采用减沉路堤桩处理大面积地面堆载下软土地基的设计与实践

基于20世纪70年代起瑞典、芬兰等北欧国家在软土地区的路堤下广泛采用传统路堤桩,以及20世纪80年代起中国上海等软土地区多层建筑下大量采用沉降控制复合桩基等两方面的工程经验,介绍了一种对大面积地面堆载下软土地基采用减沉路堤桩处理的新技术,该技术具有工期短、造价低和质量容易控制等显著优点。首先研究探讨了减沉路堤桩的一般概况和主要受荷与工作性状,然后提出了减沉路堤桩技术的主要设计步骤与方法,最后简要报导了采用减沉路堤桩处理的上海国际赛车场赛道地基工程实例。

长短桩组合路堤桩荷载分担规律离心模型试验与数值模拟

采用离心模型试验和三维有限元法,探讨路堤荷载下长短桩组合路堤桩的荷载分担规律。共进行4组离心模型试验,得到不同桩长比时长桩和短桩的桩土应力比随分级加载过程的变化曲线,以及相应的长桩和短桩桩身轴力的传递规律。基于离心模型试验的基本参数建立三维有限元模型,采用Gibson地基模拟离心场中软土地基强度沿深度方向逐渐增大的特性。计算结果与离心模型测试结果的对比验证模型建立的合理性;并且进一步研究长短桩组合路堤桩应用于存在持力层时的层状地基中的桩土荷载分担规律。研究结果表明:随着荷载的增加,长桩分担的荷载逐渐增大,而短桩和桩间土分担的荷载逐渐减小,且都趋于稳定值;桩长比越大,长桩分担的荷载越大;存在持力层时的层状地基更有利于长短桩组合路堤桩加固效果的发挥。

长短桩组合路堤桩三维复合拱土拱效应分析

基于等长桩路堤桩土拱效应的Hewlett分析方法,提出均布荷载作用下长短桩组合路堤桩的三维复合拱土拱效应分析方法。采用有限元法形象描绘土拱效应形成的应力集中形态随长桩与短桩的桩长比不同时的变化,基于此提出三维复合拱的基本理论框架。引入土拱效应系数来表征土拱的强度状态,建立桩帽顶部平面的应力平衡微分方程,结合边界条件及土拱效应系数之间的关系计算长桩和短桩的桩-土应力比;当加筋体存在时,分区域对加筋体进行变形假设,建立考虑加筋体拉力的桩帽顶部应力平衡微分方程。与离心模型试验和现场实测结果及有限元方法的模拟结果进行比较,验证了此方法的合理性,进一步开展参数分析对主要影响因素进行等级评价。分析表明,加筋体的存在明显增大桩-土应力比,尤其当桩帽覆盖率比较小时效果更为明显。

基于最小势能原理的加筋垫层与路堤桩土相互作用研究

桩承式加筋路堤由于涉及桩–桩间土–垫层–加筋体的相互作用问题而使其承载机理复杂,适用于分层土的简化计算方法尚需要深入研究。在广义桩–广义土物理模型的基础上引入加筋垫层,考虑桩土荷载传递及加筋体拉伸产生的弹性势能,推导了整个系统的总势能方程,并将其离散化,建立了一个无约束非线性数学规划模型。该数学模型以总势能方程作为目标函数,采用下降迭代算法求解总势能方程的最小值,可求得桩、土、垫层垂直方向上的变形。通过一个未加筋的算例对数学规划模型进行了验证,并结合某堆煤筒仓实际工程对该方法计算的加筋处理效果进行了讨论。

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。

桩承式路堤桩土荷载分担特性物理模型试验研究

基于自主研制的物理模型试验装置,开展了桩承式路堤桩土荷载分担特性试验。通过模拟桩土差异沉降形成过程,分析了不同填土高度下桩承式路堤应力分布变化特性,并阐明了桩土应力传递规律。研究结果表明:桩间土上方路堤自重传递至桩顶,进而导致桩间土的竖向土压力减小,桩顶土压力增加。随着桩土差异沉降增加,桩土应力比变化呈现出先快速增加、后略有减小、最后趋于稳定的变化趋势。路堤填土高度越大,最终稳定状态的桩土应力比越大。试验研究成果可为桩承式路堤工程设计提供理论支持。

