桩承式加筋垫层路堤荷载分担改进计算模型

桩承式加筋垫层路堤中的关键荷载传递机制是多种现象的组合,包括路堤填土中的土拱效应、加筋垫层的张拉膜效应和地基土的支撑作用,然而,目前针对此方面的研究尚不完善。本文首先以考虑土体被动土压力发挥程度及桩间土应力非均匀分布改进的Hewlett土拱模型为改进载体;其次,假定加筋垫层为上、下部受均布荷载作用的简支梁,截面拉应力完全由加筋体承担,压应力完全由垫层材料承担,同时考虑地基土反力与梁最大挠度相关,引入地基反应系数,从而建立改进的桩承式加筋垫层路堤荷载分担计算模型;最后,通过工程实例与模型参数分析,验证本文计算模型的可靠性与准确性。研究结果表明:在路堤填筑过程中,土拱效应逐渐完全发挥,促进路堤荷载向桩体转移;随着地基土固结,桩体承担的路堤荷载也在逐渐增大;路堤填土高度、填土内摩擦角、桩间距对桩体荷载分担影响较大,加筋体抗拉模量对其影响较小。

在机加载条件下桩承式路堤离心模型试验设计

现有桩承式加筋路堤离心模拟技术存在诸多简化,忽略了模型应力历史的相似性。充分考虑几何布桩、材料特性、荷载及应力历史的相似性,优化设计了高重力场在机固结、插桩与路堤堆载的桩承式路堤离心模型试验方案。提出了对应在机加载过程的数值模拟方法,并分别建立了对应模型尺度和原型尺度的桩承式路堤单桩有限元模型。对比分析表明,模型尺度与原型尺度数值模型的桩土沉降曲线、荷载分担规律、路堤与桩身荷载传递、超静孔压分布均吻合,验证了桩承式路堤离心模型相似设计的正确性与合理性。离心模型试验方案能够反映桩承式路堤的变形发展、土拱效应与荷载传递特性,为在机加载条件下桩承式路堤离心模型试验奠定了重要的先期研究基础。

桩承式路基双向受荷桩设计分析方法研究

研究目的:为系统研究桩承式路基双向受荷桩工作机理及设计分析方法,确定水平荷载以及桩体轴力共同影响下的双向受荷桩承载关键影响因素,综合运用线弹性、水平土拱、弹性地基梁等基本理论以及有限差分方法,建立并求解桩承式路基双向受荷桩内力变形分析模型,揭示水平地基系数、桩体轴力、边界约束及桩长等因素对双向受荷桩变形及内力的影响规律,形成完整的桩承式路基双向受荷桩设计分析流程。研究结论:(1)桩承式路基路堤范围内桩体处于弯压受力状态,表现为双向受荷被动桩承载特征,通过水平土拱以及有限差分法可实现双向受荷桩内力与变形的精确计算;(2)“m”方法关于双向受荷桩内力变形的分析结果偏于安全,层状地基分段“K”方法能更好地体现地基软弱夹层的影响;(3)桩体轴力对双向受荷桩承载性能的影响很小,桩承式路基双向受荷桩设计中可不考虑桩体轴力大小及分布形式的影响;(4)桩顶约束对双向受荷桩承载性能的影响高于桩端约束,桩端可统一采用自由约束边界,桩顶嵌固约束可引起桩顶内力的较大集中;(5)桩体长度对双向受荷桩承载性能的影响存在限值,桩端一般应超过桩体水平荷载最大的区域,应避免出现短柱桩承载情形;(6)本研究结论可为桩承式路基双向受荷桩设计提供理论支撑和方法依据。

中低压缩性土地区桩承式加筋路堤现场试验研究

将桩承式加筋路堤技术应用于中低压缩性土地区高速铁路桥台和涵洞之间填方路基的处理,通过逐渐改变CFG桩桩长形成刚度均匀变化的地基加固区,严格控制线路纵向差异沉降。通过现场试验对桥台、涵顶和路基中心地基沉降进行了长期观测,同时对桩承式加筋路堤桩间土沉降、孔隙水压力、格栅上下表面土压力和格栅变形进行了长期监测分析。研究结果表明:桩承式加筋路堤可有效减小中低压缩性土地基沉降,总沉降小且很快趋于稳定;桩承式加筋路堤通过土拱效应和张拉膜效应将路堤荷载向桩帽传递,格栅下桩土应力比明显高于格栅上,张拉膜效应明显,格栅上桩土应力比接近1.0,土拱效应较弱;格栅在路肩处发挥的作用强于线路中心处。

