桩网结构路基动静承载性状分析

为研究桩网结构路基在静动荷载作用下的承载性状,采用有限元分析方法对桩网结构路基在静动两种荷载下的承载特性、荷载传递机理、土拱形成及发展规律进行了数值计算。通过分析静动两种工况下桩土应力、桩周土压力分布、桩土应力比及土拱效应,并与试验结果进行了对比分析。结果表明:静载作用下基桩轴向应力约为400 kPa,最大土压力出现在路基中部,且沿路基横向向外逐渐减小;动载作用下沿路基横向布置的桩体的动应力在埋深方向呈先增大后减小趋势,其竖向应力最大值约为静载下的160%;动载下路基内部土拱效应较静载有大幅削弱,其中削弱最大的为四桩中心处的空间土拱效应,其桩土应力比约为静载的29.3%。

静动荷载下桩网结构路基土工格栅承载特性试验研究

以京沪高速铁路徐沪段路基为研究对象,通过室内大比例模型试验,研究了静动荷载作用下桩网结构路基土拱效应与土工格栅承载性能的变化规律,分析10万次动荷载作用后土工格栅的承载特性。结果表明:在路基填筑初期未形成稳态土拱前土工格栅应变增长较快,当形成稳态土拱后土工格栅应变增长趋于稳定,且桩帽边缘处土工格栅应变增长最快,土工格栅使得桩顶上方多承担了7.6%的荷载;10万次动荷载作用下,土拱效应依然有效,但是会产生一定程度的弱化,土工格栅减小了动荷载对土拱效应的削弱作用;相比静载动荷载作用下土工格栅应变增长迅速,最大增长了约19%;动荷载作用后土工格栅会产生拉力退化与软化现象。

桩网结构路基应力传递特性及累积沉降规律

桩网结构路基由于诸多优点而成为高速公路、高速铁路广泛采用的一种路基形式。通过足尺物理模型试验研究了动、静荷载作用下的应力传递特性以及长期列车荷载作用下的路基累积沉降规律。试验表明,路堤内部的静应力先随路堤深度衰减,到达土拱区域后,桩顶上方土体的应力并没有衰减,反而随路堤深度递增,即产生明显的土拱效应。列车动荷载作用下,土拱效应仍可以发挥作用,动应力沿深度的分布模式与静载作用下类似。该种形式的桩网结构路基在40k Pa静载作用下,变形小于1mm,荷载20k Pa时,路基弹性变形小于0.4mm。该种路基在列车循环荷载作用下的累积沉降在毫米级别,并在列车运营的1~2年内完成。

循环荷载下桩网结构路基和垫层动力响应研究

基于相似理论，开展了4组桩网结构路基大比例动态模型试验，测试了循环荷载下桩网结构路基的动力响应指标，研究了降雨前、后加载力、加载频率以及循环加载次数对路基的动力响应、桩土荷载分担以及垫层格栅应变的影响。结果表明，降雨后路基动应力和动加速度均会增大，并且在基床内部增速较快，而路堤下部其增长基本趋于稳定；循环加载期间桩土应力比缓慢增大，其受降雨影响敏感，雨后降幅可达56．4％-79．5％；循环加载完成后垫层格栅应变增大，其横向分布特征基本保持不变；土拱形成后路基填高继续增加，路基宽度范围内4桩中心格栅应变增幅较大，峰值出现在边坡中心和路基中心附近，横向分布呈“W”型；两桩中心的格栅应变由路基中心向坡脚处呈“台阶”型递增，而路基宽度与边坡范围的格栅应变差距不断缩小。

遂渝线无砟轨道桩网结构路基现场动车试验测试分析

遂渝线无砟轨道综合试验段是我国首条成区段铺设的无砟轨道铁路,在综合试验段上试用桩网结构解决土质路基上铺设无砟轨道的技术难题。为考察桩网结构路基在不同列车荷载作用下的响应规律,尤其是对网垫层的动力作用大小,结合工程实践,对无砟轨道桩网结构路基进行现场动车组和货物列车试验测试。结果表明:采用无砟轨道结构可以有效改善列车荷载对路基基床的动力作用,测得的动应力与加速度值均远小于有砟轨道结构测得的值;列车轴重对无砟轨道路基的动应力影响明显,对加速度响应也有一定影响;无论是动车组还是货物列车,其运行速度对路堤部分的动响应影响均有限;动应力与加速度经3 m高的路堤后衰减,对桩网结构路基下部的网垫层已基本无影响。

