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。     

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。     

桩承式加筋路堤张力膜效应模型试验研究

在桩承式加筋路堤设计计算及工程实践中,筋材的受力计算是具有争议且亟待解决的问题,然而,现有的研究很少关注桩承式加筋路堤中筋材应变的空间分布形式和三维模式下筋材的受力特征。采用自行研制的设备,以桩间距为变量,针对桩承式加筋路堤中筋材张力膜效应进行了物理模拟试验。试验中通过气压施加荷载,对筋材竖向变形和不同位置筋材应变进行观测。结果表明,张力膜效应下筋材应变和受力很不均匀。正方形布桩情形下,加筋材料的空间变形形态可采用空间抛物面与抛物柱面的组合来模拟。正方形布桩情形下假定筋材上所有荷载全部由相邻桩之间的4条筋带承担,得到的筋材受力计算值明显偏大。在模拟试验结果基础上,初步提出了考虑筋材三维空间变形的拉力计算方法。     

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。     

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。     

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。     

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。     

路堤荷载下塑料套管桩荷载传递机制的现场试验研究

用于公路软基处理的塑料套管桩是由预先打设在地基中的塑料套管内浇注混凝土组成的。通过在塑料套管桩身埋设钢筋应力计,完整测试了路堤填筑荷载过程及预压期内路堤荷载作用下塑料套管桩的荷载传递机制,同时提出了钢筋应力计的修正方法。试验结果表明：单桩静载下塑料套管桩身轴力沿深度逐渐减小且无负摩阻力;在路堤荷载作用下塑料套管桩桩身轴力沿深度先增大后减小,负摩阻力分布在桩长上部3/5范围内,且随着填土荷载的增加,负摩阻力和正摩阻力都逐步增加,但在监测期内负摩擦力中性点位置保持不变。     

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     

路堤荷载作用下柔性桩复合地基的沉降分析

为了寻求路堤荷载下柔性桩复合地基沉降计算的简便方法,基于已有的研究成果,将桩侧摩阻力分布简化为分段线性模式,根据桩长与临界桩长的大小关系,结合桩-土-垫层三者在交界面上的应力与压缩变形协调条件,运用单位元法推导了柔性桩复合地基加固区的沉降计算公式,并采用分层总和法计算复合地基下卧层的沉降量。结合工程实例对计算结果进行验证,结果表明:采用理论方法计算的柔性桩复合地基沉降量与现场实测沉降结果吻合较好,证明理论计算方法的合理性,且能较好地反映路堤荷载作用下柔性桩复合地基的工作性状。进一步分析表明:在临界桩长范围内,桩与桩间土相互作用,最大限度发挥了复合地基桩间土的承载能力;此外,由于桩侧负摩阻力对桩体有拖拽作用,桩身轴力在桩体中性面位置处达到最大值。因此,在工程设计中要高度重视和运用临界桩长和中性面的概念。     

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。     

冲击碾压改建路面施工对路基动力作用的试验研究

依托冲击碾压破碎旧水泥路面现场施工,沿路面横断面和不同深度位置埋设土动压力传感器,对不同冲击碾压遍数、冲压路线、行驶速度下路基的竖向和侧向动土压力进行了试验研究。研究表明：冲击碾压施工引起的地基振动具有周期瞬态冲击特性,冲击荷载附近动土压力存在叠加增长现象。路基动土压力与冲击荷载位置、行驶速度和碾压遍数密切相关。动土压力随冲击压路机由近及远为先增加再减小,纵向距离30 m以内的路基均受到振动影响,纵向水平距离15 m范围内影响开始显著。不同的冲击遍数下动土压力最大值总体有一个先增大再减小的趋势,由于路面板和基层的荷载扩散作用,冲击碾压改建产生的土动压力相比直接冲击路基下降了1个数量级。在试验工况下,冲击碾压改建对旧路基的实际影响深度比有限元计算的深度范围更大,沿路纵向水平影响距离可取为10 m。     

预制静压桩静动载现场试验分析

原位试验是获取桩基设计参数和了解桩基力学性能的最客观、最可靠方法。基于现有疲劳机和千斤顶等试验设备,研制了桩顶静载和动载组合加载装置,为现场静、动载试验解决了一个技术性难题。利用该装置对某工程混凝土预制静压桩进行了模拟交通荷载的现场静、动载试验。通过单桩竖向抗压静载试验和动载试验,分析了静动载对桩身轴力分布、桩身侧摩阻力和基桩沉降的影响及其变化规律。试验结果表明：在静动载作用下桩身侧摩阻力的分布规律基本一致,并且随着振动次数的增加,桩身上部侧摩阻力减小、下部略有增加,但动载循环超过30万次后,侧摩阻力趋于稳定。     