路桥过渡段桩承式加筋路堤现场试验研究

桩承式加筋路堤与路堤填土加筋技术联合应用于黄土地区路桥过渡段,减小路桥过渡段差异沉降和桥头跳车现象。通过现场试验对桩承式加筋路堤中心轴和路肩对应位置处格栅上、下表面桩顶和桩间土土压力、桩间格栅变形以及加筋路堤各断面格栅上、下表面土压力和格栅变形进行监测分析,研究结果表明:桩承式加筋路堤通过土拱效应和张拉膜效应将路堤荷载向桩顶转移,从而可有效减小桩间土荷载;桩承式加筋路堤中心轴处路堤荷载转移主要以土拱效应为主,以张拉膜效应为辅,而路肩处格栅张拉膜效应较显著,路堤荷载传递由土拱效应和张拉膜效应共同完成,格栅在路肩处发挥作用效果大于路堤中心轴处;路堤加筋技术在桥台附近减载作用明显,随着距桥台距离的增加,减载作用逐渐减弱。

桩承式路堤土拱效应的三维数值模拟

结合模型试验结果,建立了三维有限元数值模型,对桩承式路堤中土体竖向应力分布规律进行了分析,计算结果和实测结果具有很好的一致性,而且反映出了土体竖向应力随深度的分布规律、土拱作用机理以及土拱的作用范围.模型试验和计算结果显示:桩承式路堤中土拱内部竖向应力随深度非线性减小,而土拱上部路堤中土体应力随深度近似线性增加.研究还发现,随着荷载水平和桩体-桩间土沉降差的变化,土拱的发生区域也在变化,实际土拱作用的影响范围在路堤底面以上约1倍桩间距的区域,要大于目前理论解答所做的假设.

桩承式加筋路堤土拱效应试验研究

桩承式加筋路堤中存在土拱效应,它影响着路堤的荷载传递和沉降变形性状,桩土应力比是反应土拱效应的重要参数。本文通过模型试验,研究了桩土相对位移、路堤高度、桩梁净间距、桩梁宽度及水平加筋体等因素对桩土应力比及路堤沉降的影响。结果表明:①桩土应力比随桩土相对位移的发展而变化,存在上限值和下限值;②路堤高度与桩梁净间距之比越大,桩土应力比越大;桩梁宽度与桩梁净间距之比越大,桩土应力比也越大;③使用水平加筋体能提高桩土应力比,提高的幅度与水平加筋体拉伸强度有关;④当路堤高度与桩梁净间距之比小于1.4时,无论是否使用水平加筋体,路堤顶面均会出现明显的差异沉降;当路堤高度与桩梁净间距之比大于1.6时,路堤顶面不会出现明显的差异沉降。该研究成果可为桩承式加筋路堤设计提供有益的参考。

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。

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。

筒桩桩承式加筋路堤现场试验研究

为了进一步明确筒桩桩承式加筋路堤的工作机制,在广州绕城高速公路九江—小塘段进行现场试验。试验结果证明,筒桩单桩竖向承载力大,均以刺入方式破坏,并且筒桩单桩复合地基承载力大,沉降小。筒桩桩承式加筋路堤荷载传递机制主要受"土拱效应"和"拉膜效应"控制,桩土应力比随路堤荷载以及桩顶与桩间土之间沉降差的变化而变化。路堤荷载下筒桩复合地基,总沉降小,桩帽上和桩间土上的土体存在沉降差,沉降差的发展可以反映土拱效应的发挥程度。另外,路堤荷载在地基土中产生的超孔隙水压力很小,且随深度迅速减小,地下6.0m处超孔压已接近0。路堤侧向变形小且随深度迅速减小,最大侧向变形发生在地下3.0～4.5m处。

