深厚软土层端承摩擦桩桩承式加筋低路堤现场试验

为揭示桩承式加筋低路堤的荷载传递机理及土工格栅的加固效应,选取武汉智能网联赛车道项目主赛道连接段某低路堤路段开展了一个承载单元的现场试验,分别测试了施工期桩帽顶部与格栅上层的土压力分布、路堤分层沉降、格栅应变与挠曲。数据分析表明：随着填土高度的增加,土拱效应与张拉膜效应逐渐发挥,桩帽顶部的土压力开始超过桩间土压力并在填筑结束后逐渐趋于稳定。在端承摩擦桩桩承式加筋低路堤的荷载传递机制中,桩间土承担主要荷载,占比62.23%,张拉膜效应仅占很小一部分,占总荷载的3.77%。土工格栅的最大应变出现在桩帽边缘处,但最大值仅为0.195%,这表明土工格栅性能难以得到充分发挥。在该桩承式加筋低路堤中,两桩中心处的桩间土沉降要明显大于四桩对角线中心处。     

桩承式挡墙路堤三维土压力分布与变形特性试验

为了深入探讨桩承式挡墙路堤中的三维土压力分布及变形特性,采用自制的阵列式多活动门装置,选取路堤高度、桩间净距等参数,并考虑桩间土均匀下沉与非均匀下沉的情况,开展10组模型试验。通过粒子图像测速技术对路堤填砂颗粒位移进行监测,采用自制的荷载计与土压力盒量测桩间土、桩顶和挡墙土压力。试验结果表明:路堤变形存在三角扩展和塔形升高2种模式;应力折减比最小值与残余值均随路堤高度的增加而减小,但同时土拱效应衰减(桩间土应力恢复)速度、衰减达到稳定对应的沉降量均增加,非均匀下沉对土拱效应峰值存在削弱作用,但是对土拱效应残余值影响不大;土拱效应发挥导致土压力在桩顶和路堤中部一定高度位置产生集中。三角扩展模式的土拱效应发挥较弱,塔形升高模式中土拱效应在桩间土下沉过程中得以加强并保持了较高的水平。桩承式挡墙路堤三维土压力分布与变形随桩间土下沉演化的研究成果可为桩承式挡墙路堤设计提供参考。     

路桥过渡段桩承式加筋路堤现场试验研究

桩承式加筋路堤与路堤填土加筋技术联合应用于黄土地区路桥过渡段,减小路桥过渡段差异沉降和桥头跳车现象。通过 现场试验 对桩承式加筋路堤中心轴和路肩对应位置处格栅上、下表面桩顶和桩间土土压力、桩间格栅变形以及加筋路堤各断面格栅上、下表面土压力和格栅变形进行监测分析,研究结果表明：桩承式加筋 路堤通过土拱效应和张拉膜效应将路堤荷载向桩顶转移,从而可有效减小桩间土荷载;桩承式加筋路堤中心轴处路堤荷载转移主要以土拱效应为主,以张拉膜效应为辅,而路肩处格栅张拉膜效应较显著,路堤荷载传递由土拱效应和张拉膜效应共同完成,格栅在路肩处发挥作用效果大于路堤中心轴处;路堤加筋技术在桥台附近减载作用明显,随着距桥台距离的增加,减载作用逐渐减弱。     

刚性桩加固高速公路软基土拱效应现场试验研究及其与解析解的比较

用刚性桩处理高速公路软基能减小路堤沉降,提高路堤稳定性,缩短工期。土拱对路堤的承载变形性状有重要影响,到目前为止,对路堤中土拱效应的研究还不深入。本文结合某高速公路刚性桩处理软基试验段,实测了路堤填筑过程中及填筑结束后一段时间内桩帽、桩间土土压力及相应的沉降,分析了桩土沉降差、路堤高度、桩间距、桩帽大小等因素对土拱效应的影响,并与现有的几种土拱效应计算方法进行了比较。结果表明:①土拱效应的发挥程度与桩土沉降差密切相关;②当路堤较高,桩间距较小,桩帽较大时,桩体荷载分担比较大;③根据Hewlett&Randolph及陈云敏改进的土拱效应计算方法所得到的桩体荷载分担比与实测结果比较接近。     

