考虑土拱效应的锚杆加固桩间土机理研究

研究目的:桩板墙是一种常见的铁路边坡防护工程,桩间板在施工前需要先开挖桩前土。因此为保障桩间土的稳定性,桩间常常逆作法施工锚杆,但由于该支护方法的机理尚不明确,尤其是当悬臂高度较大时桩间土极易发生垮塌,给后期施工带来安全隐患,并增加桩板墙背侧土方回填的费用。因此,论文重点围绕桩间土拱效应与锚杆加固的机理进行研究,以期为类似工程的设计及施工提供帮助。研究结论:(1)通过在桩间施工一定数量的锚杆,可有效降低桩间土发生局部垮塌的风险,使得锚杆能够紧密地连接桩间欠稳定土体、土拱压密土体及后方的稳定土体,土拱拱圈附近的密实土体发挥了锚杆锚固段的作用;(2)数值分析结果表明,受桩间土拱效应分布的几何形态的影响,锚杆布置宜在相邻两根悬臂桩跨中位置适当加密,采取该类布置方式相比均匀布置能够起到更好的加固效果;(3)桩间锚杆的设计钻进深度可以采用上部较短,中下部适当加长的方案进行设计,且锚杆设计钻进深度不应超过1.5倍桩间净距。若中下部桩间土体较密实,可以考虑适当减小锚杆的钻进深度;(4)采用锚杆加固桩间土大多是应用于临时防护,为了进一步提高桩桩间土的稳定性,降低道路运营期间因桩间土局部滑塌或掉块带来的风险,或出于美化道路周边环境等因素考虑。     

山区高速铁路路基陡边坡绿色防护试验研究

研究目的:在铁路工程建设中,对于陡路基边坡,如坡率陡于1∶1的,难以有较好的绿色防护形式。针对山区高速铁路路基陡边坡的绿色防护难题,设计了预加固桩前框架锚杆内基材植生(生态袋)和复合式锚索墙基材植生(生态袋)两种新型的路基边坡支护结构,并开展了现场的原位试验研究,验证其适用性。研究结论:(1)预加固桩前框架锚杆内基材植生边坡深层变形从桩顶部向下逐渐减小,桩顶最大变形小于35 mm;(2)桩前框架锚杆受力约为设计值的1/5～1/7,预加固桩的土拱效应明显,大大减小了桩前框架锚杆受力;(3)复合锚索墙锚索锚固力约为设计值的1/2,锚索墙后深层位移小于35 mm;(4)两种新型路基边坡结构都是稳定的,路基边坡改进的厚层基材(生态袋)绿色生态防护效果好,植物成活率超过90%,植物覆盖率大于85%,实现了坡率1∶0.5陡路基边坡的全坡面绿色防护;(5)本研究成果可为路基陡边坡绿化防护提供参考。     

列车动荷载作用下桩网结构路基土拱效应分析

目前对桩网结构路基的研究多是基于静力作用进行的。本文采用ABAQUS有限元分析软件,计算分析了列车动荷载作用对桩网结构路基土拱效应的影响。结果表明:动荷载对土拱效应的影响与路基高度、土工格栅和桩间土性质密切相关;当路基内部形成完整土拱时,动荷载对土拱效应基本无影响,但会引起低矮路基中的非完整土拱发生失稳、退化;土工格栅的存在可以减小动荷载对土拱效应的影响;桩间土较软时,动荷载对土拱效应的影响更为明显。     

桩与土钉或挡土墙联合使用时设计理论探讨

研究目的:路堑预加固桩与桩间土钉墙或挡土墙联合使用时设计计算方法尚不成熟,特别是对其"土拱效应"对桩间土钉墙或挡土墙有何影响未见报道过。传统设计时未能很好考虑这一问题,一般按经验进行设计。本文结合南昆铁路某科研试验工点,对该问题进行了深入的理论探讨,提出了一些较新的观点,供同行参考。研究结论:为了使两桩之间形成"土拱效应",应使桩间支挡物的刚度较小,使其后土体具有形成卸荷土拱的松动条件,此时桩身土压力与挡土墙上并不一致,桩上大、桩间墙上则较小,这种受力模式要求我们不必将桩间的土钉墙或挡土墙做得太强;同时由于土拱的拱矢在跨中最大(一般不超过3m),而靠近桩边时较小,故建议土钉长度跨中的要比两边的长3m左右,边上土钉长度也不宜太长。     

