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。     

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。     

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。     

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。     

合理间距条件悬臂式抗滑桩三维土拱效应试验研究

在人工开挖的斜坡上施工满足合理桩间距的两根悬臂式抗滑桩,通过对模型槽内填土的顶面进行堆载,研究了桩前施工挡土板时挡土板水平变形和桩–板土压力比的变化规律。待位移传感器和土压力计读数稳定后,采用自上而下摘板的措施模拟桩前土开挖的施工过程。通过分析不同高度上测点x方向土压力的分布规律,探讨了桩间土沿高度方向直接土拱与摩擦土拱的作用程度及作用范围。摘板过程结束后,对桩间土的局部滑塌面进行测量,通过与三维土拱效应的作用范围进行比较,证实了合理桩间距条件下桩间土产生局部滑塌的范围总是处于直接土拱的拱圈内侧区域。采用自制的简易静力贯入设备对拱脚剪切线附近的原状土进行测定,基于实测锤尖贯入曲线,分析了桩间不同高度上拱脚的极限剪切作用厚度。     

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。     

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。     

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。     

柔性桩承式加筋路堤桩土应力比分析

针对柔性桩承式加筋路堤,建立了路堤–网–桩–土相互协调共同工作的荷载传递模型,通过改进的路堤荷载传递模型和假定的柔性桩侧摩阻力分布模式分析了路堤土拱效应和桩土相互作用,根据平衡条件推导获得了新的可以考虑土拱效应、拉膜效应和桩土相互作用三者耦合条件下桩土应力比及桩土差异沉降计算公式。通过工程实例的分析计算,验证计算模型的合理性,并分析了各因素与桩土应力比的关系。结果表明：网上、下桩土应力比均随路堤填土内摩擦角的增加先增大后减小,随桩体压缩模量、路堤填土压缩模量的增加而增大,随桩间土压缩模量、桩间距的增加而减小,且网下桩土应力比大于网上桩土应力比;网上桩土应力比随土工格栅抗拉强度的增加而减小,网下桩土应力比随土工格栅抗拉强度的增加而增大,网上、下桩土应力比差随土工格栅抗拉强度、路堤填土重度和填土高度的增加而增大。桩土应力比和桩土差异沉降理论计算值与工程实例实测值对应较好。     

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.     

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。