桩承式加筋路堤桩体荷载分担比计算

为反映多层加筋材料分布层位和应变差异对桩承式加筋路堤的影响,基于土拱形态和筋材应变分布的假设,推导桩土荷载分担比的计算公式。首先根据极限平衡理论和同心圆二维土拱模型假设,推导筋上桩体荷载分担比的计算公式;再假设帽间格栅变形为圆弧曲线,考虑帽上格栅变形对帽间格栅应变的贡献,推导更符合常用大桩帽疏桩结构特点的格栅应变计算公式;进一步以筋下填土产生的土压力和桩间土应力为附加应力计算底层格栅挠度,提出以底层格栅挠度为自变量的任意层格栅挠度表达式;最终依据格栅应变计算格栅拉力及其竖向分量,得到考虑格栅拉膜传荷作用的筋下桩体荷载分担比计算公式。该方法可适用于单层以及非单层加筋的桩承式加筋路堤,经工程实例验证,计算值与实测值吻合较好。     

中低压缩性土地区桩承式加筋路堤现场试验研究

将桩承式加筋路堤技术应用于中低压缩性土地区高速铁路桥台和涵洞之间填方路基的处理,通过逐渐改变CFG桩桩长形成刚度均匀变化的地基加固区,严格控制线路纵向差异沉降。通过现场试验对桥台、涵顶和路基中心地基沉降进行了长期观测,同时对桩承式加筋路堤桩间土沉降、孔隙水压力、格栅上下表面土压力和格栅变形进行了长期监测分析。研究结果表明:桩承式加筋路堤可有效减小中低压缩性土地基沉降,总沉降小且很快趋于稳定;桩承式加筋路堤通过土拱效应和张拉膜效应将路堤荷载向桩帽传递,格栅下桩土应力比明显高于格栅上,张拉膜效应明显,格栅上桩土应力比接近1.0,土拱效应较弱;格栅在路肩处发挥的作用强于线路中心处。     

简化土拱物理和数值模型在土拱形态研究上的适用性

在土拱室内模型试验和数值分析中常常采用简化土拱模型。在带帽桩承式路堤分析中,简化土拱模型中只有路堤,没有带帽桩加固的地基土,土拱的形成过程是通过人为控制桩间土上方路堤基底沉降或竖向应力来模拟的。通过建立土拱分析的二维弹塑性整体和简化有限元模型,对桩承式路堤中的土拱进行数值模拟,在"最大土拱"状态下确定出相应的土拱形态。计算结果表明:整体有限元模型和简化有限元模型获得的土拱形态都为半椭圆形。路堤基底施加余弦形和抛物线形沉降的简化有限元模型获得的土拱高度与整体有限元模型计算结果非常接近。减小路堤基底竖向应力和在基底施加均布沉降的简化有限元模型得到的土拱高度近乎相同,但数值均要比整体有限元模型计算的结果大得多。     

基于有限元方法的桩承式加筋拓宽路基数值模拟分析

针对桩承式加筋路基这一复杂的工作系统,结合连霍高速某段桩承式路堤拓宽工程,通过有限元软件ABAQUS建立了桩承式加筋路堤整体三维有限元分析模型;从土拱效应、土工格栅的拉膜效应,以及桩土间刚度差异引起的不均匀沉降等方面分析了系统的工作机理。结果表明土工格栅最大变形和最大拉力发生在桩帽边缘处;拓宽路堤的施工阶段对地表沉降影响较小;软土的长期固结是造成不均匀沉降的主要原因等结论。     

