樁承式加筋路堤土拱形成-演化機(jī)理及承載特性宏細(xì)觀分析.pdf

1、隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，交通運(yùn)輸資源的需求而日益增大，高速公路和鐵路作為最為便捷的交通運(yùn)輸方式得到了大力發(fā)展。樁承式加筋路堤，因其經(jīng)濟(jì)高效的優(yōu)點(diǎn)已在高速公路和鐵路工程建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用。土拱效應(yīng)作為樁承式加筋路堤中主要的荷載傳遞機(jī)制而倍受專家學(xué)者關(guān)注。然而，目前在“土拱結(jié)構(gòu)”的形成-演化機(jī)理及其承載特性等方面的研究，嚴(yán)重滯后于樁承式加筋路堤的實(shí)際工程應(yīng)用。因此，本文基于室內(nèi)模型試驗(yàn)和顆粒流數(shù)值分析模型，對(duì)“土拱結(jié)構(gòu)”的形成-演化機(jī)理及其承

2、載特性進(jìn)行系統(tǒng)的研究。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴基于室內(nèi)二維模型試驗(yàn)，對(duì)“土拱結(jié)構(gòu)”的形態(tài)特征及演化規(guī)律進(jìn)行分析。試驗(yàn)通過(guò)攝影成像技術(shù)獲取路堤填料位移場(chǎng)分布規(guī)律，以研究“土拱結(jié)構(gòu)”的形態(tài)特征；同時(shí)，結(jié)合樁土壓力隨樁土相對(duì)位移Δs增大的變化規(guī)律，對(duì)“土拱結(jié)構(gòu)”演化規(guī)律進(jìn)行了初探；在此基礎(chǔ)上，研究了路堤填筑高度H及格柵加筋對(duì)“土拱結(jié)構(gòu)”的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：“土拱結(jié)構(gòu)”隨樁土相對(duì)位移Δs的增大而逐漸發(fā)展，土拱效應(yīng)逐漸顯著。路堤填筑高

3、度H對(duì)“土拱結(jié)構(gòu)”形態(tài)的影響顯著，當(dāng)H<0.7(s-a)（(s-a)為樁凈間距）時(shí)，路堤中僅能形成“傾斜剪切面”；當(dāng)0.7(s-a)≤H≤1.4(s-a)時(shí)，路堤中可形成不閉合的弧形“部分土拱”；而當(dāng)H>1.4(s-a)時(shí)，路堤中則能形成“完全土拱”。格柵加筋對(duì)“土拱結(jié)構(gòu)”的發(fā)展有影響，但基本不會(huì)影響“土拱結(jié)構(gòu)”的形態(tài)及其承載力。然而，受路堤填料與模型箱體之間摩阻力的影響，“土拱結(jié)構(gòu)”的形成-演化機(jī)理未能被完全揭示。⑵基于前人的室內(nèi)模型

4、試驗(yàn)建立顆粒流數(shù)值分析模型，從宏細(xì)觀角度對(duì)“土拱結(jié)構(gòu)”的形成-演化機(jī)理進(jìn)行綜合分析。首先，提出了一種改進(jìn)的分層壓實(shí)法以建立初始應(yīng)力狀態(tài)較為合理的顆粒流數(shù)值模型，并通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)值模型的正確性進(jìn)行了驗(yàn)證。隨后，對(duì)相關(guān)宏觀指標(biāo)（如，土壓力和路堤填料位移）及細(xì)觀指標(biāo)（如，接觸力鏈、應(yīng)力主方向及組構(gòu)各向異性主方向）的變化規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)分析。模擬結(jié)果表明：路堤中“土拱結(jié)構(gòu)”的主體結(jié)構(gòu)主要由強(qiáng)力鏈構(gòu)成，而弱力鏈則主要起支撐作用；“完全土拱”（即H

5、>1.4(s-a)的路堤）的發(fā)展與樁土相對(duì)位移Δs密切相關(guān)。在較小的Δs條件下，路堤中僅能形成“傾斜剪切面”，并隨Δs的增大而逐漸演變成拱高約為0.5(s-a)的“懸鏈線形拱”；隨后，該“懸鏈線形拱”的拱高隨Δs的增大而增大，達(dá)到0.8(s-a)后保持相對(duì)穩(wěn)定。⑶基于前人的室內(nèi)模型試驗(yàn)建立顆粒流數(shù)值分析模型，從宏細(xì)觀角度對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)荷載下“土拱結(jié)構(gòu)”的演化規(guī)律進(jìn)行深入分析。數(shù)值模型中，路堤表面的準(zhǔn)靜態(tài)荷載通過(guò)伺服機(jī)制分級(jí)施加，并系統(tǒng)分析了相

6、關(guān)宏觀指標(biāo)（如，路堤荷載傳遞效率）和細(xì)觀指標(biāo)（如，接觸力鏈、應(yīng)力主方向及組構(gòu)各向異性）的演化規(guī)律。模擬結(jié)果表明：在準(zhǔn)靜態(tài)荷載作用下，“完全土拱”的荷載傳遞能力被充分調(diào)動(dòng)，并隨準(zhǔn)靜態(tài)荷載的增加而經(jīng)歷“發(fā)展-劣化-重構(gòu)”的演化規(guī)律；承載強(qiáng)力鏈的顆粒集合發(fā)生“垮塌”是“土拱結(jié)構(gòu)”發(fā)生劣化的直接原因，并導(dǎo)致強(qiáng)力鏈組構(gòu)各向異性程度及路堤荷載傳遞效率的降低。⑷基于前人室內(nèi)模型試驗(yàn)建立了樁承式路堤動(dòng)力響應(yīng)顆粒流數(shù)值模型。模型中，通過(guò)在路堤表面施加正弦

7、波循環(huán)荷載以模擬車輛荷載，并系統(tǒng)分析了相關(guān)宏觀指標(biāo)（如，路堤荷載傳遞效率、路堤填料位移）及細(xì)觀指標(biāo)（如，接觸力、組構(gòu)各向異性）的動(dòng)力響應(yīng)特性，從宏細(xì)觀角度對(duì)循環(huán)荷載作用下“土拱結(jié)構(gòu)”的動(dòng)力響應(yīng)特性進(jìn)行了綜合分析。研究結(jié)果表明：在循環(huán)荷載作用下，“完全土拱”的荷載傳遞能力先逐漸減弱，最后達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)；在循環(huán)荷載施加過(guò)程中，“土拱結(jié)構(gòu)”始終存在于路堤中，其發(fā)揮程度則根據(jù)路堤荷載傳遞需求而有所不同；加載階段，“土拱結(jié)構(gòu)”的荷載傳遞能力逐漸