考虑筋材旋转抛物面变形的桩承式路堤桩土应力比

在前人的桩承式路堤桩土应力比理论分析体系基础上,考虑加筋材料旋转抛物面的实际变形形态,改进桩承式加筋路堤的桩土应力比计算方法。经过工程实例验算表明,改进后的计算结果较前人的计算结果更加接近实测值,证明了该改进方法的合理性。进一步分析了加筋材料的拉伸模量和填土高度对桩土应力比的影响,研究结果显示:网下桩土应力比随加筋材料抗拉强度和填土高度的增加而增大,网上桩土应力比随加筋材料抗拉强度和填土高度的增加而减小。

基于Mindlin应力解近似计算路堤桩沉降

由于桩间土的分担荷载大部分以负摩阻力的形式传递给桩,因此近似假定路堤桩为上部荷载直接作用在中性点处的桩基,以此作为桩侧摩阻力的分布模式,用Mindlin应力解计算路堤桩地基中的附加应力与沉降,计算结果与实测结果的吻合程度较好。

基于Hewlett土拱模型桩承式加筋路堤桩土应力比计算

桩土应力比是桩承式加筋路堤荷载传递以及地基沉降计算的重要参数。基于Hewlett土拱模型,单独分析拱顶或拱脚土单元,假设拱顶土单元处于极限状态(拱脚土单元处于弹塑性状态),以均匀超载模拟交通荷载,推导桩土应力比计算公式;基于抛物线模型,考虑筋-土界面摩擦以及地基反力,改进张拉膜效应分析方法,推导加筋条件下桩土应力比计算公式。最后与相关文献实测数据进行对比验证,结果表明该方法与相关文献实测结果除桩间净距为100mm存在误差外,变化规律基本一致,当桩间净距大于100mm时,误差不超过8%。

基于Hewlett方法的桩承式加筋路堤桩土应力比改进

文中改进了拉膜效应对计算桩承式加筋路堤桩土应力比产生的影响,提出了新的计算方法。主要通过桩间加筋体的微分段静力平衡,然后,根据加筋体下的地基反力符合Winkler弹性地基模型的假定,耦合拉膜效应和加筋体上覆路堤的土拱效应可求得桩土差异沉降量以及网下桩土应力比。此外文中还分析了多种相关因素对桩土应力比的影响,也通过实例分析证明了该方法的可行性。结果表明:网下桩土应力比随土工格栅抗拉强度和填土高度的增加而增加,随桩间距的增加而减小,网上桩土应力比则反之;布桩形式不同,桩土应力比将随之改变,梅花形布桩时桩土应力比最大。该计算方法得到的桩土应力比计算值与实测值更加接近。

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。

深厚软土区桩梁式路堤承载及变形特性现场试验研究

为探究深厚软土区桩梁式路堤的荷载传递机制及深层地基变形规律,对桩梁式路堤的桩梁顶和桩间土压力、分层沉降、地基侧向变形和连梁钢筋应力进行长期监测研究。结果表明:路面下桩梁顶平面处实测土压力明显大于路堤中坡下实测土压力;地基深层水平位移随深度增加且呈“鱼腹”形变化,最大侧向变形主要集中在路堤中坡下近临坡脚区域。地基分层沉降随深度迅速衰减,并于地表下6 m后逐渐趋于平稳,分层沉降的稳定具有“滞后性”。连梁发生上侧受压、下侧受拉的挠曲变形,有利于桩梁式路堤整体受力。最后,将现场实测结果、现有理论和规范方法计算所得结果进行对比,表明桩梁式路堤的土拱效应比桩承式路堤更明显。

减沉路堤桩在辰山植物园高填土工程中的应用研究

为减少高填土对邻近主体建筑的不利影响,减沉路堤桩在辰山植物园工程中得到了广泛应用并在高填土与建筑挡墙之间发挥了隔离缓冲的重要过渡功能。结合现场复合桩基竖向极限抗压承载力静载试验、桩顶反力和土压力分布测试及沉降影响计算分析等要素,阐明该工程减沉路堤桩的设计方法及特点。通过系统研究路堤桩数值计算中结构参数的取值,分析相应的水平位移及桩身弯矩容许值,提出合理的填土和桩基施工工序。

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。

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。

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。

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。