基于离散元数值模拟的桩承式加筋路堤土拱效应研究

桩承式加筋路堤能有效控制地基沉降和侧向变形,可快速填筑施工,大大缩短施工工期。土拱效应是桩承式路堤的主要工作机制,目前有多种模型。然而,对于不同路堤高度条件下桩承式加筋路堤土拱效应演化重视程度还不够。本文通过桩承式加筋路堤离散元数值模拟,验证了路堤变形为同心椭圆模式,高路堤条件下路堤存在等沉面且等沉面高度随路堤填筑高度增加而减小;揭示了填料高度增加下的桩承式路堤土拱效应变化规律以及桩承式加筋路堤土拱高度随路堤高度增加而降低的现象。     

桩承加筋式路堤的承载机理研究

具有深厚软弱下卧层的路堤可采用桩承加筋式复合地基,以提高地基的承载力、减小路堤总沉降和差异沉降,而且可以布成疏桩,提高桩土荷载分担比,降低工程成本,在国内外的应用越来越广泛。本文采用拉格朗日描述位移的大变形有限元分析方法,研究桩承加筋式路堤的荷载通过土拱效应和拉筋材料传递到桩身的机理和变化规律,及其受路堤填筑高度、桩身刚度和桩间距、路堤填土的工程性质、拉筋材料抗拉刚度和铺设位置的影响性状。通过数值分析,得到一些有助于桩承加筋式路堤设计的结论。     

桩承地基路堤土拱效应的影响因素分析

基于桩承地基路堤荷载的室内模型试验,采用ABAQUS对桩承地基路堤土拱效应的影响因素进行了分析。具体分析了桩帽大小、桩间土性质、水平加筋体、路堤填土性质等因素对土拱效应的影响规律。数值分析表明:①桩帽大小对土拱效应的发挥有很大程度上的影响。②桩间土模量越大,土拱效应越强,反之越弱。③水平加筋体的强度及层数越多,土拱效应越强,但随着水平加筋体的强度及层数的增加,土拱效应的增幅越来越小。④路堤填土的黏聚力与摩擦角越大,土拱效应越强。     

桩承地基土拱高度计算方法的研究及分析

综合考虑路堤填土高度、填土性质、桩帽大小及桩间距等因素,提出简便的土拱高度计算方法。具体分析了桩帽大小、桩间距,以及路堤填料高度和性质等因素对土拱高度及土拱高度与桩净间距之比的影响。结果表明:土拱高度受填土性质、桩帽、桩间距及填土高度等因素影响,其中受摩擦角、桩帽大小和桩间距影响较大,在设计时可首先考虑加大桩帽、减小桩间距或增加填料摩擦角的方式降低土拱高度来满足工程需求。在实际工程正常参数取值范围内,土拱高度大概集中在1.02～1.42倍的桩间净距范围内。     

大振次列车动荷载作用下桩网加筋路堤土拱效应模型试验研究

通过桩网加筋路堤足尺模型试验,研究速度324km/h时列车120万次轮轴动荷载作用下,桩帽高度位置和3.2m路基范围内动土压力随振次的变化规律,分析长期动荷载作用下土拱演化规律。试验结果表明:桩土差异沉降较大时,桩帽承担约90%的动荷载和静荷载,土拱加强了路基中动应力往桩帽的传递,路基中动应力分布按Boussinesq公式计算不合理;长期动荷载作用下,桩土动应力比减小,但幅度变化不大,说明土拱弱化不明显。     

路堤下桩承式水平加筋复合地基桩土应力比分析

桩承式水平加筋复合地基是"水平向增强体+竖直向增强体"的联合复合地基.计算路堤下复合地基桩土应力比的方法与刚性基础下的复合地基不同.路提由填土等散体材料组成,路堤下复合地基桩与桩间土之间的沉陷不一致,导致填土内部出现相对垂直位移,应力状态发生变化.由于复合地基桩土应力比发生变化及水平向增强体的提拉作用,可将大部分路堤荷载转移到桩体上,从而减小桩间土上部的压力,并使得路堤顶面的差异沉降减小.通过分析桩承式水平加筋复合地基及其上部填土的变形特点,推导出求解加筋垫层上、下方桩顶土压力、桩问土压力及桩土应力比的计算公式并分析了不同参数对桩土应力比的影响.     

