进行分析,最后,分析了不同桩长对桩顶平面应力与变形的影响。     

桩承式路堤中填土破坏模式研究

为了研究桩承式路堤中填土的破坏模式,采用有限元方法对不同桩间距、填土高度和摩擦角进行了参数敏感性分析.根据计算得到的屈服区和增量等效塑性应变结果,分析了不同情况下填土的破坏机理.结果显示:对于填土高度与桩间距之比H/s≤1的低路堤,填土中的破坏面为通过桩边缘的竖直面;对于H/s≥1.2的高路堤的情况,最终填土中将发展出...     

软土地区桩柱式路基力学行为的数值模拟

以快速拉格朗日有限差分法程序FLAC为平台,建立软土地区桩柱式路基的数值分析模型,研究了桩柱式路基的力学行为。分别用桩单元、绳索单元模拟桩柱、筋材,分析了路基的沉降、侧移、孔压与稳定特性,及桩柱、筋材的内力分布,比较了桩柱式路基与传统土石方路基的特点,对桩柱、筋材、路堤与地基的设计参数对路基沉降和地基侧移的影响进行敏感性分析。分析结果表明,桩柱式路基表面的最大沉降、差异沉降仅为传统土石方路基的1.48%、1.40%,地基侧移仅为传统土石方路基的0.88%,因此,桩柱式路基力学行为优良。