列车动荷载下桩网结构路基土拱效应试验研究

通过三维模型试验研究了列车动荷载作用下的土拱效应。试验结果表明,动荷载作用下土拱效应依然有效,随着填土的增高,土拱效应在增强,土工格栅的存在可以增强土拱效应的作用。但动荷载条件下动应力的分布与自重条件下的应力分布截然不同。动荷载作用下土拱效应会发生退化,表现为动荷载施加过程中先前由桩所承担的部分动应力会转移至桩间土;完成动荷载施加后,最初由桩承担的部分自重荷载也会转移至桩间土。填土高度和土工格栅对于动荷载作用下土拱的稳定性有很大的影响,但当高度达到一定值之后,填土高度的影响就可忽略,土工格栅的存在使得土拱效应的削弱程度减小了一半。

桩网结构路基承载特性的现场试验研究

为了考察路堤荷载作用下桩网结构路基桩土间的荷载分担与传递、垫层筋带拉力的组成与分布,选择某新建铁路桩网结构路基试验工点进行了现场试验,测试了地基变形、路堤基底压力、孔隙水压力、桩身轴力和格栅拉力等数据。测试数据表明:①地基沉降以压密下沉为主,路基结构稳定,软土较厚一侧地基变形较大;②当桩、土间沉降差与桩间净距的比值为5.93%时,土拱效应完全发挥,之后增加的路堤荷载完全由桩承担;③桩间土竖向附加应力在加固区内沿深度呈K型分布;④筋带拉力沿路基横向呈M型分布,软土较厚一侧拉力较大;⑤筋带拉力由路堤荷载作用下的桩间筋带张力与路堤横向滑移引起的筋带拉力两部分组成,设计筋带时二者均需考虑。

条形抛物线荷载下桩网结构路基的附加应力计算

高速铁路严格的工后沉降控制标准对沉降计算的精度提出了高要求,沉降计算精度的提高很大程度上依赖于地基附加应力计算精度的提高,因此附加应力的计算问题尤为重要。针对桩网结构路基现有研究中对桩间土荷载均匀分布和对称三角形分布的假设,提出桩间土荷载呈抛物线形式分布的假定;从推导桩网结构路基桩间土条形抛物线荷载的分布函数着手,提出条形抛物线荷载下弹性地基的附加应力计算公式;通过数值模拟验证理论推导的正确性和可靠性,并结合工程实例分析验证所提的桩网结构路基附加应力计算方法的合理性和优越性。研究成果可为提高桩网结构路基的附加应力计算精度提供参考。

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.

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。

高周次列车荷载作用下桩网结构路基桩土应力比计算方法及特性研究

为满足桩网结构路基承载性能设计及其长期服役稳定性预测的需要,基于HCA模型,借助Abaqus有限元平台的二次开发实现了显隐式转换计算方法,并通过现场测试数据进行验证。利用该算法,研究了高周次列车荷载作用下动荷载作用次数、幅值等因素对高速铁路桩网结构路基中桩土应力比的影响。结果表明:高周次动载影响下,桩土应力比随振次的增加呈现先减小后趋于稳定的规律,伴随着桩顶上方应力集中区域减小、竖向应力分叉点下移,其影响范围自混凝土底座外3 m以1∶1的坡度向下扩散;动荷载幅值影响着桩土应力比随循环次数的变化规律,动静荷载比大于1.67时,桩土应力比迅速减小至土拱效应消失,动静荷载比小于0.33时桩土应力比保持稳定。

循环荷载下桩网结构路基桩土相互作用分析

为了研究循环荷载下降雨前后无砟轨道桩网结构路基的动力特性,尤其是桩土相互作用特性,开展了4组大比例尺动力模型试验。试验结果表明:桩土差异沉降影响受加载力和降雨条件影响较大,而受加载频率影响不明显;试验时桩的中性点大致位于0.63L(L为桩长)处,且基本不受加载力、频率、降雨等外界因素影响;桩侧摩阻力在加载力、加载频率、降雨等影响下均有明显增长。