柔性桩承式加筋路堤桩土应力比分析

针对柔性桩承式加筋路堤,建立了路堤-网-桩-土相互协调共同工作的荷载传递模型,通过改进的路堤荷载传递模型和假定的柔性桩侧摩阻力分布模式分析了路堤土拱效应和桩土相互作用,根据平衡条件推导获得了新的可以考虑土拱效应、拉膜效应和桩土相互作用三者耦合条件下桩土应力比及桩土差异沉降计算公式。通过工程实例的分析计算,验证计算模型的合理性,并分析了各因素与桩土应力比的关系。结果表明:网上、下桩土应力比均随路堤填土内摩擦角的增加先增大后减小,随桩体压缩模量、路堤填土压缩模量的增加而增大,随桩间土压缩模量、桩间距的增加而减小,且网下桩土应力比大于网上桩土应力比;网上桩土应力比随土工格栅抗拉强度的增加而减小,网下桩土应力比随土工格栅抗拉强度的增加而增大,网上、下桩土应力比差随土工格栅抗拉强度、路堤填土重度和填土高度的增加而增大。桩土应力比和桩土差异沉降理论计算值与工程实例实测值对应较好。

桩承式路堤中土拱形态与成拱过程中土拱效应研究

建立了平面应变条件下模拟土拱形成过程的弹塑性有限元模型。研究了桩承式路堤中的土拱形态,分析了影响土拱高度的主要因素和土拱形成过程中桩帽与桩帽间地基土之间的荷载分担特性。研究表明:平面应变条件下土拱的形态为半椭圆,填土内摩擦角和凝聚力的变化对土拱高度的影响较小。土拱高度随桩帽净距的增加先增大后逐渐减小,随路堤高度的增加先线性增加后稳定不变。完整土拱形成时土拱效应发挥程度最大,桩帽间地基土承担的路堤荷载不再向桩帽上转移。

桩承式路堤土拱效应的试验和数值研究

对桩承式路堤中的土拱效应进行了三维模型试验研究。根据试验结果,分析了应力折减系数大小和填土中的竖向应力分布特点。对比分析了实测值与Terzaghi方法和Hewlett&Randolph方法计算值之间的差异,验证了各方法的适用性。采用三维有限元对模型试验进行了数值模拟,重点分析了路堤填土的大主应力方向、应力水平和沉降模式等几个关键问题。试验和数值结果表明,Terzaghi方法与Hewlett、Randolph方法给出的应力折减系数数值接近,但填土中竖向应力分布模式截然不同,且与实测值有所区别。若在Terzaghi方法中采用合适的滑动面形状,得到的计算结果与实测值较吻合,能够反映竖向应力沿深度分布的特点。

砂填料桩承式路堤土拱效应模型试验

现有的桩承式路堤荷载传递计算方法主要依据3类土拱效应力学计算模型。由于宏观土拱形态观察的难度较大,现有计算方法普遍缺乏对不同填料与参数下拱效应传力机制以及宏观土拱拱形参数的深入探讨。采用自制的试验装置对砂填料桩承式路堤土拱效应模型进行探讨,进行了3组不同桩距比下3种填土高度的模型试验。模型试验装置配备了位移控制装置模拟与精确控制桩间土下沉,在下沉过程中连续、同步的采集土压力以及砂箱内部填料的照片,并通过摄影测量技术获取全场位移数据。通过对桩土应力比曲线特征以及曲线特征点所对应的填料颗粒位移图的综合分析,探讨了砂填料桩承式路堤拱效应传力机制,揭示了填料内部存在的初始三角形松动滑移面。基于此提出了初始三角拱力学计算模型,分析得到了滑移面角度随桩距比变化的规律,并利用滑移面夹角统计数据确定了拟合计算公式,通过力学推导建立了适用于砂填料桩承式路堤的桩土应力比计算方法。通过与Rogbeck法、BS8006法、Terzaghi法以及模型试验实测数据的对比,验证了计算方法的合理性。

