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桩承式路堤土拱效应及基于性能的设计方法研究

作　者: 曹卫平
导　师: 陈云敏；陈仁朋
学　校: 浙江大学
专　业: 岩土工程
关键词: 桩承式路堤软土地基土拱效应桩土应力比沉降基于性能的设计方法
分类号: U416.12
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

桩承式路堤由路堤填料、一层或多层水平加筋体、桩帽、桩和地基土组成，是近年来在软土地区发展起来的一种新型路堤型式。与传统的软基处理方法如堆载预压法或真空-堆载联合预压法相比，桩承式路堤具有以下优点：由于大部分路堤荷载通过桩传递给了深层强度较高的土层，因而路堤总沉降及工后沉降较小；桩和水平加筋体的共同作用使得路堤侧向变形较小、稳定性较高；路堤无需分期填筑，大大缩短了施工工期。与桩筏基础相比，桩承式路堤取消了桩顶筏板，而以桩帽代替，并采用较大的桩间距，因此具有良好的经济性。目前，桩承式路堤在国内外已开始广泛应用。桩承式路堤受力性状比较复杂。桩抗压刚度大于桩间土抗压刚度，因此桩间土上路堤沉降大于桩帽上路堤沉降，两者之间存在相对位移，在路堤沉降变形过程中，桩间土上路堤通过与桩帽上路堤之间相互作用的剪应力将部分自重传递给桩帽上路堤，使得桩间土承担的荷载减小，而桩承担的荷载增加，路堤中出现了土拱效应。土拱效应对桩承式路堤的荷载传递和沉降变形性状有重要影响。工程设计时，关心的是土拱效应的发挥程度。土拱效应不足，桩间土承担的荷载过大，路堤项面容易出现过大的差异沉降，影响使用，反之则达不到桩承式路堤应有的经济效果。因此，对土拱效应的发展变化机理进行深入研究，揭示桩承式路堤的承载变形规律并总结出一套设计计算方法具有重要的理论和工程实践意义。基于上述背景，本文首先通过模型试验研究了平面土拱效应，观测了路堤填筑过程及地基土固结过程中桩顶、桩间土土压力及路堤沉降的变化。结果表明：桩土应力比受桩土相对位移、路堤高度、桩梁净间距、桩梁宽度及水平加筋体拉伸强度等多个因素的影响。桩土应力比存在上、下限，随着桩土相对位移增加，桩土应力比先增大，达到峰值后逐渐减小，最终趋于稳定值。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，桩土应力比越大，路堤顶面差异沉降越小。使用水平加筋体能提高桩土应力比，水平加筋体拉伸强度较高时，对桩土应力比的提高作用较大。使用水平加筋体对减小路堤顶面差异沉降有一定的作用。模型试验还发现，对于平面土拱，等沉面约在1.4～1.6倍桩梁净间距的路堤高度处。然后，对模型试验进行了数值模拟，重点分析了路堤等沉面高度的影响因素。数值模拟发现，等沉面高度主要决定于桩梁净间距，而桩土相对位移、路堤填料强度参数c、φ及水平加筋体拉伸强度对等沉面高度几乎没有影响。结合管桩加固路堤软基现场试验，分析了路堤填筑过程及填筑完毕后一段时间内桩帽及桩间土土压力、沉降的变化特点。发现对于空间土拱，等沉面约在3.5倍的桩帽净间距的路堤高度处。根据上述研究，将路堤中的土拱分为完整土拱和不完整土拱两种类型，当路堤中形成完整土拱时，路堤顶面不出现差异沉降，否则，路堤顶面将会出现较大的差异沉降。其次，在总结前人SSI(Soil-Structure Interface)试验成果的基础上，对传统桩土荷载传递双曲线模型进行了改进，分析了大面积堆载下、地基土固结过程中桩土之间的相互作用。结果表明，桩身摩阻力、桩身中性点位置及桩承载力处于一个变化过程中，桩顶荷载大小及施加时间对桩身中性点位置、桩身摩阻力分布有显著影响。在上述模型试验、数值分析及现场试验所揭示的土拱效应发展变化机理及桩土相互作用分析的基础上，建立了能考虑路堤填筑过程与地基土固结相耦合的桩承式路堤土拱效应计算模型。利用该模型分析了台缙高速公路管桩加固软基工程，发现根据本文模型计算得到的结果与现场实测结果比较吻合，验证了本文所建立的土拱效应计算模型的合理性。现场试验及本文理论分析均表明，路堤填筑完毕后，地基土固结对桩土应力比的影响很小。最后，提出了一套基于性能的桩承式路堤设计方法。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-11
第一章绪论  11-29
  1.1 研究背景  11-13
  1.2 桩承式路堤研究的关键问题  13-15
  1.3 土拱效应研究现状  15-24
  1.4 桩-土相互作用研究现状  24-27
  1.5 本文的主要工作  27-29
第二章桩承式路堤土拱效应模型试验  29-45
  2.1 引言  29
  2.2 试验装置  29-30
  2.3 试验设计  30-33
  2.4 试验结果及分析  33-42
  2.5 模型试验结果与己有解析解的比较  42-43
  2.6 本章小结  43-45
第三章桩承式路堤土拱效应数值分析  45-67
  3.1 引言  45
  3.2 数值分析模型  45-47
  3.3 有限元计算结果及与模型试验结果的比较  47-57
  3.4 路堤填料内摩擦角对土拱效应的影响分析  57-59
  3.5 等沉面高度影响因素分析  59-65
  3.6 本章小结  65-67
第四章桩承式路堤土拱效应现场试验  67-89
  4.1 引言  67
  4.2 工程概况及路堤失稳原因分析  67-73
  4.3 桩承式路堤地基处理方案  73-75
  4.4 现场监测方案及结果  75-79
  4.5 监测结果分析  79-87
  4.6 本章小结  87-89
第五章桩土荷载传递双曲线模型的改进  89-111
  5.1 引言  89
  5.2 不同材料界面剪切试验成果总结  89-95
  5.3 桩土荷载传递双曲线模型的改进  95-99
  5.4 单桩负摩擦一维分析模型  99-107
  5.5 单桩负摩擦时间效应分析  107-109
  5.6 本章小结  109-111
第六章路堤填筑过程及地基土固结过程中的土拱效应分析  111-129
  6.1 引言  111
  6.2 路堤荷载作用下地基中的初始超静孔压  111-114
  6.3 分阶段加载卸载情况下地基中的超静孔压  114-116
  6.4 考虑路堤填筑过程及地基土固结的土拱效应计算模型  116-122
  6.5 路堤填筑及地基土固结对土拱效应的影响分析  122-128
  6.6 本章小结  128-129
第七章基于性能的桩承式路堤设计方法  129-139
  7.1 引言  129
  7.2 基于性能的设计方法简介  129-130
  7.3 基于性能的桩承式路堤设计参数  130-131
  7.4 基于性能的桩承式路堤设计过程  131-135
  7.5 基于性能的桩承式路堤设计实例  135-137
  7.6 本章小结  137-139
第八章结论与展望  139-143
  8.1 本文的主要结论  139-141
  8.2 下一步工作的建议  141-143
参考文献  143-153
附录A: 模型试验图表  153-168
附录B: 桩体荷载分担比  168-170
附录C: 个人简历及攻读博士学位期间完成的学术论文  170-171
致谢  171

桩承式路堤土拱效应及基于性能的设计方法研究

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