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。     

高速铁路桩网结构加筋网垫受力计算方法

基于高速铁路桩网结构各单元间的协调工作机理,对加筋网垫承担的竖向静动荷载及其引起的加筋体拉力、边坡推力效应引起的加筋体拉力等计算方法进行研究.土拱效应引起的桩间土竖向应力采用球形拱假设计算,动荷载引起的竖向应力采用Boussinesq假设计算;加筋体拉力由竖向荷载和边坡推力效应两部分引起,对于竖向荷载引起的拉力采用悬索理论计算,并首次考虑加筋体初始挠度的影响;计算边坡推力效应时,不仅考虑路基边坡主动土压力的产生和平衡,还综合考虑基底摩擦的协同工作.加筋网垫受到的拉力全部由加筋体承担.作为主要加筋体材料的土工格栅加筋体的最低强度可取使用年限内发生失效应变时的强度,但应考虑工程施工和环境等因素的影响.     

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。     

桩网支承路基受力及加筋网垫变形现场试验研究

以武广客运专线DK2 059+560为试验工点,进行桩网支承路基的现场填筑试验,研究路基应力传递及格栅变形特性.研究结果表明:桩网支承路基结构的沉降量较小,是1种有效处理软土和松软土地基的方法;在垫层上方路基存在明显的土拱效应,本工点的土拱高度在1.6～1.9 m之间;桩间土存在一定反力;桩间土和桩帽应力分布不均匀,桩间土4桩形心处应力比2桩中点处略小,桩帽形心处应力相对角点处应力略小;桩帽附近垂直于桩帽边的格栅肋条应变略大,4桩形心附近格栅的应变略小,下层格栅的应变大于上层;边坡处格栅的应变大于路基中心处,上层格栅防止边坡滑动的作用更大.与英国、北欧、日本及德国规范的计算结果比较,试验工点的桩间土竖向应力和承担荷载比例实测结果与德国规范球形拱理论计算结果较为接近.     

考虑边坡效应的桥梁桩基受力分析

基于边坡上桥梁桩基的受力特点,考虑边坡对桩基的土推力和土抗力效应,依据桩段的静力平衡条件,建立考虑边坡效应的桩基础静力微分方程,采用有限差分法,建立考虑边坡效应的桩基础变形和内力的计算公式。结合某铁路桥梁桩基,分析边坡效应对桩基位移、弯矩、剪力和桩侧土压力的影响规律。结果表明:边坡效应使边坡上桩基的受力更为不利,与不考虑边坡效应的平地桩计算结果相比,考虑边坡效应后桩顶最大位移可增大78%,桩侧最大土压力可增大135%,并改变了潜在滑动面附近区域的弯矩和剪力分布;设计荷载下边坡上桩基的位移、弯矩、剪力和桩侧土压力的包络图将不再如平地桩那样以桩轴左右对称分布,而是桩基靠近边坡外侧的数值更大;在进行桩基设计和钢筋配置时不仅需要考虑边坡效应引起的变形和内力的增大,还应考虑不同荷载方向引起的力学性能在边坡内外侧的差异。     

