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。     

砂填料桩承式路堤土拱效应模型试验

现有的桩承式路堤荷载传递计算方法主要依据3类土拱效应力学计算模型。由于宏观土拱形态观察的难度较大,现有计算方法普遍缺乏对不同填料与参数下拱效应传力机制以及宏观土拱拱形参数的深入探讨。采用自制的试验装置对砂填料桩承式路堤土拱效应模型进行探讨,进行了3组不同桩距比下3种填土高度的模型试验。模型试验装置配备了位移控制装置模拟与精确控制桩间土下沉,在下沉过程中连续、同步的采集土压力以及砂箱内部填料的照片,并通过摄影测量技术获取全场位移数据。通过对桩土应力比曲线特征以及曲线特征点所对应的填料颗粒位移图的综合分析,探讨了砂填料桩承式路堤拱效应传力机制,揭示了填料内部存在的初始三角形松动滑移面。基于此提出了初始三角拱力学计算模型,分析得到了滑移面角度随桩距比变化的规律,并利用滑移面夹角统计数据确定了拟合计算公式,通过力学推导建立了适用于砂填料桩承式路堤的桩土应力比计算方法。通过与Rogbeck法、BS8006法、Terzaghi法以及模型试验实测数据的对比,验证了计算方法的合理性。     

砂填料桩承式路堤宏观土拱形态与演化模型

基于目前研究很少关注土拱效应模型的适用条件和演化规律的现状,采用自制平面应变模型对砂填料桩承式路堤在不同桩间距下的宏观土拱形态,以及宏观土拱在桩间土下移过程中可能出现的演化现象进行探讨。模型试验将桩与土相互作用简化为桩间土挡板下移这一位移边界条件,配备可精确控制桩间土下移量的位移控制装置与摄影测量设备。每下移0.02 mm采集一张图片,采用图像分析软件追踪桩间土下移过程中路堤颗粒位移,实现全场位移量测。共进行3种填土高度下3种不同桩间距的模型试验。通过对9组试验填料内部滑移面的分析,揭示桩间土下移过程中均首先出现对称的三角形滑移面,即初始三角拱模型,之后继续增加桩间土下移量,初始三角拱模型存在2种不同的演化模式:在填土高度与桩距比1.8情况下,随桩间土下移量的增加滑移面逐级张开,称为三角多拱模型;在填土高度与桩距比≥1.8情况下,滑移面则逐级上移,演化为塔形多拱模型。最后,统计各模型的关键参数,为下一步土拱演化条件下的力学分析计算提供依据。     

砂填料桩承式路堤宏观土拱形态与演化模型

 基于目前研究很少关注土拱效应模型的适用条件和演化规律的现状,采用自制平面应变模型对砂填料桩承式路堤在不同桩间距下的宏观土拱形态,以及宏观土拱在桩间土下移过程中可能出现的演化现象进行探讨。模型试验将桩与土相互作用简化为桩间土挡板下移这一位移边界条件,配备可精确控制桩间土下移量的位移控制装置与摄影测量设备。每下移0.02 mm采集一张图片,采用图像分析软件追踪桩间土下移过程中路堤颗粒位移,实现全场位移量测。共进行3种填土高度下3种不同桩间距的模型试验。通过对9组试验填料内部滑移面的分析,揭示桩间土下移过程中均首先出现对称的三角形滑移面,即初始三角拱模型,之后继续增加桩间土下移量,初始三角拱模型存在2种不同的演化模式：在填土高度与桩距比＜1.8情况下,随桩间土下移量的增加滑移面逐级张开,称为三角多拱模型;在填土高度与桩距比≥1.8情况下,滑移面则逐级上移,演化为塔形多拱模型。最后,统计各模型的关键参数,为下一步土拱演化条件下的力学分析计算提供依据。     

桩承式路堤中土拱效应可视化模型试验研究

桩承式路堤中土拱的形态还未得到统一认识,进一步开展土拱效应的研究对桩承式路堤中荷载传递规律分析有重要科学价值。首先简要介绍了桩承式路堤中土拱效应可视化的室内模型试验装置、试验材料以及测试元件的布置情况,然后采用该可视化试验装置进行变化路堤高度与桩间距的10组模型试验研究,以分析桩承式路堤中沉降的分布规律与竖向应力的分布特点。试验结果表明:变化路堤高度与桩间距的比值将显著影响桩承式路堤中土拱效应的发挥,在该平面土拱效应室内试验中,当h/(s-a)≤1.0时,路堤中没有应力重分布的现象,表明此时土拱效应没有产生;当1.0h/(s-a)1.5时,土拱效应未完全发挥;当h/(s-a)≥1.6时,达到了完全成拱的条件,路堤填土的竖向应力分布存在两次拐点,与HewlettRandolph模型结果中的分布规律相似。模型试验结果还表明,路堤表面的差异沉降随着路堤高度的增加而逐渐减小,当路堤高度与桩净间距的比值大于1.6时,路堤表面的差异沉降基本为0。最后,根据土拱效应完全产生时的模型试验结果,推导了平面土拱的内拱与外拱高度的表达式,并基于土拱厚度不均匀的实际情况,采用试验结果对HewlettRandolph平面土拱理论进行修正,研究发现修正的HewlettRandolph方法能更好地与试验结果相吻合。     

