桩承式路堤土拱效应三维离散元分析

为探究桩承式低路堤的空间土拱效应演化规律,采用PFC3D软件建立了3种不同高度低路堤三维活动门颗粒流模型。将试验结果与既有解析解进行对比,分析路堤内部竖向土压力分布特点、土拱发展模式和土体的沉降变形规律。研究结果表明, 桩土荷载分担比达到稳定状态时4桩顶部形成力链球状拱结构,构成荷载传递路径,应力拱拱高随填土高度的增加表现出先增加后稳定的变化;挡板不同位置土拱率■的变化特点显示土压力分布不均匀,呈现出4桩中心大于2桩中心大于2桩中心两侧的分布特点,土拱率■稳定值处于0.2～0.4内;从变形的角度来看,依据土体竖向沉降量沿高度的分布可判断等沉面高度约为1.2B（B为桩净间距）,等沉面以下桩间土上部沉降量大于桩顶上部土体,随埋深的增加差异沉降不断增大,总体呈现下凸状;土体的滑裂面形状存在三角形扩展式和等沉面式,在等沉面破坏模式中土体内部滑裂面呈现为穹顶状。提取桩间土整体平均土压力、4桩中心（区域Ⅰ）土压力、2桩中心（区域Ⅱ）土压力以及两桩中心两侧（区域Ⅲ、Ⅳ）土压力随活动门下移量的变化并进行归一化处理,得到不同填土高度土拱率随下降位移的结果,如图7所示,归一化位移量为挡板下移量与桩净间距B的比值。     

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? 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;? 随土拱高度的增加呈对数关系减小。     

桩承式加筋路堤三维土拱效应试验研究

桩承式加筋路堤受力性状比较复杂,土拱效应对路堤的承载变形性状具有重要影响。通过三维土拱效应模型试验,研究桩-土相对位移、路堤高度、桩帽净间距和水平加筋体拉伸强度等因素对桩土应力比及路堤沉降的影响。结果表明：土拱效应发挥程度与桩-土相对位移密切相关,存在一个临界桩-土相对位移使得桩土应力比达到最大值,该临界桩-土相对位移约为6～8 mm。路堤高度与桩帽净间距之比越大,桩土应力比越大,路堤顶面差异沉降越小;桩帽宽度与桩帽净间距之比越大,桩土应力比越大,路堤顶面差异沉降越小。设置水平加筋体能有效提高桩土应力比并减小路堤顶面沉降;路堤越低,水平加筋体对桩土应力比的提高作用及对路面沉降的减小作用越明显;水平加筋体拉伸强度越高,这种作用越明显。桩承式加筋路堤三维土拱效应等沉面高度与桩帽净间距之比约为3.5。     

桩承式路堤土拱效应的改进Terzaghi方法

桩承式路堤的关键问题在于桩体荷载分担比的计算,其主要方法是土拱理论。本文在传统太沙基土拱理论的基础上,通过改进边界条件、侧向土压力系数和考虑变形等三个因素对其进行了改进和修正,建议土拱高度取值为1.4(s-a),并考虑路堤沉降对侧向土压力系数k的影响,建立了改进的土拱效应计算方法。通过对两个工程实例的计算,本文提出的计算结果和实测结果具有很好的一致性,而且反映出了土体应力分布规律、土拱作用机理以及土拱的作用范围。     

基于改进Terzarghi方法的桩网地基桩土应力计算

桩土应力比是桩网复合地基承载力和沉降计算的重要参数,其与地基的固结沉降相关,具有明显的时变特性。已有基于Terzarghi土拱模型的松动土压力计算理论是在滑动面土体均达到极限状态的假定上讨论的,不适用于桩网地基小变形条件下桩土应力的计算。为此,在Terzarghi模型的基础上,相对位移面摩阻力传递函数采用等刚度理想弹塑性模型,结合土体单元的平衡方程与变形协调方程,导出了桩土应力及土拱高度理论解,系统分析了桩土应力及拉膜效应随各设计参数的定量变化规律。分析结果表明,改进方法与现有土拱效应模型相比适用性较好,随着桩土差异沉降增加,土拱高度和桩土应力比逐渐增大,土拱率呈双曲线形减小,同时拉膜效应逐渐发挥。增加填筑荷载对土拱效应有显著削弱作用,桩土应力比随桩距增大而减小,随黏聚力增大而增大。结合改进方法与已有现场实测数据,分析了桩土应力的时变特性,验证了该方法的合理性,可为桩网地基桩土应力计算提供参考。     