基于Hewlett方法的桩网复合地基土拱效应优化算法

桩网复合地基填土性质与土拱效应发挥程度直接相关,而传统土拱模型并不能有效反映填土黏聚力对桩土应力计算结果的影响。在Hewlett极限状态空间土拱效应分析基础上,采用填土综合内摩擦角指标完成空间土拱拱顶及拱脚位置处单元土体应力极限状态分析,考虑桩间土应力非均匀分布与被动土压力发挥程度的影响,得到桩网复合地基桩体荷载分担比解析表达式。研究结果表明:填土黏聚力显著提高路基填土土拱效应,复合地基设计应考虑填土黏聚力的有利影响;桩间土应力并非均匀分布,通过非均匀分布系数折减后,可有效提高弹性工作状态的桩体荷载分担计算结果;考虑被动土压力发挥程度的计算结果并不合理,应分别由桩顶和拱脚土体应力极限状态确定对应的桩体荷载分担比,取较小值为最终桩体荷载分担比结果。     

高速列车荷载下桩网结构路基竖向动应力传递分析

依托哈尔滨—大连高速铁路典型断面建立桩网结构路基有限元模型,分析路基高度和桩间距对列车荷载作用下路基竖向动应力传递的影响。研究结果表明:竖向动应力沿路堤深度逐渐减小,距桩顶同一距离的水平面上桩顶处竖向动应力最大,四桩形心处竖向动应力最小;路堤高度较小时土拱效应较弱,桩顶应力集中效应起主导作用;随着桩间距的增大土拱高度增加,竖向应力提前由衰减变为增加且单个土拱拱脚所需承担的竖向动荷载增加;计算得到的竖向动应力衰减系数在中国规范与日本规范计算结果之间。     

桩网支承路基结构中土拱效应及网垫受力的模型试验研究

基于相似理论,对桩网支承路基中心土拱效应进行8组模拟试验。测试桩顶轴力、桩土及路基不同高度处应力、格栅拉力和桩间土沉降随路基高度、外荷载变化特性,探讨格栅受力后变形。结果表明:加筋网垫上方竖向应力与以球形拱理论为基础的德国规范计算结果较为接近;加筋网垫下方桩间土承担竖向应力随路基高度、上覆荷载增加而增加;黏性土路基成拱效率略低于砂土路基;对于两层格栅组成的加筋网垫,下层格栅承担土拱效应竖向应力引起拉力大于上层格栅,位于桩帽之间并垂直于桩帽边格栅拉力大于平行于桩帽边格栅拉力;格栅初始松紧状态对土拱成拱效率有一定影响;格栅受力后平面变形形状近似呈悬索状。研究成果可为我国桩网支承路基结构加筋网垫相关规范提供参考。     

桩网结构支承路堤土拱效应改进算法

从工程实际出发,对Hewlett土拱效应所考虑的影响因素加以补充,并根据摩尔-库仑强度准则考虑了路堤填土的黏聚力对土拱效应的影响,以及分析水平加筋体与碎石垫层之间的相互作用,建立加筋体与碎石垫层之间相互作用的力学模型,导出水平加筋体的变形受力计算公式;通过分析水平加筋垫层对土拱效应的影响,改进Hewlett算法,推导出桩网结构支承路堤的桩体荷载分担比和桩土应力比公式,并通过具体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.     

桩网结构路基土拱效应离散元研究

建立桩网结构路基的离散元模型,从散粒体和微观角度研究了桩网结构路基中的土拱效应。结果表明:土拱效应随着桩间土的沉降而发展变化,桩间土发生较大的沉降后土拱效应才能达到极限状态。桩顶平面上方1.67倍桩净间距范围内土体的密实度受土拱效应的影响,土体孔隙率的变化与土拱效应发展保持一致。土拱效应发展过程中土体的竖向位移远大于水平向位移,桩顶上方竖向位移小于桩间土上方竖向位移,等沉面的高度位于2.7倍的桩净间距处。土体中竖向应力的影响范围与密实度的影响范围相同,土拱高度为该影响范围的上限,在该范围内土压力系数随土拱效应发展而变化,但两者变化并不一致,且土压力系数在桩顶上方和桩间土上方也不相同。     

桩网复合地基桩顶土拱形态分析

桩网复合地基垫层与填土中的土拱对桩顶应力调节和沉降控制效果起着重要作用.在对比现有桩网复 合地基桩顶土拱效应计算方法的基础上,通过单桩数值模拟和数学解析,对桩顶土拱形态进行分析.结果表明,桩网复合地基桩顶土拱区域内的主应力迹线是一族自桩顶平面向上曲率逐渐增大的变曲率曲线,其中,接近桩帽边缘的一条主应力迹线线形近似于抛物...     