单轴压缩条件下含三叉裂隙类岩石试样力学特性的细观研究

三叉裂隙是自然界普遍存在的一种岩体缺陷形式,其对岩体的力学特性有重要影响。对含预制三叉裂隙的水泥砂浆试样进行室内单轴压缩试验,配合使用摄像机拍摄裂纹的起裂、扩展、贯通过程,通过数字图像技术处理获取试样的应变场云图,并结合PFC2D程序研究不同?、? 条件下试样的强度特征、裂纹模式和裂纹演化扩展规律。研究表明：三叉裂隙对试样单轴抗压强度有明显的削弱作用。当? 恒定为120°时,试样在? = 30°时达到最大抗压强度;当? 恒定为90°时,随?增大,试样抗压强度呈先减小后增大的趋势,且当? = 45°时达到最大抗压强度。试样产生的裂纹可分为3类,分别是张拉型裂纹(Ⅰ型裂纹)、剪切型裂纹(Ⅱ型裂纹)、混合型裂纹(Ⅲ型裂纹)。这3类裂纹通常从裂隙尖端开始产生,并且Ⅰ型裂纹沿加载方向扩展,通常未扩展至试样边界;Ⅱ型和Ⅲ型裂纹通常与加载方向呈一定角度扩展至试样边界。通过对裂纹的几何形态和组成宏观裂纹的微裂纹成分的分析,得知导致含三叉裂隙试样在单轴压缩条件下失效的是张拉破坏。数字图像技术得到的应变云图表明,当载荷达到一定阶段,裂隙尖端出现应力集中,微破裂开始发育并聚集成微破裂区,微破裂区扩大产生宏观裂纹。通过对主应变和剪应变云图分析,发现导致试样失效的是张拉破坏,剪应变在裂纹扩展过程中的影响较小。     

砂土中单桩静载室内模型试验及颗粒流数值模拟

通过自行设计的可视化模型箱,进行了单桩静载室内模型试验,考虑了不同桩径、不同土体密实度等影响因素,研究了单桩的沉降模式、桩侧摩阻力和桩端阻力的发挥性状及随沉降的发展模式,并通过拍摄跟踪和图像处理技术,研究了桩端和桩周土体的孔隙率的变化规律;对二维颗粒流程序进行开发,模拟了单桩静载过程中桩端阻力和桩周土体孔隙率的变化情况。结果表明,颗粒流数值模拟能够较好地模拟单桩静载过程,研究成果进一步揭示了单桩静载过程的宏细观机制。     

冻融条件下模型桩基水平动力试验研究

基于自制的冻土-桩动力相互作用模型试验系统,对-5℃、-3℃及上层融化多年冻土中模型桩基进行了水平向动力试验,主要研究了冻结及上层融化冻土中模型桩基的桩头位移-荷载关系、桩基水平动刚度变化及桩身弯矩分布情况。结果表明：冻土中桩基动力响应特性与土体温度密切相关;正冻土中桩基有较大的侧向刚度,当冻土与桩接触面出现较大间隙时,桩头位移-荷载曲线呈反S形;桩基动力性能随多年冻土温度降低将有所改善;当冻土上部出现融化层时,桩基动响应变化显著,桩头动刚度明显减小,桩基在较小动载下可发生较大侧向位移,同时桩身最大弯矩值较正冻土中偏大,且此弯矩点埋深较大。对于多年冻土区桩基工程,应特别重视夏季上层冻土融化时可能出现的震害。     

深埋隧洞开挖损伤区的检测及特征分析

隧洞开挖以后围岩会出现损伤,并在洞周形成开挖损伤区,在损伤区范围内声波波速会出现衰减。针对锦屏二级水电站3#引水隧洞在隧道掘进机（TBM）开挖过程中可能形成的损伤区,首先利用数值方法探讨了损伤区的分布特征,通过监测特征点在开挖过程中的应力路径,确定了特征点的应力状态和可能出现声波波速衰减的部位。在此基础上确定了对声波钻孔的布置方案,并利用单孔声波检测方法确定了损伤区深度。为了实现颗粒流程序PFC对损伤区的模拟,通过三轴压缩试验确定了PFC的细观参数。最后利用PFC描述了损伤区的分布,分析了损伤局部化特征和损伤程度的变化。结果表明PFC的模拟结果和检测结果具有较好的一致性,能够实现对损伤区特征的准确描述。研究成果对损伤区的检测和支护优化设计具有指导意义。     

动荷载作用下隧道围岩块体稳定性分析及其应用

隧道围岩中的结构面将岩体切割成块体,块体在自然状态下的静力平衡因为隧道开挖而被打破,临空面的产生和动荷载的施加都可能导致块体的滑移,进而引起围岩失稳。以往应用块体理论寻找关键块体时,多只考虑纯重力的作用,而忽视了爆破振动、地震等动荷载对诱发失稳灾害的重要作用。将爆破振动荷载和地震荷载转化为等效静力,并通过数学计算求出使块体安全系数最低的动荷载方向,再利用关键块体理论矢量分析方法分析隧道围岩的稳定性。在长岗隧道中的应用表明,考虑动荷载作用下的块体安全系数明显小于只考虑重力作用时的安全系数,原本稳定的块体也可能在动荷载作用下变成关键块体导致围岩失稳,这与长岗隧道现场记录的破坏现象相符。