超固结膨胀土地基桩网结构路基承载特性现场试验研究

以膨胀土区云桂客运专线CFG桩网结构路基为工程背景,开展全尺寸现场路基填筑试验,对比分析3种不同桩长和2种不同桩间距CFG桩网结构路基的桩土沉降、桩土应力比、格栅拉力以及地基反力的演变规律。研究结果表明:随着荷载的增加,土拱效应会经历初级土拱-完整土拱-增强土拱的演变过程,土拱效应的增强与地基的超固结特性和静置期间的应力重分布有关,二次填筑过程中长桩(S3、S4)的土拱系数曲线经历了从摩擦型桩到端承式桩的转变,这种现象对于短桩(S2)并不明显。桩的承载效率E随着桩长的增加而增大,最终稳定值约为80%;在填筑初期会产生较大的瞬时地基反力,从而导致桩间土强度折减效应的波动,其随着土拱效应的产生迅速减小并趋于稳定,S1~S4的稳定值分别为0.81、0.56、0.46、0.31。格栅应变主要发生在填筑初期,第一次填筑过程中的应变主要由桩土差异沉降导致,第二次填筑过程中的应变主要由复合地基整体沉降导致。最后通过对比分析7种不同土拱理论计算结果,发现同时考虑地基反力并引入土拱塑性系数α和等效土压力系数β能够更好地预测该地区拱的发展过程,现有理论方法均无法直接预测土拱的增强效应。研究成果可为类似地区高速铁路桩网结构的结构设计和变形控制提供参考。

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。

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。

高速铁路桩网结构路基沉降变形数值模拟分析

本文以武广高速铁路乐昌段路基工程为依托,利用有限差分软件FLAC3D建立了数值模型,构造出作用于路基表面的列车荷载函数,并对该路基工程桩土应力分布、桩土沉降特征及路堤等沉面与桩间距、桩径等参数的关系进行了数值模拟计算与分析。结果表明:在桩体打穿软土层的情况下,桩土应力比主要由桩间距决定,且桩间距越大,桩土应力比也越大;桩间距越大,桩土差异沉降也越大;等沉面的高度约为桩间距的1.5～1.7倍。该研究可为高速铁路桩网结构路基的设计提供参考。

静动荷载下桩网结构路基模型试验研究

通过室内模型试验测试了桩网结构路基各部分在动静两种荷载下的桩-土应力、格栅拉力,研究了土拱效应的发展演化机制以及土工格栅拉膜效应的发展特点。试验结果表明:桩-土应力以及格栅拉力的分布都是路基横截面方向上大于其纵向延伸方向,这与路基的梯形截面设计相关;空间土拱效应要强于平面土拱效应,空间土拱效应的极限状态出现在桩-土应力比为3.8时,平面土拱效应的极限状态出现在桩-土应力比为2.2时;动荷载下土拱效应较静载有一定的衰减,且静载下土拱效应越强的部位在动载的下衰减程度越大,桩间土压力随振次的发展趋势类似N型,与桩顶土压力的变化趋势正好相反。

基于土拱效应的桩网结构路基稳定性可靠度分析

基于路基土拱效应的应力集中现象,并考虑荷载及土体参数的变异性,建立了桩网结构路基稳定性的可靠度计算模型,给出了可靠度分析的计算方法及流程。以某一典型高速公路桩网结构路基进行稳定性分析为例,分别利用安全系数法和可靠度方法设计了该桩网结构路基加固桩长度,并基于荷载及土体参数变异性,对可靠度指标进行了敏感性分析,结果表明:荷载及土体参数的变异性对桩网结构路基的稳定性影响显著,利用可靠度方法来计算桩网结构路基加固桩长度的设计更为安全和合理;需要特别注意第二层土的极限侧阻力及路基面附加荷载变异性的影响,而路基填料内摩擦角及加固桩极限端阻力可当作常量来处理。

桩网结构路基格栅侧限作用以及格栅拉力研究

通过建立桩网结构路基二维有限元分析模型研究桩网结构相互作用,重点分析了土工格栅在桩网结构路基中的侧限作用以及拉力分布特征,探讨了桩网结构相互作用对格栅拉力分布以及桩身侧向变形的影响规律。计算结果表明:土工格栅拉力最大处发生在桩顶中心上方,桩间中心处最小;土工格栅能够有效的限制桩身的侧向变形,同时格栅刚度越大,效果越明显;土工格栅拉力的分布不仅受到路基主动土压力以及桩间格栅上部荷载的影响,桩身侧向变形对格栅拉力的分布也有明显的影响,且在坡脚处影响最为明显。

桩网结构路基现场沉降测试分析

基于桩网结构突出的优点,结合某铁路线桩网结构路基工程实践,进行了现场沉降测试分析,结果表明经桩网结构处理后的路基工后沉降量非常有限,能满足高速铁路的要求。