软土层未打穿的桩承式路堤现场实测研究

以申苏浙皖高速公路为工程背景,对软土层未打穿的桩承式路堤进行现场实测研究。共选取2个管桩断面作为试验观测断面,在填筑时及填筑完成后对桩托板和桩间土上的土压力、路基沉降及下卧层沉降进行监测,并与软土层打穿时的实测结果作比较。研究表明:桩间距越大,桩体荷载分担比越小;软土层未打穿时荷载分担比为61.4%～75.5%,比打穿时小一些;软土层打穿与未打穿时的土拱高度都为桩托板净间距的1.0～1.4倍;软土层未打穿时桩土不均匀沉降比打穿时大;路堤填筑完成后的沉降约占总沉降的30.0%;下卧层沉降约占路堤总沉降的60.0%。将现场试验结果与4种理论方法的计算结果进行比较,评价各种方法的适用性。

考虑路堤填筑过程与地基土固结相耦合的桩承式路堤土拱效应分析

土拱效应分析是桩承式路堤设计时需要解决的首要问题,在总结分析已有现场测试资料及研究成果的基础上,建立能考虑路堤填筑过程与地基土固结相耦合的土拱效应计算模型。该计算模型比较完整地反映了从路堤开始填筑直到地基土固结完成整个过程中土拱效应的发展变化历程,模型计算结果与现场实测结果比较吻合。利用该计算模型对台缙高速公路工程桩承式路堤土拱效应及桩身中性点位置的变化特征进行分析,研究结果表明:(1)在路堤填筑过程中,桩土应力比迅速增加,路堤填筑完毕直至地基土固结完成这个过程中,桩土应力比虽然有所变化,但变化的幅度不大,与路堤刚填筑完毕时的桩土应力比相比,后期桩土应力比的变化幅度不大于15%;(2)在路堤填筑及地基土固结过程中,桩身中性点位置经历了先逐渐向下移动、尔后向上移动、再向下移动、最终趋于稳定位置的过程。该研究成果可为桩承式路堤设计提供有益的参考。

桩承式路堤中土拱效应产生过程可视化分析

"土拱效应"在提高桩承式路堤承载能力方面发挥着重要的作用。现今关于"土拱效应"的研究主要采用现场原型试验和数值模拟及其在此基础上的理论计算。借助于传统的光弹试验技术,研制出一种直径3 mm、透明度较高的聚碳酸酯光弹颗粒,用于近似模拟桩承式路堤中的土颗粒,通过自制的加载装置和光测力学图像处理系统,实现多种条件下路基内部应力分布的可视化,重点观测模型内部力链网格的产生、分布及变化规律,试验结果表明:填土高度会对土拱的形成及形状产生极大影响,填土高度太小,斜向力链会因缺乏扩展空间无法闭合而不能形成拱结构,随填土高度增加,土拱由三角拱向半圆拱或梯形拱过渡;荷载的大小变化不会影响土拱效应的出现,但会对土拱的结构形状产生较大影响;随桩距比的增大,土拱由三角拱向半圆拱或多拱演化,当桩距比大于3∶1时,土拱效应开始减弱直至消失,路堤承载能力大幅下降。

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。

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α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;α随土拱高度的增加呈对数关系减小。

桩承式围堤对邻近桥梁桩基的影响

桩承式围堤是将上部围堤或堆载荷重通过桩筏基础传递到深层较硬的土层,减少由于围堤或堆载对邻近桩基产生负摩阻力和侧向推力的一种构筑物。本文采用基于Geddes应力解的桩筏基础简化分析方法,以嘉兴港海盐港区三期围堤与杭州湾跨海大桥的穿越段为例,对桩承式围堤对邻近桩基产生的负摩阻力和侧向推力进行了理论研究,并与三维弹性和弹塑性数值模拟结果进行了对比分析。结果表明:①桩承式围堤可有效降低围堤或地面堆载等荷载条件对邻近桩基的影响;②本文采用的简化分析方法与弹性和弹塑性三维数值模拟结果吻合较好,可作为桩承式围堤结构基础的分析和设计方法。