基于改进Terzarghi方法的桩网地基桩土应力计算

桩土应力比是桩网复合地基承载力和沉降计算的重要参数,其与地基的固结沉降相关,具有明显的时变特性。已有基于Terzarghi土拱模型的松动土压力计算理论,是在滑动面土体均达到极限状态的假定上讨论的,不适用于桩网地基小变形条件下桩土应力的计算。为此,在Terzarghi模型的基础上,相对位移面摩阻力传递函数采用等刚度理想弹塑性模型,结合土体单元的平衡方程与变形协调方程,导出了桩土应力及土拱高度理论解,系统分析了桩土应力及拉膜效应随各设计参数的定量变化规律。分析结果表明,改进方法与现有土拱效应模型相比适用性较好,随着桩土差异沉降增加,土拱高度和桩土应力比逐渐增大,土拱率呈双曲线形减小,同时拉膜效应逐渐发挥。增加填筑荷载对土拱效应有显著削弱作用,桩土应力比随桩距增大而减小,随粘聚力增大而增大。结合改进方法与已有现场实测数据,分析了桩土应力的时变特性,验证了该方法的合理性,可为桩网地基桩土应力计算提供参考。     

循环荷载下竖向土拱演化规律试验研究

土拱效应广泛存在于结构-土相互作用体系中,并不可避免的受到动荷载的影响。为探究循环荷载下土拱的演化过程,开展了循环加载下的活动门试验,结合粒子图像测速法（PIV）,对土拱的结构形态、位移场及竖向应力的变化规律进行了分析。结果表明,初始土拱形成时活动门上方产生三角形脱空区,施加循环荷载后该结构边界逐渐沿竖向延伸并向填土表面发展,位移场影响范围呈扇形向两侧扩大。根据初始差异沉降的不同,土拱的发展演化呈现出最终状态的差异：达到新的稳定状态,或发生失稳破坏。循环荷载下,初始活动门位移较大时土拱更易趋于破坏,表现为脱空区贯通填土表面并形成竖向滑裂面。土拱结构的稳定性受到脱空区土体堆积对其下边界的支撑作用影响。     

循环荷载下竖向土拱演化规律试验研究

土拱效应广泛存在于结构?土相互作用体系中,并不可避免地受到动荷载的影响。为探究循环荷载下土拱的演化过程,开展了循环加载下的活动门试验,结合粒子图像测速法（PIV）,对土拱的结构形态、位移场及竖向应力的变化规律进行了分析。结果表明,初始土拱形成时活动门上方产生三角形脱空区,施加循环荷载后该结构边界逐渐沿竖向延伸并向填土表面发展,位移场影响范围呈扇形向两侧扩大。根据初始差异沉降的不同,土拱的发展演化呈现出最终状态的差异：达到新的稳定状态,或发生失稳破坏。循环荷载下,初始活动门位移较大时土拱更易趋于破坏,表现为脱空区贯通填土表面并形成竖向滑裂面。土拱结构的稳定性受到脱空区土体堆积对其下边界的支撑作用影响。     

桩承式路堤承载特性的颗粒流模拟

现有的土拱效应计算方法中,由于采用的计算模型不同,计算结果差异很大。文中克服传统连续介质力学模型的宏观连续性假设,采用二维颗粒流程序（PFC）建立基于模型试验的细观数值分析模型,对桩承式路堤中土体接触力、应力分布、主应力方向、竖向位移进行分析,并比较计算和实测结果,研究土拱效应的荷载传递机制。同时,对不同桩帽、桩间距、填土高度、颗粒大小、摩擦角的情况进行PFC方法的参数敏感性分析。研究结果表明,桩承式路堤桩顶处局部范围可按弹性核考虑;土拱的分布型式受桩帽型式、桩净距、格栅的影响;实际土拱作用的影响范围主要集中在路堤底面以上约1倍桩净距的区域;土拱内部的竖向应力和水平应力均随深度非线性改变,桩土应力比随着荷载水平、土体内摩擦角、颗粒大小的增大而增加。     

