桩承式路堤“土拱结构”形成演化规律离散元分析

“土拱结构”作为桩承式路堤中的主要荷载传递媒介,对路堤荷载传递和路堤填料位移有显著影响。基于室内模型试验,采用颗粒流软件PFC^2D建立桩承式路堤离散元（DEM）数值分析模型,基于应力主方向、接触力链及路堤填料沉降分布规律对路堤中“土拱结构”形态及其演化规律进行深入分析。研究结果表明：路堤中“土拱结构”随桩土相对位移的增加而逐渐发展并最终趋于稳定,最终的“土拱结构”形态呈0.8倍桩净间距高的抛物线形;路堤填筑高度对“土拱结构”形态、演化规律以及荷载传递效率有显著影响;路堤填料粗糙度、桩净间距及桩梁宽度对路堤荷载传递效率有显著影响,但对“土拱结构”最终形态几乎无影响。     

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。     

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。     

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。     

循环荷载作用下土拱效应的离散元研究

基于室内Trapdoor模型试验,采用PFC2D研究了循环荷载作用下不同路堤高度的土拱效应,从力链和位移的角度对路堤内土拱结构、填料移动的变化规律进行了宏观和微观分析。结果表明:抗扭转模型可以较好地模拟以铝棒相似土作为填料的Trapdoor试验; 在循环荷载作用下路堤内形成的土拱结构发生破坏,土拱效应得到削弱,土拱结构的破坏主要发生在初始加载阶段,并且在这个阶段高路堤底部土拱结构比低路堤受到外部荷载的影响要小; 随着加载的进行,路堤内部形成了新的稳定受力结构并基本保持不变; 在循环加载过程中低路堤加载板两侧的力链结构受到的影响和扰动比高路堤的大; 在循环荷载作用下,路堤表面发生了沉降,其中塑性位移主要发生在初始加载阶段,之后产生的几乎是弹性位移; 高路堤加载板两侧土体相较于低路堤在第一次加载时更不容易产生横向位移被挤向两端,加载板的竖向位移减少,从而减少加载板对底部土体的影响,使得路堤底部的土拱结构更不容易被影响。     

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。     

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...     

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。     

桩承式加筋路堤三维动力流固耦合分析

为了研究交通荷载作用下桩承式加筋路堤的动力特性,采用FLAC 3D软件建立了路堤的三维动力流固耦合分析模型,对无筋无桩、有筋无桩、无筋有桩、有筋有桩4种情况的路堤在动荷载作用下的竖向位移、水平位移、桩土应力比、超孔隙水压力、加速度等进行了计算分析,对比研究了4种情况下各自的特点,揭示了桩承式加筋路堤的作用机制.数值分析...     

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。     

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。     

基于分段荷载传递法的桩网路堤结构荷载效应整体分析模型

为了系统分析桩网支撑路堤结构的荷载传递效应,首先基于单元分析模型和Marston埋管理论,考虑到路基荷载应力重分布时竖向应力水平和界面剪切强度发挥的影响,采用分段平衡控制方程结合边界位移协调的方法,建立了路基荷载传递分析的分段解析模型;在此基础上,考虑垫层加筋的张拉膜效应影响,结合复合地基桩土相互作用的简化分段分析,根据应力、位移连续性条件,建立路基–加筋(网)垫层–刚性桩复合地基联合作用的桩网支撑路堤结构荷载效应整体计算模型并给出求解方法,明确了桩、土间的荷载分担。通过与工程实测结果的对比,验证了该计算模型的可靠性,并算例分析了路基模型界面剪切强度发挥、筋材兜提效应和垫层材料性能等因素的影响规律,可为桩网支撑路堤结构荷载传递机制的研究提供参考。     

移动荷载作用下桩承式加筋路堤的动力特性

为了研究桩承式加筋路堤在移动荷载作用下的特性,采用FLAC 3D软件建立了移动荷载作用下道路的三维动力流固耦合分析模型,对桩承式加筋路堤和天然路堤在移动荷载作用下的竖向变形、桩土应力比、超孔隙水压力、加速度等进行了对比分析,并研究了不同轴载对路堤竖向变形的影响。分析结果表明：移动荷载作用下,桩承式加筋路堤通过桩体土拱效应和格栅张拉膜效应的联合作用,其路面竖向变形、桩土应力比、超孔隙水压力、加速度均比天然路堤的结果明显减小;随着轴载的增加,桩承式加筋路堤路面竖向变形不断增大。     

基于单活动门试验的土拱效应演化规律研究

土拱效应是岩溶塌陷、桩承式路堤、隧道开挖以及挡土结构荷载传递的重要机制。针对土拱效应演化规律的研究,采用钢棒相似土作为填料开展二维单活动门试验,得到了土拱效应演化的地基反应曲线(GRC),探讨了曲线特征参数在不同填料高度下的变化规律,分析了填料在活动门不同下沉阶段的细观演化规律。试验结果表明：填料高度较小时,曲线没有明显进入临界阶段的特征。随填料高度增加,曲线起始段斜率、最小应力折减比、曲线恢复段斜率以及临界应力折减比逐渐降低,最小应力折减比对应的标准化位移逐渐增大。活动门下沉过程中,填料从初始三角形下沉区域逐渐向外侧扩展,并在中心处形成位移集中区域,其中填料高度较高时,内部位移集中区域形似塔形,最终下沉区域逐渐扩张为两段式的外张漏斗型,漏斗两侧与垂直方向夹角随填料高度的增大而减小;剪应变集中分布在活动门两侧,整体呈扇形向上发展,存在内外两条滑移面,呈“V”字型分布;活动门上方颗粒会逐渐形成一个向下发展的转角不变拱,拱内颗粒转角不变,拱外颗粒转动偏向拱。