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。     

刚性桩复合地基桩间土拱效应分析及桩土应力比计算

通过分析刚性桩复合地基桩土相互作用机理,对桩间土拱效应及中性面上桩土应力比进行了研究。刚性桩复合地基工作时,桩间土满足竖向成拱的条件,在桩体中性面上形成竖向三维土拱,其承担的部分荷载通过三维土拱传递至桩体,桩土应力比在中性面上达到最大。通过对桩间三维土拱进行力学分析和计算,得到桩间土通过土拱传递至桩体的荷载表达式,并推导出刚性桩中性面上桩土应力比的计算公式。研究表明,中性面上桩土应力比与土体内摩擦角、黏聚力、桩土摩擦角、桩径、桩长、桩侧摩阻力等参数成正比,与桩间距成反比。计算公式经工程实例验证,有较好的吻合性。     

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。     

复合地基土拱效应与桩土应力比研究

现场试验表明,在填土荷载作用下,桩体复合地基中桩与桩间土之间产生差异沉降,引起其上填土不均匀位移并调动自身强度以抵抗荷载而自然形成土拱。土拱将其上填土荷载传递至桩体,土拱下土体不承担拱上填土荷载,从而使复合地基承载力提高、沉降减小。在顶面水平的填土荷载作用下,填土中土拱由拱脚支承在相邻桩桩顶的主拱与搭接于主拱上的次拱组成,拱轴线均为悬链线。通过对主、次拱的静力平衡分析得出主拱轴向应力的计算公式,根据主拱拱脚处应力达到极限平衡状态的条件求得主、次拱的拱高及主拱对桩顶的压应力,由此导出复合地基桩土应力比计算公式。计算公式经工程实例验证,可用于复合地基设计。     

土拱应力传递模型及其形态差异性对比

为研究土拱效应的演化过程以及土拱应力的传递规律，根据桩土静力平衡条件及抗剪强度准则建立土拱应力传递模型，并基于工程背景建立数值模型，通过控制等应力差方法比较三种应力云图中土拱的形态差异，并根据土拱应力传递模型对桩后荷载的传递规律进行分析。解析解表明：桩间竖向土拱和桩后水平土拱的法向应力均呈指数递减规律；不同应力云图中土拱形态不同，根据土拱效应随深度的演化过程，可分成四个区域进行研究；水平土拱效应随深度逐渐减弱，桩侧土拱及桩脚处应力随深度均增大并逐渐接近桩后应力；桩后土拱荷载传递系数随深度逐渐减小，桩侧土拱荷载传递系数随深度逐渐增大。     

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。     

桩式加筋路堤

桩式加筋（GRPS）路堤作为一种有效手段已在国内外成功采用并解决了许多岩土工程问题。本文回顾了目前GRPS路堤的实际应用和设计情况，包括荷载传递机理、破坏模式、设计思路、数值分析和具体应用，研究表明GRPS路堤体系最适用于硬土或基岩上覆有软弱土层、新填土较厚、施工期较紧，及总沉降和不均匀沉降要求较严等情况。这种路堤形式常用于桥头段、路基拓宽及穿越软土的铁路或高速公路路基处理，它通过加筋减少桩顶承台覆盖率或加固置换比，达到经济的目的。桩顶承台或竖向增强体上荷载传递机理主要包括土体的土拱作用、土工膜张拉或刚性平台效应，及桩（或竖向增强体）与土体间的相对刚度差异。通过假定竖向滑动面，用刚性轴对称锥形、三棱柱体或半球体这三种常用的土拱模型，计算了土拱比和加筋体上平均竖向应力。目前较少有张拉膜理论可用于计算加筋体中产生的应变和拉力，基于桩式加筋路堤的复杂性，数值方法是进行分析的有效方法。     

路堤荷载下双向增强体复合地基受力机理分析

针对双向增强体加固软土路基的作用特点,分析了筋材—桩—桩间土在路堤荷载作用下荷载传递机理。根据位移和应力连续条件,将路堤填土和加固区作为统一的整体考虑,并将一定厚度水平向加筋垫层视为具有一定刚度的薄板,基于大挠度薄板理论模拟筋材的挠曲变形,同时考虑了路堤土拱效应和路基桩土相互作用,建立了路堤荷载作用下双向增强体复合地基受力模型和桩土应力比的有限差分解法。采用相关文献中的工程试验结果对本文的计算方法进行了验证,与其他计算结果进行比较分析,并综合分析了筋材抗拉模量、桩土差异沉降、桩净间距和路堤填土高度对桩土应力比的影响。结果表明采用本文方法计算出的桩土应力比更接近实测结果,说明该计算方法是合理的,可为工程实践提供理论参考。     