路肩(堤)式预应力锚索桩板墙柔性支挡结构的土压力分布新探索

研究目的:本文研究路肩(堤)式预应力锚索桩板墙柔性支挡结构的土压力分布规律。研究方法:采用现场测试与理论分析的方法进行研究。研究结果:通过研究,获得了预应力锚索桩板墙柔性支挡结构的土压力分布规律。研究结论:对于路肩(堤)预应力锚索桩板墙,由于锚索预应力的作用,使得土压力的分布与大小变得更为复杂,作用于桩、板上的土压力可分解为两部分:一是不考虑锚索预应力时的总土压力为条带极限平衡理论总土压力和主动库仑总土压力;二是锚索作用而增大的土压力;该类结构设计时,作用于桩、板上的土压力大小属同样一个数量级,可不考虑“土拱效应”对减小土压力的影响;该类结构桩身弯矩计算时也必须考虑锚索预应力对土压力大小与分布的影响;墙顶车辆有限矩形分布荷载作用时的土压力可按弹性理论求解。     

微型桩群框架结构加固边坡离心模型试验研究

构建微型桩群框架结构进行土工离心模型试验,通过监测边坡模型位移、土压力和桩身应变,研究微型桩群斜向框架结构加固边坡的受力机理。结果表明：微型桩群框架结构能有效加固边坡;微型桩嵌固深度较深的边坡加固效果优于布桩数量较多的边坡,微型桩嵌固深度是影响加固效果的重要因素;微型桩的布设导致次生滑面、桩土脱空现象的形成,并影响滑体中土压力的分布和大小;桩身弯矩分布呈反S形,桩身在滑面分界处呈单点弯曲屈服,桩-滑床复合结构承受了滑体的下滑力。     

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。     

螺旋钢桩加固土质边坡稳定性分析

为研究螺旋钢桩快速加固土质边坡效果,首先验证有限元软件PLAXIS运用强度折减法计算土质边坡稳定系数的可靠性,其次采用正交试验设计方法,选取螺旋钢桩加固位置、桩长以及螺旋叶片直径3个因素对加固效果进行参数敏感性分析,每个因素下选3个水平,并以边坡稳定系数和失稳滑动范围作为加固后土质边坡的评价指标。基于有限元强度折减法分别对9组正交试验对算例中的土质边坡分析。结果表明,加固后边坡稳定系数均有提高;螺旋钢桩在边坡中的桩长为边坡加固中应首要考虑的因素,在一定范围内,桩长越大边坡稳定系数也增大,边坡失稳滑动的范围将减小;加固位置影响次之,叶片直径影响最小。     

基于塑性变形理论的圆形抗滑桩边坡稳定性分析

圆形截面抗滑桩广泛应用于边坡加固和地质灾害治理工程中,传统的圆形截面抗滑桩理论和经验计算公式未考虑土-拱效应,因此计算结果不合理。本文基于Ito塑性变形理论,考虑桩-土相互作用的土-拱效应,推导出圆形截面抗滑桩在考虑土-拱效应时计入桩土摩擦力的水平分布力计算公式以及边坡稳定性系数F_s;并结合工程算例,讨论了土体重度、黏聚力、内摩擦角和桩间距对边坡稳定性的影响,研究结果表明:(1)通过推导的水平分布力公式,可得圆形截面抗滑桩的布桩位置对桩身抗力和边坡稳定性系数的影响,边坡稳定性系数在抗滑桩距离坡脚约为0.5L时最大,0.4~0.6L时处于稳定状态;(2)黏聚力和内摩擦角对边坡稳定性起着决定性的影响因素,土体的重度对边坡稳定性的影响并不明显,当桩身距离坡脚0.5L时,边坡土体的重度对边坡稳定性影响更加明显;(3)在考虑边坡稳定性和工程造价的条件下,采取2~2.5倍桩径距离进行布桩可以达到良好的工程效果。     

