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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

曹卫平  
【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。


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