基于桩帽尺寸调整的桩网复合地基沉降控制方法研究

为研究桩网复合地基沉降控制中的桩帽尺寸优化调整问题,采用楔形土拱模型和荷载传递理论分析桩帽尺寸对桩网复合地基桩土荷载分担及沉降变形的影响规律,依据桩土总沉降位移和沉降差控制标准,提出基于桩帽尺寸调整的桩土沉降控制方法,给出桩帽尺寸确定原则。研究结果表明:桩帽的设置可有效提高桩体分担荷载,并进一步引起桩体沉降位移的增加和桩间土沉降位移的减小,且桩顶位置桩土沉降差随桩帽尺寸增加保持递减趋势。研究成果可为铁路和公路工程中的桩网复合地基布桩参数确定及桩帽尺寸优选提供必要技术支持。     

水泥搅拌饱和黄土复合地基桩土荷载分担研究

兰州至中川机场城际铁路工程沿线大多地段属于饱和黄土地基,承载力低,压缩性大,无法满足设计要求,采取水泥土搅拌桩复合地基进行加固,通过现场实测路堤荷载及刚性承载板下水泥土搅拌桩复合地基中桩土荷载分担情况。结果表明:随着路堤填筑高度及时间的增加,桩体、桩间土的应力都增大,桩体的应力大于桩间土的应力;相同的路堤填土荷载下,二灰掺量16%的复合地基中最大桩顶应力272.5 kPa,对应桩间土应力45.5 kPa;二灰掺量12%的最大桩顶应力166.3 kPa,对应桩间土应力为69.3 kPa。随着二灰掺入量的增加,路堤荷载下水泥土搅拌桩复合地基桩土应力比增大,二灰掺量16%时的最大桩土应力比为5.57,是二灰掺量为12%的2.34倍;刚性基础下桩土应力比随荷载的变化呈现出凸单峰曲线。复合地基中桩体应力集中系数的值随着荷载的增加而逐渐增大,桩间土应力减小系数随着荷载的增加而减小。     

基于离心模型试验的高强度桩复合地基桩间距效应分析

针对客运专线在软土和松软土地基处理中大规模采用高强度桩复合地基技术的应用情况,进行路堤荷载作用下不同桩间距的离心模型试验,分析桩间距的变化对高强度桩复合地基的荷载传递、破坏特点、桩土应力及垫层拉筋受力、地基沉降变形等工程特性的影响.试验数据表明:桩间距由3倍增至6倍桩径,高强度桩复合地基的沉降变形、桩土应力及比值、垫层拉筋受力等力学响应增大明显;随着桩间距的加大,高强度桩复合地基的桩顶和桩间土承受的应力均大幅提高,桩间距大于或等于5倍桩径后,桩顶垫层和桩间土先后达到极限状态,将产生显著的桩顶刺入变形和桩间土横向挤出变形,复合地基整体结构处于不稳定状态;垫层拉筋的受力沿横截面呈M形分布,峰值出现在两侧路肩附近位置的下方,与地基发生变形破坏的位置有较好的一致性.     

京沪高速铁路CFG桩-筏复合地基现场试验研究

结合京沪高速铁路凤阳试验段工程,开展CFG桩+垫层+筏板处理地基试验。实测桩-筏复合地基沉降变形、桩顶应力、桩间土应力、筏板顶面土应力、钢筋应力及桩身应变;分析路基沉降变形、桩土应力比随填筑高度和固结时间的变化规律;获得地基面桩土应力分布、筏板顶面土应力分布、钢筋应力分布、桩身轴力和侧摩阻力分布;研究路堤荷载作用下CFG桩-筏复合地基的工作性状。研究成果有助于高速铁路桩-筏复合地基沉降控制、承载特性和应力传递机理的研究,并为京沪高速铁路及其它相关工程的桩-筏复合地基设计方法提供数据支持。