考虑路堤填筑过程与地基土固结相耦合的 桩承式路堤土拱效应分析

 土拱效应分析是桩承式路堤设计时需要解决的首要问题,在总结分析已有现场测试资料及研究成果的基础上,建立能考虑路堤填筑过程与地基土固结相耦合的土拱效应计算模型。该计算模型比较完整地反映了从路堤开始填筑直到地基土固结完成整个过程中土拱效应的发展变化历程,模型计算结果与现场实测结果比较吻合。利用该计算模型对台缙高速公路工程桩承式路堤土拱效应及桩身中性点位置的变化特征进行分析,研究结果表明：(1) 在路堤填筑过程中,桩土应力比迅速增加,路堤填筑完毕直至地基土固结完成这个过程中,桩土应力比虽然有所变化,但变化的幅度不大,与路堤刚填筑完毕时的桩土应力比相比,后期桩土应力比的变化幅度不大于15%;(2) 在路堤填筑及地基土固结过程中,桩身中性点位置经历了先逐渐向下移动、尔后向上移动、再向下移动、最终趋于稳定位置的过程。该研究成果可为桩承式路堤设计提供有益的参考。     

既有线帮宽段复合地基桩土应力分布规律研究

既有线帮宽段复合地基承载能力直接影响既有-帮宽路基整体结构稳定,而桩土应力分布又直接关系到复合地基承载能力的发挥,且中川铁路帮宽段工点地基属饱和黄土地基,地基处理效果不易控制。通过开展现场试验,研究在饱和黄土地质情况下既有线帮宽段高压旋喷桩复合地基的桩土应力分布规律,为帮宽段工点复合地基承载能力的分析提供支撑,并可积累地区经验,为类似工程提供参考。结果表明：现场帮宽路堤的临界高度在1.5～1.8 m左右,当路堤填筑高于该高度时,桩顶应力快速增加而桩间土应力增速明显变缓,临界高度可理解为土拱形成时的高度;在土拱和加筋垫层中土工格栅张拉膜效应、“网兜效应”的共同协调下,桩土应力分布不断调整;当路基填筑完成后,三个试验断面的桩土应力比分别为3.1、4.2和3.9。     

桩承式加筋路堤土拱效应试验研究

桩承式加筋路堤中存在土拱效应,它影响着路堤的荷载传递和沉降变形性状,桩土应力比是反应土拱效应的重要参数。本文通过模型试验,研究了桩土相对位移、路堤高度、桩梁净间距、桩梁宽度及水平加筋体等因素对桩土应力比及路堤沉降的影响。结果表明:①桩土应力比随桩土相对位移的发展而变化,存在上限值和下限值;②路堤高度与桩梁净间距之比越大,桩土应力比越大;桩梁宽度与桩梁净间距之比越大,桩土应力比也越大;③使用水平加筋体能提高桩土应力比,提高的幅度与水平加筋体拉伸强度有关;④当路堤高度与桩梁净间距之比小于1.4时,无论是否使用水平加筋体,路堤顶面均会出现明显的差异沉降;当路堤高度与桩梁净间距之比大于1.6时,路堤顶面不会出现明显的差异沉降。该研究成果可为桩承式加筋路堤设计提供有益的参考。     

Three-dimensional physical modeling of load transfer in basal reinforced embankments under differential settlement

This study developed a large-scale laboratory apparatus to evaluate the load transfer behavior of basal reinforced embankment fill because of soil arching and geogrid tensile force. A 3D trapdoor-like test system performed five scaled model tests using analogical soil. The instrumentation system involved multiple earth pressure cells, dial gauges, multipoint settlement gauges, and geogrid strainmeters. Comprehensive measurements were performed to investigate the evolution of soil stress and displacement at specific fill elevations with variations in the area replacement ratio and geogrid stiffness. The critical height of the soil arching was determined to be ～1.1–1.94 times the clear pile spacing based on the soil stress and displacement profiles. The distribution of the geogrid tensile strain between and above the adjacent caps demonstrated that the maximum geogrid strains occur on top of the caps, and the tensioned geogrid effect on the load transfer efficiency was evaluated. The cap size and center-to-center pile spacing affect the pile efficacy more significantly than the stiffness of the geogrid. The measured critical heights of arching, stress concentration ratios, and geogrid strain matched those calculated by several well-recognized analytical methods. This experimental program facilitates the development of arching models that account for differential settlement impact.     

