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。     

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。     

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。     

模型试验中膜式土压力盒标定及其应用

土工模型试验和现场试验中常采用膜式土压力盒作为压力测试元件,即通过测量膜的变形（挠曲）量获取压力值。膜式土压力盒作为埋入介质内部的测试元件,由于土压力盒与岩土介质的刚度差,测试中受到由差异变形导致的岩土介质土拱效应的影响,特别是模型试验的应力历史也会产生不同程度的土拱效应影响。针对桩承式路堤多陷阱门模型试验中的加卸载条件,采用相同的试验用砂在相同的相对密度条件下进行了1组加载标定和4组不同填料高度下的卸荷标定试验。结果显示,加载曲线线性较好,而卸载曲线可采用指数曲线来进行拟合。将获取的标定系数应用于桩承式路堤多陷阱门模型试验当中,发现填料填筑过程中采用砂标系数处理得到的平均土压力值与路堤自重应力较为吻合。在陷阱门下沉模拟桩间土下沉过程中,分别采用砂标加载系数和卸荷系数处理土压力数据,与实际情况能够较好的吻合。     

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。     

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。     

加载条件对土拱效应影响的Trapdoor模型试验研究

土拱效应是一种土中应力的重分布现象,它是由土与土中结构物间刚度的差异而引起的。目前关于循环荷载对于土拱效应影响的研究十分有限。使用铝棒相似土代替砂土作为填料,通过自制的模型试验装置进行了土体自重、表面静荷载及循环荷载作用下的平面应变Trapdoor模型试验,利用土拱率作为土拱效应强弱的衡量指标,对比研究了不同加载条件对土拱效应的影响,并将试验所得结果与前人的研究成果进行了对比验证。结果表明,静荷载与循环荷载均会削弱已有稳定"土拱",削弱程度随荷载幅值及频率的增大而增大,随荷载作用面积的增大而减小。相同荷载水平下,循环荷载对土拱效应的削弱较静荷载更强,两者间的差异随荷载幅值的增大而减小,随荷载频率的增大而增大,且峰值荷载下的差异小于零荷载下的差异。总体而言,Evans提出的土拱率计算公式能够较好地用于土体自重及静荷载作用下的Trapdoor试验中土拱率的预测,而对于循环荷载作用下的情况,还有待对计算公式进行进一步地改进。     

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%。     

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...     

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。     

桩承式加筋路堤土拱及格栅受力模型试验研究

介绍了桩承式加筋路堤足尺模型实验装置,该实验装置利用PVC材料水袋模拟桩间软土,从而在一定程度上能够控制桩土差异沉降。路堤填筑过程中测试了路堤内部土压力以及格栅拉力,并且重点分析了桩帽和桩间不同位置处土压力以及格栅拉力随填筑高度的变化规律。实验结果表明,路堤在填筑过程中发生了明显的土拱效应,路堤填筑完成后桩土应力比约为8.46,土拱高度约为1.125倍桩间净距;单向土工格栅能够进一步将桩间上方土压力传递到桩顶上方;随着路堤填筑高度的增加,格栅拉力增长并不大,路堤横向滑移引起的格栅拉力可以忽略不计。