路堤荷载下考虑地基成层性的复合地基加固区沉降计算

根据路堤荷载下复合地基的荷载传递机理及变形特征,基于弹性理论,引入假定的桩间土位移模式,综合考虑路堤填土的土拱效应、复合地基加固区桩间土的成层性,建立了典型单元体的平衡方程,应用桩土位移协调条件及边界条件,得到了各层土范围内桩、桩周土竖向应力及桩侧剪应力的分布规律,从而推导出路堤荷载下复合地基加固区桩及桩周土压缩量计算的解析式,获得了表征复合地基工作性状的桩土应力比及沉降变形的解析表达式,并分析了加固区桩周土体层序对复合地基受力变形特性的影响。研究结果表明:当地基浅层土质较好时,复合地基加固区压缩量较其他情况下小,按本文建议的方法计算所得结果满足工程计算精度要求。     

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。     

桩-网加固拓宽路堤土拱效应试验研究

采用桩-网加固拓宽路堤时,土拱效应对于分析新老路堤应力分布和差异沉降有至关重要的作用。依托某高速公路路堤拓宽项目对土拱效应进行研究,对试验段新路堤填筑过程及运营时基底桩及桩间土不同位置处土压力、加筋层拉应变进行监测,得到二维平面土拱效应的变化规律,并利用已有土拱效应计算方法对现场实测结果进行对比验证。结果表明,平面土拱作用范围在一定高度范围内,试验段约为2.0 m,即拱高、拱跨之比约为1.4,与英国规范BS8006[1]相近;按Guido法[2]与BS8006法[3]进行土工格栅的设计均过于保守,除Guido法以外,几种方法均低估桩间地基土的承担荷载贡献。因此,需在理论上作进一步研究。     

高铁荷载下桩承式路基动力响应及土拱效应研究

土拱效应的作用机制是桩承式路堤荷载传递的关键性技术问题,然而高铁荷载作用下桩承式路堤中土拱效应的研究尚不充分。基于高铁设计规范的相关内容,建立了高铁荷载作用下桩承式路堤三维有限元分析模型,并采用已有研究结论验证了数值模型的正确性。根据该数值分析模型,首先分析了高铁荷载作用下路基的动力响应,研究了高铁荷载作用下道床和路堤不同位置处的竖向位移随时间的变化规律,以及路基中速度与加速度沿深度的分布规律。研究发现：道床和路堤表面处的竖向位移随时间变化呈倒“M”型周期变化,而路堤底部处呈“V”型周期变化;速度与加速度在路基深度范围内衰减了80%。通过变化桩间距、路堤高度以及路堤材料参数,分析其对高铁荷载作用下路堤应力和沉降发展规律的影响,进而分析其对土拱效应的影响。研究结果表明：动载作用下土拱效应依然存在,但有所减弱,动载峰值作用下减弱程度最大,谷值情况下有所恢复;桩间距和路堤高度对高铁荷载作用下桩承式路堤中土拱效应的影响较为明显,而路堤填料内摩擦角和剪胀角的影响则相对较小。     

基于水平土拱效应的桩间挡土板土压力计算研究

为了研究桩间存在土拱效应的挡土板土压力,本文根据桩间土拱的静力平衡条件和拱脚处土体强度条件,建立计算模型,得出了桩间土拱形状的空间函数。在分析桩间土拱形状的基础上,确定了桩间土体的滑裂面,从理论上推导出了桩间挡土板土压力计算公式。对影响土压力大小的各种参数进行了分析得出:在不同参数条件下,将其与朗肯土压力进行比较。结果表明在其他因素不变的情况下,挡土板土压力大小受桩间距影响最大,它随着桩间距的增大而增大。土压力明显小于朗肯土压力,说明考虑土拱效应的土压力计算方法使挡土板设计更加经济准确。     

桩承式路堤土拱效应发挥过程研究

通过三维模型试验对桩承式路堤中土拱效应发挥过程进行了研究,重点分析了不同桩顶盖板尺寸、不同加筋方式下应力折减系数与差异沉降之间的关系。结果表明,土拱效应随变形的增加而发挥;加筋材料的设置减小了差异沉降,削弱了填土中的土拱效应,荷载向桩顶的传递是土拱效应和拉膜效应共同作用的结果。采用有限元法对桩间距、填土高度等未能在模型试验中考虑的关键因素进行了参数敏感性分析,总结了土拱效应发挥过程的相关规律。根据有限元计算结果、试验数据和文献中收集到的实测资料,提出用土拱效应发挥系数和归一化位移来描述土拱效应的发挥过程,建议二者之间采用双曲线方程模拟,从而在设计中体现土拱效应随位移的发展,并满足路堤填土、加筋材料和地基之间的变形协调要求。     