桩承式路堤土拱效应分析的改进有限元模型

土拱效应在桩承式路堤中的桩土荷载分担方面具有重要作用。本文提出了一个改进的三维有限元模型来模拟土拱效应。该模型利用不同刚度的弹簧来模拟桩与桩间土,不需建立桩与土体模型,提高了计算效率。结合现场试验及其他学者提出的理论证明了模型的有效性。通过改变路堤分布荷载以及路堤填料的内摩擦角进行对比试验,数值分析结果表明,土拱存在最大、最小两个临界拱高,且不同位置的桩间土体受土拱效应影响不同。等沉面高度与土拱最大拱高并不完全一致,土拱效应的产生滞后于沉降差。在不同路堤填土内摩擦角情况下,路堤填土的应力及沉降分布基本不变,随着路堤填土内摩擦角的增大,路堤沉降有效减小。研究结果可为工程设计人员提供有益的参考。     

桩承式路堤中土拱形态与成拱过程中土拱效应研究

建立了平面应变条件下模拟土拱形成过程的弹塑性有限元模型。研究了桩承式路堤中的土拱形态,分析了影响土拱高度的主要因素和土拱形成过程中桩帽与桩帽间地基土之间的荷载分担特性。研究表明：平面应变条件下土拱的形态为半椭圆,填土内摩擦角和凝聚力的变化对土拱高度的影响较小。土拱高度随桩帽净距的增加先增大后逐渐减小,随路堤高度的增加先线性增加后稳定不变。完整土拱形成时土拱效应发挥程度最大,桩帽间地基土承担的路堤荷载不再向桩帽上转移。     

桩承式路堤中的静动力土拱效应

为了从更深层次理解土拱效应的工作性状,在总结桩承式路堤土拱效应中等沉面、桩体荷载分担比等问题的基础上,比较了几种桩体荷载分担比的计算方法,阐述了动荷载在桩承式路堤中的传递机理,分析了土拱效应发挥程度对动应力的影响,最后给出桩承式路堤中动应力的计算方法。研究结果表明:等沉面与土拱高度可用临界填土高度进行归一化描述,临界填土高度与桩间净距呈线性关系;桩体荷载分担比的大小与工况有关,几种计算方法有各自的适用条件;陈云敏的计算方法与实测值拟合度较高;动荷载的传递也受土拱效应的影响,随着动荷载循环次数的增加,土拱效应存在先强化后弱化的现象。     

桩承式加筋路堤中土拱形态及荷载传递机理的数值分析

通过建立平面应变条件下桩承式加筋路堤土拱形态分析的弹塑性有限元模型,对桩承式加筋路堤中的土拱形态进行有限元数值模拟,并分析加筋对桩帽-土荷载分担特性的影响。计算结果表明:平面应变条件下桩承式加筋路堤中的土拱形态为半椭圆,土拱高度小于无筋桩承式路堤。土拱高度随路堤高度的增大先增高后稳定不变。加筋刚度对土拱高度的影响较小。加筋将桩间土承担的路堤荷载向桩帽上转移。由加筋传递到桩帽上的竖向应力随桩间距和加筋刚度的增大而增大,随桩帽宽度的增大而减小。     

桩承式路堤中土拱效应的改进Hewlett算法

桩承式路堤的承载机制即路堤在路堤荷载以及外部荷载的共同作用下，路堤内部力的传递与分布情况，而土拱效应是路堤承载特性与各组成部分相互作用的综合反映，因此分析桩承式路堤的承载机制，最重要的就是研究其土拱效应。在对Hewlett的平面和空间土拱效应计算方法作必要阐述基础上，对Hewlett空间土拱效应下塑性点出现在桩顶时的边界条件作了改进，得到改进后的桩土荷载分担比计算式。并用改进后的计算方法、Hewlett的方法分析桩土荷载分担比随桩帽宽与桩心距之比、桩心距与路堤高度之比、路堤填料内摩擦角的变化规律，并进行比较分析。最后通过与实测数据和数值分析结果的对比，验证该改进算法的可靠性与可行性，可供工程设计时参考。     

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.     

