桩承式路堤土拱效应颗粒流分析

土拱效应是桩承式路堤中荷载传递机制中的关键因素。参照前人室内模型试验,采用颗粒流软件PFC2D建立离散元(DEM)数值模型,对桩承式路堤中的接触力分布、主应力偏转、竖向位移和侧向位移等进行深入分析。模拟中,路堤填料和桩间土采用Disk单元模拟,桩和模型箱采用Wall单元模拟,路堤DEM模型采用分层压实法生成;路堤填料细观参数通过建立数值双轴试验进行标定,桩间土细观参数通过建立数值压缩试验进行标定。模拟结果表明:桩承式路堤中土拱由多个不同圆心的半球形拱共同组成,拱的高度约为5(s-a)/6;在该高度内路堤中的主应力发生明显偏转,竖向位移量和侧向位移量较大。     

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。     

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。     

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。     

桩承式路堤土拱效应计算方法比较

桩承式路堤土拱效应对路堤的荷载传递和沉降变形性状有重要影响,桩土应力比是评价土拱效应的重要参数.通过模型试验及现场测试对目前已有的土拱效应计算方法进行了比较.结果表明:对于平面土拱,Terzaghi方法计算结果与模型试验结果最大值比较接近,Low方法计算结果整体上与模型试验结果吻合较好;对于空间土拱,Hewlett方法及陈云敏方法计算结果与现场实测结果均比较接近;英国规范BS8006推荐方法的计算结果与模型试验及现场实测结果的差异均较大.该研究成果可为桩承式路堤设计提供有益的参考.     

桩承式加筋路堤土拱效应的缩尺模型试验研究

通过缩尺模型试验,主要研究桩承式加筋路堤中正方形布桩的桩帽净间距、路堤填土性质对土拱效应的影响,分析填土黏聚力和桩帽间距对土拱效应的影响及其随附加荷载变化的规律。研究结果表明:(1)路堤填土的黏聚力使填土中土拱效应增强,桩帽上的土压力增大,而桩间土土压力减小;与黏聚力为0的填土相比,填土内黏聚力不等于0时,桩体荷载分担比增大,在相同荷载条件下桩间土和路堤表面的沉降均减小。(2)填土的成拱条件应与黏聚力无关,土拱高度应该大于1.0倍且小于1.5倍的桩帽净间距。(3)桩帽间距越大,土拱效应越弱,桩体荷载分担比越小。(4)不管路堤填土是否具有黏聚力以及桩帽净间距如何变化,桩承式加筋路堤中桩帽边缘处的土压力均大于桩帽中心处的土压力。     

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。     

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。     

桩承式路堤土拱效应三维分析

通过模型试验和有限元分析,研究桩承式路堤中填土的破坏模式.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,破坏面为位于桩顶以上的泡状曲面,可假设为对数螺旋曲面.基于模型试验和有限元分析得到的破坏模式,建立了土拱效应的三维简化分析方法,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,该简化方法的计算结果可靠合理.     

谈桩承式路堤中土拱效应的研究现状

桩承式路堤具有稳定性好、经济效益高等特点,在国内外的实际工程中得到越来越广泛的应用。当桩承式路堤中的桩及桩帽作用于软土层时,桩间会形成土拱,因此桩承式路堤的设计必须考虑到土拱效应的作用。从理论研究、试验研究、数值模拟角度出发,对前人基于桩承式路堤中土拱效应的研究成果进行总结,提出研究展望,为今后土拱效应的研究提供参考。     

桩承式路堤中土拱效应产生过程可视化分析

"土拱效应"在提高桩承式路堤承载能力方面发挥着重要的作用。现今关于"土拱效应"的研究主要采用现场原型试验和数值模拟及其在此基础上的理论计算。借助于传统的光弹试验技术,研制出一种直径3 mm、透明度较高的聚碳酸酯光弹颗粒,用于近似模拟桩承式路堤中的土颗粒,通过自制的加载装置和光测力学图像处理系统,实现多种条件下路基内部应力分布的可视化,重点观测模型内部力链网格的产生、分布及变化规律,试验结果表明:填土高度会对土拱的形成及形状产生极大影响,填土高度太小,斜向力链会因缺乏扩展空间无法闭合而不能形成拱结构,随填土高度增加,土拱由三角拱向半圆拱或梯形拱过渡;荷载的大小变化不会影响土拱效应的出现,但会对土拱的结构形状产生较大影响;随桩距比的增大,土拱由三角拱向半圆拱或多拱演化,当桩距比大于3∶1时,土拱效应开始减弱直至消失,路堤承载能力大幅下降。     

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。     

基于混合试验的桩承式加筋路堤参数影响分析

桩承式加筋路堤的路堤土拱效应、加筋体张拉膜效应以及桩土地基承载效应之间存在着较为复杂的耦合效应,由于土拱效应随路堤加载与桩间土下沉的演化,目前的计算理论与方法难以真实地评价桩承式路堤荷载调节与沉降稳定的全过程。引入混合试验的技术思路,开发一套阵列式多活动门试验装置及桩土地基混合试验方法,实现加筋垫层路堤物理模型与桩土地基数值模型的适时数据交换,开展9组不同路堤高度与加筋体拉伸模量的参数影响试验。试验结果表明：所建立的混合试验方法能够较好地实现桩承式加筋路堤的全组件参与、全效应耦合工作性能模拟,大大地节省了试验成本和时间,为桩承式加筋路堤的长期承载性能演化以及沉降预测提供了一种新的试验手段。同心圆力学模型能够较为准确地评价路堤的最大土拱效应。当路堤高度较低时,采用拉伸模量较高的加筋体能够提高桩的荷载分担比。采用拉伸模量较高的加筋体,在不同的加筋高度条件下均能够显著地降低桩间土沉降与桩土差异沉降。随着路堤高度的增加,不同加筋体模量试验的桩、土荷载分担比趋于一致,采用地基反力系数法不能可靠地反映桩间土的真实承载机制。     

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。     

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。     

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。     

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。     

桩承路堤土拱效应现场试验与分析

桩承路堤在路堤自重作用下形成竖向土拱,并通过土拱传递荷载,其浅层荷载传递机制直接影响到桩土的协调工作和地基的加固效果。为研究桩承路堤中竖向土拱效应的特性,通过设置试验段进行了现场试验,对采集到的应力与变形数据进行了分析处理。研究结果表明,刚性桩支承路堤中存在明显的竖向土拱效应,且在路堤浅层采用粗粒土填料填筑有利于路堤中连续、稳定的土拱的形成,能够起到更好的加固效果。最后提出了一些合理化建议,可供设计与施工人员参考。     

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。