静动荷载下桩网结构路基土拱效应细观分析

研究目的:为研究列车荷载下桩网结构路基中土拱效应的形成机理和受力特性,本文通过建立桩网结构路基简化离散元模型,利用PFC~(3D)软件对土拱效应机理进行细观研究,分析颗粒间的接触力链、颗粒的横向及竖向位移以及路基中的颗粒应力竖向分布。研究结论:(1)动荷载作用后,桩间土应力增加,土拱效应被削弱;(2)动荷载作用下,路基中会形成动力土拱,大部分动力会沿动力拱传递至桩顶上方;(3)等沉面的形成与位移拱有关,位移拱范围内桩顶上方颗粒挤入桩间土区域,从而导致位移拱范围外桩顶颗粒竖向位移增大,而桩间土颗粒竖向位移减小;(4)路基中设置土工格栅会降低土拱高度,削弱应力拱内多个虚拟土拱的作用,但比土拱更能提高桩土应力比;(5)本研究结果可为铁路路基结构工作机理分析提供思路和方法。     

桩网复合地基加筋垫层土工格栅变形机理研究

在武广高速铁路CFG桩加固段选取一横断面,分别在桩顶和桩间土位置的土工格栅上间隔安装14个柔性位移计,测试土工格栅作为水平加筋体随荷载、时间的变化情况,结合测试结果,研究土工格栅变形的内在机理.研究结果表明,无论是在桩顶还是在桩间土的位置,土工格栅的变形沿路基横断面在路基中心区、路肩下过渡区和路基坡脚区表现出3种不同的变化规律;土拱效应是影响土工格栅变形的重要因素,受土拱效应的作用,在桩顶和桩间土中心位置均存在局部受压区域;垫层为级配碎石时,土工格栅最易受破坏的地方位于桩土交界处,土工格栅的破坏形态更近似平底锅形而非抛物线形.     

考虑桩土相互作用的抗滑桩临界桩间距研究

在考虑桩土相互作用的基础上,对确定合理桩间距的土拱的形成过程和成拱条件进行分析。根据桩受到的侧摩阻力等于桩间滑坡推力的平衡条件,提出同时存在桩侧土拱和桩后土拱,其拱厚为桩侧实际拱厚和桩后有效拱厚之和,在此基础上建立滑坡推力与抗滑桩相互作用的土拱受力模型,推导出临界桩间距的计算公式,最后通过算例进行验证,计算结果较为合理。研究结果表明：同时考虑桩侧土拱和桩后土拱比较合理。     

桩网支承路基结构中边坡推力效应的模型试验研究

桩网支承路基结构中边坡推力效应引起的加筋体拉力的几种主要计算方法存在较大差异,国外规范对此拉力取值较为保守.基于相似理论,通过4组模型试验对边坡侧向应力、格栅横向拉力以及边坡推力引起的拉力进行了测试分析.结果表明,边坡实测主动土压力的合力明显大于由边坡推力效应引起的格栅拉力,桩网支承路基中在计算边坡推力效应引起的拉力时,应考虑基底摩擦反力的影响.对于两层格栅,由边坡推力效应引起的格栅拉力,上层承担的拉力大于下层.提出了桩网支承路基结构边坡推力效应引起拉力的计算方法,为制定我国相关规范提供参考.     

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。     

微型桩大型振动台试验-坡体及桩动力特性研究

研究目的:微型桩是一种柔性支挡结构,在地震中其发生弯曲变形,可以有效避免脆性破坏的发生,因而在抗震加固中常被优先采用。目前,对微型桩的研究多集中于其静力学特性,通过大型振动台试验进行其动力学特性的研究很少。为研究微型桩及其加固边坡的动力学特性,本文就平行体系和"人"字形体系两类微型桩支护边坡的大型振动台试验及数值计算展开分析,并比较两类微型桩的抗变形能力和承载能力。研究结论:(1)边坡在地震作用下变形最先开始于坡体后缘的张拉裂缝,坡体中竖向裂缝较多,水平地震作用对坡体的变形影响更大;(2)地震作用下,微型桩变形表现为以滑面为界的"S"形弯曲变形和桩顶绕桩底的旋转变形;(3)微型桩弯矩呈现"S"形分布,剪力呈现"■"形分布;(4)"人"字形体系微型桩的抗变形能力和承载能力较平行体系微型桩更强;(5)本研究成果主要应用于边坡工程的抢险与加固。