抗滑桩嵌固段桩前被动土拱形成机理

抗滑桩是滑坡治理的主要手段之一,嵌固段桩前被动土拱效应对抗滑桩承载力具有重要影响。为了对桩前被动土拱效应几何形态及桩间距的影响规律进行研究,采用平面应变有限元模型对不同桩间距的抗滑桩与桩前土相互作用进行模拟分析,提出了一种具有明确物理意义的土拱厚度的确定方法。通过搜寻土体中σ_xm(桩间土体中心截面处最大σ_x值)等值点的分布规律,拟合了土拱轴线的描述方程。讨论了桩间距对土拱的矢高、厚度的影响规律。通过与单桩计算结果的对比,提出了确定邻桩对桩前土影响范围的方法,进一步证明桩前土拱的存在。结果显示,随着桩身位移增加,桩前土体内主应力方向发生偏转,逐渐形成桩前被动土拱;桩间距为桩宽的2.5~4.5倍时出现被动土拱,3~4倍时土拱效应最明显,土拱厚度和矢高随桩间距线性增加;桩前被动土拱增加了相邻抗滑桩间相互作用范围。研究结果为抗滑桩桩前土受力及承载力研究提供了新思路,对工程实际具有一定参考价值。     

基于土拱耦合效应的合理桩间距分析

桩间距是抗滑桩设计的重要参数之一,目前都是在土拱效应的基础上建立的,但由于对土拱内力特征以及土拱的相互作用机理认识不清,在确定最不利截面和控制条件时不严格,所得桩间距不准确。在相邻土拱耦合机理分析的基础上,根据材料力学得到拱脚三角形受压区的应力状态;以三角形受压区强度作为控制条件,利用摩尔-库伦强度准则建立桩间距下限的表达式;以土拱效应消失确定桩间距的上限值,继而探讨了桩间距的合理取值。最后以工程实例对桩间距进行了计算,并得到了较为合理的计算结果。桩间距计算公式能正确反映岩土体和抗滑桩设计参数的影响,与实际情况比较吻合,可直接应用于抗滑桩工程的设计。     

Two-dimensional soil arching evolution in geosynthetic-reinforced pile-supported embankments over voids

Soil arching and tensioned membrane effects are two main load transfer mechanisms for geosynthetic-reinforced pile-supported (GRPS) embankments over soft soils or voids. Evidences show that the tensioned membrane effect interacts with the soil arching effect. To investigate the soil arching evolution under different geosynthetic reinforcement stiffness and embankment height, a series of discrete element method (DEM) simulations of GRPS embankments were carried out based on physical model tests. The results indicate that the deformation pattern in the GRPS embankments changed from a concentric ellipse arch pattern to an equal settlement pattern with the increase of the embankment height. High stiffness geosynthetic hindered the development of soil arching and required more subsoil settlement to enable the development of maximum soil arching. However, soil arching in the GRPS embankments with low stiffness reinforcement degraded after reaching maximum soil arching. Appropriate stiffness reinforcement ensured the development and stability of maximum soil arching. According to the stress states on the pile top, a concentric ellipse soil arch model is proposed in this paper to describe the soil arching behavior in the GRPS embankments over voids. The predicted heights of soil arches and load efficacies on the piles agreed well with the DEM simulations and the test results from the literature.     

桩承式路堤平面土拱应力折减系数影响因素分析

通过二维数值模拟对桩承式路堤平面土拱应力折减系数进行了分析,探讨了影响折减系数的因素及其变化规律,结果表明:抗剪强度高的土体,应力折减系数较小,土拱效应作用显著,在一定范围中填土高度的增加,使得土拱效应逐渐形成,应力折减系数逐渐减小,土拱效应逐渐增强;桩净间距的增大或桩径的减小,都会使得应力折减系数增大,削弱了土拱效应的发挥程度。     

桩承式路堤土拱数值模拟中路堤土本构模型的选择

数值模拟方法已成为研究桩承式路堤中土拱最重要的手段,其关键在于路堤填土要采用合理的本构模型。建立桩承式路堤平面土拱分析的弹塑性有限元模型,考虑摩尔-库伦模型（MC）、硬化土模型（HS）和小应变硬化土模型（HSS）3种不同的路堤土本构模型,用有限元方法模拟不同路堤土本构模型下桩承式路堤中的土拱形态和土拱效应。计算结果表明：3种不同路堤土本构模型下平面土拱的形态都是半个椭圆。路堤土采用HS和HSS模型,获得的土拱形态、效应和桩帽-土差异沉降相同。较之HS和HSS模型,路堤土采用MC模型时计算得到的桩帽-土差异沉降较小,桩帽荷载分担比略大。当路堤高度较小时,采用MC模型获得的土拱远小于HS和HSS模型下的计算结果。土拱效应的数值模拟中路堤土可采用简单的MC模型,但土拱形态的数值模拟中路堤土宜采用HS模型。     

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。     

Geosynthetic-reinforced pile-supported embankments with caps in a triangular pattern over soft clay

Given the limit studies on the behavior of GRPS embankments with different numbers of geosynthetic layers and pile caps in a triangular pattern, this paper conducted a series of three-dimensional (3-D) numerical analyses. The numerical model was verified based on a well-instrumented large-scale test. A 3-D soil arch model was proposed for pile caps in a triangular pattern, in which the crown of the upper boundary was approximately 1.4 times the clear spacing of pile caps. Inclusion of geosynthetic reinforcement reduced the soil arching effect but increased the total load carried by the piles. For the case with three geosynthetic layers, the lower layer had a significant effect on load transfer than the middle and upper layers, but each layer had an almost proportional effect on mitigating the differential settlement on the top of the gravel cushion. The maximum strains in the reinforcement concentrated on the geosynthetic strips bridging over two adjacent square cap corners.