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。     

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ρ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ρ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。     

Y型沉管灌注桩加筋路堤力学性状试验研究

结合申嘉湖杭（上海―嘉兴―湖州―杭州）高速公路嘉兴段Y型沉管灌注桩处理桥头软基实体工程,通过路堤填筑荷载下Y型沉管灌注桩加筋路堤路基表面及桩帽上下应力分布的现场试验研究,获得了路堤荷载下桩帽间土体表面应力、桩帽上应力及桩帽下土体表面应力的分布及变化规律,比较了距桩不同位置处桩帽间土体表面应力差别、桩帽上与桩帽下应力差别、桩帽下与桩帽间土体表面应力差别、桩帽上与桩顶上应力差别,分析了桩-土应力比及荷载分担比在路堤填筑荷载下变化趋势及规律。通过特殊加载时间段,分析了路堤填筑加载后应力及桩-土应力比调整规律。通过路堤进入预压期后的观测数据,分析了路堤进入预压期后桩-土应力比及荷载分担比变化规律。     

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。     

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。     

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。     

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.     

桩承式路堤土拱效应简化分析方法

为了加强对桩承式路堤中土拱效应的理解,采用有限元方法对不同桩间距、填土高度和内摩擦角的情况进行了参数敏感性分析。计算结果表明,对于填土高度与桩净间距之比H/(s-a)≤1的低路堤,填土中的破坏面为通过桩边缘的竖直面;而对于H/(s-a)≥1.5的高路堤的情况,最终填土中将发展成类似经典地基承载力理论中的由弹性楔体、径向剪切区和被动破坏区组成的区域。基于有限元得到的破坏模式,建立了土拱效应的二维简化分析方法,并与有限元和文献收集得到的试验数据进行了比较。结果表明,由于采用了合适的破坏面假设,简化方法的计算结果可靠合理。     

现浇X形桩桩承式加筋路堤三维有限元分析

桩承式加筋路堤在高速公路软基处理中得到了广泛应用,但目前对其承载变形机制还缺乏深刻认识。结合南京长江第四大桥北接线段软基加固工程,基于数值方法对现浇X形桩桩承式加筋路堤中桩土沉降、桩土应力、桩身轴力及超静孔隙水压力的发展变化规律进行了分析。研究结果表明,受土拱效应影响,路堤填筑荷载主要由桩体承担,桩及桩间土土压力在路堤填筑过程中均逐渐增大,在软基固结过程中,桩顶土压力继续增大而桩间土土压力逐渐减小,最终趋于各自的稳定值;路堤填筑过程中桩身轴力增长较快,现浇X形桩桩身上部较大部分区段存在负摩阻力,桩身中性点位置经历了先逐渐上移、而后向下移动,最终趋于稳定的过程。     

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。     

Field Test Research on Embankment Supported by Plastic Tube Cast-in-place Concrete Piles

The plastic tube cast-in-place concrete pile (TC pile) with a small diameter consists of pre-driven plastic tube filled with concrete. Based on the case of TC pile-reinforced embankment on soft ground, and according to the monitoring data of the TC pile-reinforced embankment system, the treatment effect and reinforcement characteristics for this system were analyzed. The field monitoring results indicates that the critical height of embankment is about 1.1 times the pile net spacing, and the small-spacing arranged TC piles can be applied to low embankment engineering; the load share rate can reflect the degree of soil arching more better and steadily and exceeds 70 % at the end of monitoring period; the settlements of pile cap and soil between piles mainly occurs in the embankment construction period; the different settlement between pile cap and soil approaches the maximum and then reduces gradually when the embankment height is about 2.2 times the pile net spacing. The variation of layered settlement and pore water pressure illustrates that the embankment settlement is mainly caused by the compression of soils within pile length, which is about 90 % of the total settlement; the influence depth of pore water pressure is about 1/3 pile length.     

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.