超大面积深厚软土桩-网复合地基承载性状分析

通过有限元Plaxis软件,对厦深高速铁路潮汕车站的超大面积深厚软土桩-网复合地基承载性状进行全断面数值模拟,系统地分析了其沉降变形、土压力变化、桩体受力、土工格栅拉力、超孔隙水压力变化等情况。结果表明:土层的沉降随填筑高度的变化具有一定的间歇性,沉降主要集中于加固区下面的下卧层中;土压力的发展变化呈现出明显的阶梯状,并贯穿于整个施工阶段。在竖向,管桩桩体轴力的峰值出现在淤泥质黏土层顶部,而没有出现在桩体顶部;在横向,沿路基中心向外,桩体剪力及弯矩依次逐渐增大。土工格栅的最大拉力出现在桩帽边缘处,桩间的拉力较小,在管桩顶部加设桩帽有助于均匀格栅中的拉力,避免局部应力集中;桩端土层以下超孔隙水压力随填筑加载而增长的幅度较大,桩端土层以上则较小,桩体有效地将上部荷载传递到深部较好土层,减轻了浅部软弱土层的负担,从而达到控制沉降的目的。     

3D numerical study of the performance of geosynthetic-reinforced and pile-supported embankments

Geosynthetic-reinforced and pile-supported (GRPS) systems provide an economic and effective solution for embankments. The load transfer mechanisms are tridimensional ones and depend on the interaction between linked elements, such as piles, soil, and geosynthetics. This paper presents an extensive parametric study using three-dimensional numerical calculations for geosynthetic-reinforced and pile-supported embankments. The numerical analysis is conducted for both cohesive and non-cohesive embankment soils to emphasize the fill soil cohesion effect on the load and settlement efficacy of GRPS embankments. The influence of the embankment height, soft ground elastic modulus, improvement area ratio, geosynthetic tensile stiffness and fill soil properties are also investigated on the arching efficacy, GR membrane efficacy, differential settlement, geosynthetic tension, and settlement reduction performance. The numerical results indicated that the GRPS system shows a good performance for reducing the embankment settlements. The ratio of the embankment height to the pile spacing, subsoil stiffness, and fill soil properties are the most important design parameters to be considered in a GRPS design. The results also suggested that the fill soil cohesion strengthens the soil arching effect, and increases the loading efficacy. However, the soil arching mobilization is not necessarily at the peak state but could be reached at the critical state. Finally, the geosynthetic strains are not uniform along the geosynthetic, and the maximum geosynthetic strain occurs at the pile edge. The geosynthetic deformed shape is a curve that is closer to a circular shape than a parabolic one.     

基于系统分析的桩网复合地基荷载效应定量评价模型研究

目前对桩-网复合地基的设计主要存在两点不足,一是计算路堤底桩土荷载分担时需要假设土拱高度,二是对桩间地基土反力的定量评价偏于保守。针对这两个问题,重点分析了路堤荷载作用下土拱效应与加筋薄膜效应,根据堤底桩土相对位移得到计算的土拱高度,推导土拱效应与薄膜效应共同作用下路堤荷载在桩与土之间的分配计算公式;考虑刚性桩桩顶与桩端位置的桩土相对位移以及桩周土对桩侧作用摩阻力存在中性点,根据应力、位移连续性条件,建立桩-网-土联合作用的桩承式加筋路堤的荷载效应计算模型并给出求解方法,通过3个工程实例对该方法进行合理性验证。结果表明,具备一定刚度的桩端下卧层时,采用本模型的计算结果与实测值比较接近,可为工程应用借鉴。     

