樁承式路堤土拱效應(yīng)及基于性能的設(shè)計方法研究.pdf

1、樁承式路堤由路堤填料、一層或多層水平加筋體、樁帽、樁和地基土組成,是近年來在軟土地區(qū)發(fā)展起來的一種新型路堤型式.與傳統(tǒng)的軟基處理方法如堆載預(yù)壓法或真空.堆載聯(lián)合預(yù)壓法相比,樁承式路堤具有以下優(yōu)點:由于大部分路堤荷載通過樁傳遞給了深層強度較高的土層,因而路堤總沉降及工后沉降較??；樁和水平加筋體的共同作用使得路堤側(cè)向變形較小、穩(wěn)定性較高；路堤無需分期填筑,大大縮短了施工工期.與樁筏基礎(chǔ)相比,樁承式路堤取消了樁頂筏板,而以樁帽代替,并采用較大

2、的樁間距,因此具有良好的經(jīng)濟性.目前,樁承式路堤在國內(nèi)外已開始廣泛應(yīng)用. 樁承式路堤受力性狀比較復(fù)雜.樁抗壓剛度大于樁間土抗壓剛度,因此樁間土上路堤沉降大于樁帽上路堤沉降,兩者之間存在相對位移,在路堤沉降變形過程中,樁間土上路堤通過與樁帽上路堤之間相互作用的剪應(yīng)力將部分自重傳遞給樁帽上路堤,使得樁間土承擔(dān)的荷載減小,而樁承擔(dān)的荷載增加,路堤中出現(xiàn)了土拱效應(yīng).土拱效應(yīng)對樁承式路堤的荷載傳遞和沉降變形性狀有重要影響.工程設(shè)計時,關(guān)心

3、的是土拱效應(yīng)的發(fā)揮程度.土拱效應(yīng)不足,樁間土承擔(dān)的荷載過大,路堤頂面容易出現(xiàn)過大的差異沉降,影響使用,反之則達不到樁承式路堤應(yīng)有的經(jīng)濟效果.因此,對土拱效應(yīng)的發(fā)展變化機理進行深入研究,揭示樁承式路堤的承載變形規(guī)律并總結(jié)出一套設(shè)計計算方法具有重要的理論和工程實踐意義. 基于上述背景,本文首先通過模型試驗研究了平面土拱效應(yīng),觀測了路堤填筑過程及地基土固結(jié)過程中樁頂、樁間土土壓力及路堤沉降的變化.結(jié)果表明: 樁土應(yīng)力比受樁土相

4、對位移、路堤高度、樁梁凈間距、樁梁寬度及水平加筋體拉伸強度等多個因素的影響.樁土應(yīng)力比存在上、下限,隨著樁土相對位移增加,樁土應(yīng)力比先增大,達到峰值后逐漸減小,最終趨于穩(wěn)定值.路堤高度與樁梁凈間距之比越大,樁土應(yīng)力比越大.樁梁寬度與樁梁凈間距之比越大,樁土應(yīng)力比越大,路堤項面差異沉降越小.使用水平加筋體能提高樁土應(yīng)力比,水平加筋體拉伸強度較高時,對樁土應(yīng)力比的提高作用較大.使用水平加筋體對減小路堤頂面差異沉降有一定的作用.模型試驗還發(fā)現(xiàn)

5、,對于平面土拱,等沉面約在1.4～1.6倍樁梁凈間距的路堤高度處. 然后,對模型試驗進行了數(shù)值模擬,重點分析了路堤等沉面高度的影響因素. 數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn),等沉面高度主要決定于樁梁凈間距,而樁土相對位移、路堤填料強度參數(shù)c、φ及水平加筋體拉伸強度對等沉面高度幾乎沒有影響.結(jié)合管樁加固路堤軟基現(xiàn)場試驗,分析了路堤填筑過程及填筑完畢后一段時間內(nèi)樁帽及樁間土土壓力、沉降的變化特點.發(fā)現(xiàn)對于空間土拱,等沉面約在 3.5 倍的樁帽凈間

6、距的路堤高度處.根據(jù)上述研究,將路堤中的土拱分為完整土拱和不完整土拱兩種類型,當(dāng)路堤中形成完整土拱時,路堤頂面不出現(xiàn)差異沉降,否則,路堤頂面將會出現(xiàn)較大的差異沉降. 其次,在總結(jié)前人 SSI (Soil-Structure Interface) 試驗成果的基礎(chǔ)上,對傳統(tǒng)樁土荷載傳遞雙曲線模型進行了改進,分析了大面積堆載下、地基土固結(jié)過程中樁土之間的相互作用.結(jié)果表明,樁身摩阻力、樁身中性點位置及樁承載力處于一個變化過程中,樁頂荷

7、載大小及施加時間對樁身中性點位置、樁身摩阻力分布有顯著影響. 在上述模型試驗、數(shù)值分析及現(xiàn)場試驗所揭示的土拱效應(yīng)發(fā)展變化機理及樁土相互作用分析的基礎(chǔ)上,建立了能考慮路堤填筑過程與地基土固結(jié)相耦合的樁承式路堤土拱效應(yīng)計算模型.利用該模型分析了臺縉高速公路管樁加固軟基工程,發(fā)現(xiàn)根據(jù)本文模型計算得到的結(jié)果與現(xiàn)場實測結(jié)果比較吻合,驗證了本文所建立的土拱效應(yīng)計算模型的合理性.現(xiàn)場試驗及本文理論分析均表明,路堤填筑完畢后,地基土固結(jié)對樁土應(yīng)