桩承式加筋路堤的现场试验及数值分析

对一桩体面积置换率为8.7 %的低置换率桩承式加筋路堤进行了现场试验及三维有限元分析。现场主要进行了桩、土荷载分担,孔压、沉降及侧向水平变形等内容的观测。将观测数据与常规设计方法及三维有限元分析结果进行了对比研究,在此基础上对设计方法的适用性进行了分析。研究结果表明,路堤填土的土拱效应造成荷载向桩体转移,这种荷载转移大幅度减小了在软土层中产生的超孔隙水压力。当填土高度大于2.5 m时,土拱效应的应力折减系数可用Russell和Pierpoint或Hewlett和Randolph提出的土拱效应分析方法进行计算,其结果与三维有限元分析也较相符,但在路堤高度较小时,只有Russell和Pierpoint方法与实测结果相接近。路堤施工过程中,实测的水平变形与沉降之比仅为0.2左右,这表明采用桩承式加筋路堤不仅可减小沉降,而且可减小水平向的变形,提高路堤的稳定性。     

超大面积深厚软土桩-网复合地基现场试验研究

结合潮汕车站软基处理工程设置监测断面,埋设相关监测仪器,对桩-网复合地基上部路堤填土施工过程中地表沉降、深部分层沉降、深部水平位移、桩顶应力、桩间土应力、土工格栅伸长量等的变化进行观测分析,结果表明,在加载初期,桩间土和桩顶土的应力都存在一个迅速增大的过程,但桩顶土应力增大的速率要大于桩间土应力增大的速率;当填土达到一定高度时,桩间土应力出现极值,产生的土拱效应会使4桩中心处的应力小于2桩中心处的应力值;管桩的轴力、摩阻力和地层情况密切相关,且均随时间、荷载的增加而增大;地基分层沉降的速率与路堤填土的速率呈正相关,沉降量的大小与地层深度和地层特征有关;土工格栅的拉伸位移量随着填土高度的增加而增加,且其增长速率经历了由慢到快再到缓的过程;地基水平位移随荷载的增加而增大,随深度增加而减小,管桩有效地限制了地基的水平位移。     

考虑滑体法向应力突变的阻滑桩成拱效应研究

依据阻滑桩的受力特点,研究了桩间土拱效应的传力机理,分析指出桩间土拱效应是法向应力和拱脚剪切力共同作用而产生的土颗粒挤压变形现象,提出采用突变效应替代常用的桩-土承载比衡量桩间土拱效应的强度及作用范围更为直接可靠.模型桩推力试验结果和三维有限元模型计算表明,桩间水平土拱具一定的纵向效应,据此对比分析了阻滑桩三维与二维计算结果之间的异同,指出桩间土拱效应不仅受桩-土相对位移的影响,同时也受滑体自重应力和滑面摩擦效应的制约.运用二维模型重点研究了桩-土相对位移、桩间净距、推力荷载、土体抗剪强度对桩间土拱效应的影响,将所得规律与已有文献作了进一步地对比,继而总结了上述因素对拱效应的敏感度.     

路基荷载下PCC刚性桩复合地基沉降简化计算

将路堤荷载作用下的刚性桩复合地基变形,简化为只有竖向变形,水平变形可以忽略,然后,应用土体的平衡、几何、物理方程,建立沉降计算的控制方程。桩土界面的接触条件按位移协调或产生滑移变形两种情况分别建立,采用有限差分法离散求解,可得桩、桩周土各自的沉降变形、桩土界面的摩擦力分布。与有限元分析和现场实测结果的对比表明,该简化方法具有较高的准确性,可以方便地应用到工程实际。     

桩承式加筋路堤格栅分析

将单桩等效处理范围简化为圆柱体,假定桩间土上部的格栅受上覆土压力作用后变形为二次抛物面,考虑路堤中的土拱效应,得到了格栅受力分析的解析方法。当路堤中的土拱处于弹性状态时,格栅对提高桩体荷载分担比的作用不大;当路堤中的土拱处于塑性状态时,格栅对提高桩体荷载分担比有明显的作用;当格栅与地基的相对刚度较小时,格栅对减小桩间土沉降的作用很小。最后对一个模型试验结果和一个工程实例进行了分析。