基于Hewlett土拱模型桩承式加筋路堤桩土应力比计算

桩土应力比是桩承式加筋路堤荷载传递以及地基沉降计算的重要参数。基于Hewlett土拱模型,单独分析拱顶或拱脚土单元,假设拱顶土单元处于极限状态(拱脚土单元处于弹塑性状态),以均匀超载模拟交通荷载,推导桩土应力比计算公式;基于抛物线模型,考虑筋-土界面摩擦以及地基反力,改进张拉膜效应分析方法,推导加筋条件下桩土应力比计算公式。最后与相关文献实测数据进行对比验证,结果表明该方法与相关文献实测结果除桩间净距为100mm存在误差外,变化规律基本一致,当桩间净距大于100mm时,误差不超过8%。     

Load Transfer by Soil Arching in Pile-Supported Embankments

Piles have been used to support unsymmetrical surcharges due to embankments or backfills on soft grounds. The unsymmetrical surcharges can be transferred by embankment piles to a firm layer below soft grounds according to mobilizing soil arching in pile-supported embankments or backfills. Two kinds of model tests such as the soil arching test and the load transfer test were performed to investigate, respectively, the configuration of the soil arch and the loads transferred on piles in pile-supported embankments. In these model tests, model piles were installed in several rows below sand fills, and the heads of piles in each row were connected with cap beams. The soil arch showed a configuration of a semi hollow cylinder, whose diameter was equal to the space between the outer edges of two cap beams and thickness was equal to the width of the cap beams. Based on the configuration of the soil arch defined by the soil arching test, a theoretical analysis was carried out to predict the loads transferred on the piles according to mobilizing soil arching in pile-supported embankments. The equation presented by the theoretical analysis could consider the effect of various factors affecting on the loads transferred on the cap beams; the loads depended on space between cap beams, width of cap beams, height and strength parameters of embankment fills, etc. The loads predicted by the presented equation showed good agreement with those measured in not only the presented test but also the previous test. Finally, the presented theoretical analysis was compared with the previous theoretical analyses on soil arching and its differences from the previous theories were discussed.     

筒桩桩承式加筋路堤现场试验研究

为了进一步明确筒桩桩承式加筋路堤的工作机制,在广州绕城高速公路九江—小塘段进行现场试验。试验结果证明,筒桩单桩竖向承载力大,均以刺入方式破坏,并且筒桩单桩复合地基承载力大,沉降小。筒桩桩承式加筋路堤荷载传递机制主要受"土拱效应"和"拉膜效应"控制,桩土应力比随路堤荷载以及桩顶与桩间土之间沉降差的变化而变化。路堤荷载下筒桩复合地基,总沉降小,桩帽上和桩间土上的土体存在沉降差,沉降差的发展可以反映土拱效应的发挥程度。另外,路堤荷载在地基土中产生的超孔隙水压力很小,且随深度迅速减小,地下6.0m处超孔压已接近0。路堤侧向变形小且随深度迅速减小,最大侧向变形发生在地下3.0～4.5m处。     

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。     

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.     

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。     

考虑桩间水平土拱效应的边坡桩间墙组合结构受力计算方法

抗滑桩桩间水平土拱效应目前主要用于确定桩间距,在桩间组合结构的受力计算中应用较少。如桩间墙,设计者多按设桩处的剩余下滑力计算桩上荷载,采取将土压力或剩余下滑力折减,或将土体参数提高的方法估算墙上荷载,未充分考虑桩间水平土拱的影响。首先理论分析了桩间水平土拱对桩间墙组合结构受力的影响,认为在桩间水平土拱影响下,抗滑桩的受力应为土拱拱顶处的剩余下滑力;挡土墙的受力应为拱前土体产生的主动土压力或剩余下滑力。在此基础上,推导了考虑土拱效应时该组合结构中抗滑桩和挡土墙的受力计算方法。以某实际铁路堑坡为例,通过计算考虑桩间水平土拱效应的桩间墙受力分配,说明了桩间水平土拱效应对桩间墙组合结构受力的影响。