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。     

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。     

路堤下现浇薄壁管桩复合地基工作特性分析

现浇薄壁管桩和土工格栅加筋碎石垫层所组成的复合地基加固软弱路基具有经济合理，施工时间短，承载力高，沉降减小明显等优点。采用非线性有限元对路堤荷载作用下的现浇薄壁管桩复合地基的工作特性进行了分析，结果表明：在路堤荷载作用下，路堤填土材料中的拱效应、土工格栅的拉膜效应或加筋垫层的刚性垫层效应、桩土间刚度差异引起的应力集中效应保证了大部分荷载由桩承担，有效地减小了总沉降和不均匀沉降。同时对荷载传递机理的影响因素做了分析.     

基于颗粒介质的桩承式路堤土拱效应试验分析

土拱效应的形成和荷载传递机制是进行桩承式路堤中桩土相互作用分析的关键性技术问题。为了探究宏观土拱效应形态的演化过程,借助于传统的光弹试验技术,研制出一种直径为3 mm的聚碳酸酯颗粒,通过自制的加载装置和光测力学图像处理系统,实现了桩承式路堤内部应力分布的可视化,直接观测到模型内部力链网格的产生、分布及变化,求得不同高跨比下桩土应力比变化,并与数值模拟的对比分析。结果表明,随着高跨比的减小,土拱形状由三角形变为半圆形,桩土应力比逐渐减小,当填土高度与桩间距的比值 时,可以形成完整的土拱;当 时,土拱效应开始消失。     

静载作用下土工格栅加筋拓宽路堤土中应力特征试验研究

为探究荷载作用下软土地基直接拼接拓宽路堤受力和变形特征,利用自行设计制造的模型试验系统,通过改变软土地基差异沉降、土工格栅加铺层数对软土地基高速公路直接拼接路堤进行一系列模型试验,研究各种工况下旧路与新拓宽路堤土中应力变化。试验结果表明,拓宽路堤在荷载作用下新旧路各断面土中竖向应力随着荷载的增大而增大,受路堤填土边坡与下伏地基侧向约束条件的影响,荷载作用下土中竖向应力在填土路堤与地基内沿深度方向呈现先减小、后增大、再减小的分布特征;软土地基拓宽路堤差异沉降对新旧路结合部位土中竖向应力影响较大,土中竖向应力随着差异沉降增大而增大;旧路范围内土中竖向应力受差异沉降的影响不大;在拓宽路堤填土的顶部和底部各布设一层土工格栅加筋层时可明显减小路堤土中竖向应力和路堤沉降：相同荷载作用下对比无加筋路堤,铺设2层土工格栅加筋路堤的顶面沉降最大可以减少62%,土工格栅加筋对软土地基拓宽路堤沉降有较好的控制作用。     

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。     

桩承式加筋地基室内试验及数值分析

为研究桩承式加筋地基作用机制及影响加筋效果的因素,设计天然软土地基、土工格栅加筋地基、桩承式地基、桩承式加筋地基4组模型试验,通过对试验结果的对比,分析阐述桩承式加筋地基的作用机制。同时,将三维数值模拟的结果与试验结果进行对比验证,在此基础上采用三维流固耦合的数值模型研究影响桩承式加筋地基处理效果的因素。研究结果表明,4组试验中,桩承式加筋地基加载板的沉降量最小,承载力最大;桩承式加筋地基的桩土应力比大于同样荷载条件下的桩承式地基;随着桩间距的增大,桩承式加筋地基表面沉降逐渐增大,桩土应力比逐渐减小;随着格栅模量的增加,桩承式加筋地基表面沉降逐渐减小,桩土应力比逐渐增大。     

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。     

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。     

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。     

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。     

DEM analysis of “soil”-arching within geogrid-reinforced and unreinforced pile-supported embankments

Geogrid-reinforced and pile-supported (GRPS) embankments have been widely used in road engineering due to their economy and effectiveness. The soil arching effect is a key factor in the load transfer mechanism of GRPS technique. In this study, a series of numerical simulations are conducted with the particle flow code PFC2D to study the evolution of soil arching with increasing surcharge. First, an Improved Multi-layer Compaction Method (IMCM) is proposed and applied to establish the Discrete Element Method (DEM) models with more reasonable initial stress states. Validation is then conducted by comparing the DEM results with experimental data. Second, detailed macro-behaviour (e.g., efficacy) and micro-behaviour (e.g., contact forces and fabric anisotropy) analyses are performed. Finally, parametric study is performed to identify the effects of two key factors, i.e., the stiffness of subsoil and the grain composition of embankment fill. Simulation results indicate that the strong force network (SN) serves as a load-carrying force chain, which is the main component of soil arching; while the weak force network (WN) acts as a support system. When a pile-supported embankment is high enough, the soil arching will experience three stages as the surcharge increases. In the first stage, the soil arching develops and its effect is strengthened gradually. In the second stage, the soil arching is fully mobilized and experiences a “forming-failure-reforming” process as the surcharge increases. While in the third stage, the embankment is unable to form a new stable soil arching and the efficacy decreases gradually. However, for the GRPS embankment, due to the reinforcement of geogrid, the third stage will not occur throughout the entire surcharge range of interest in this study. On the basis of the macro- and micro-results, the conclusion can be drawn that the presence of geogrid does not alter the failure mode of soil arching under the surcharge, though it is able to evidently improve the efficacy of load transfer and enhance the stability of soil arching.     

基于双剪强度理论土拱效应的基坑支护桩间距分析

在分析桩间土拱效应形成机理的基础上,以圆形支护桩为研究对象,利用合理拱轴线和起拱点土体破坏面等几何特征,建立抛物线土拱分析模型,通过桩间土拱静力平衡条件和双剪强度理论来确定桩间距,推导出圆形支护桩的合理桩间距计算公式,桩间净距随桩后土体粘聚力或内摩擦角的增大而增大,却随着桩后主动土压力或中主应力参数m的增大而减小,且随着参数m的增大,桩后主动土压力是逐渐增大的.最后通过工程实例计算支护桩间距,并与有限元法和规范法计算结果进行比较,验证了基于双剪强度理论土拱效应的基坑支护桩间距计算结果的合理性和安全性.     

桩与土工格栅联合作用对高速公路路堤地基承载力影响的有限元分析

针对目前国内采用桩与土工格栅联合作用加固高速公路软土地基的新方法,利用平面应变弹塑性有限元方法,建立路基的二维有限元模型进行数值分析计算。对人们普遍关注的土工格栅在提高地基承载力和稳定性方面的有效性进行分析,并研究在置换率相同情况下桩径和桩间距的变化以及在置换率变化条件下不同桩径和桩间距的选取对复合地基承载力的影响规律,为今后桩基的优化设计提供可靠的参考依据。