加筋形式对桩承式路堤工作性状影响的试验研究

对无加筋和采用不同加筋材料、加筋层数下桩承式路堤的工作性状进行了三维模型试验研究,侧重分析了桩土应力比、应力折减系数、填土中竖向应力分布、地基沉降等内容。结果表明加筋材料的设置有利于荷载向桩顶的转移,可有效减小沉降,但不同加筋形式下桩承式路堤的工作性状有所不同。使用单层或双层土工布时,路堤的荷载传递机理主要是填土的土拱效应和加筋材料的拉膜效应,但拉膜效应发挥相对较晚。使用双层格栅时,加筋材料与周围砂土形成半刚性平台。单层格栅的作用介于两者之间。试验结果与常规拉膜效应设计方法的对比表明,若假设荷载只由相邻桩间的加筋材料条带承担,计算的拉力将偏大,过于保守。     

堆载作用下被动桩的水平受力及位移分析

针对既有桩体在较大侧向堆载作用下会发生偏斜或挠曲变形甚至开裂折断,从而导致结构存在较大安全风险的问题,基于Flamant解建立条形荷载作用下的水平附加应力计算公式。考虑到桩-土界面的剪切效应,采用双参数地基模型进行桩后土体的桩-土受力分析。建立了被动桩的挠曲微分方程,采用MATLAB求解得到桩的内力及变形情况。采用文献中的不平衡堆载试验监测数据验证了计算公式的合理性。研究结果表明:堆载对桩基的侧向土压力影响主要分布在桩体的上半部分,受到的侧向土压力占桩体总侧向土压力的86%以上;随着堆载高度的增加,桩的侧向土压力、侧向位移和弯矩均呈现出增大的趋势;所得结论可为类似工程的安全性评价提供理论依据。     

Analysis of geosynthetic tubes inflated by liquid and consolidated soil

When permeable geosynthetic tubes are used for dewatering of waste sludge or construction of dikes or embankments, the tubes have to be inflated using sludge or soil slurry several times. After each inflation, the soil slurry is consolidated into solid. Hence from the second inflation onwards, the geosynthetic tube is filled by both slurry and consolidated soil. In this paper, a new analytical method is proposed to provide a solution to the above specific case. Friction between geosynthetic sheet and soil, and friction between geosynthetic tube and subgrade, are considered. Parametric studies are also carried out to compare the design between geosynthetic tubes inflated using pure slurry and that using slurry and consolidated soil to study the key factors affecting the design. The study shows that tensile forces vary along the cross-section of the geosynthetic tube with the minimum value occurring at the center of the base. The effect of friction and lateral earth pressure on the geometry and tensile forces of the geosynthetic tube is insignificant when the height of the consolidated soil in the tube is small, but increases considerably with an increase in the height.     

塑料套管混凝土桩加固公路软土地基现场试验研究

根据某一高速公路塑料套管混凝土桩加固软土地基工程实例,对桩土应力、地表沉降、横向位移、不同深度孔隙水压力进行观测,讨论了塑料套管混凝土桩桩承式路堤的工作机理。结果表明：塑料套管桩加筋路堤的临界高度约为1.26倍桩净距,观测期末,荷载分担比接近89%;桩帽和桩间土最大差异沉降为30 mm左右,且应力集中比随着差异沉降的增大而线性增大;路堤堤脚附近不同深处横向位移随着路堤填筑高度的增加而增加,施工结束时,地表以下2.5 m处横向位移最大,为12.86 mm;横向位移-沉降比和横向位移增加率随着路堤填筑高度的增加逐步减小并趋于稳定,塑料套管混凝土桩加筋路堤系统能够有效防止路堤横向位移的发展和改善路堤的整体稳定性。