桩承式加筋路堤DEM数值模拟与土拱效应演化研究

【摘要】：目前我国正处于高速发展时期,高速公路和高速铁路对桩承式路堤具有较大的技术需要。对于路基工程而言,桩承式路堤具有明显的优势,其能有效地控制地基地沉降和侧向变形,可快速填筑施工,大大缩短施工工期。土拱效应是桩承式路堤的主要工作机制,目前有多种模型。然而,对于土拱效应随桩间土下沉过程演化的重视还不够,对于张拉膜效应与土拱效应之间的耦合关系也缺乏深入研究。采用课题组自制的多功能土工模型试验箱开展了一系列加筋桩承式路堤模型试验。通过粒子图像测速技术对路堤颗粒位移进行监测,采用自制的三点式荷载计记录桩与桩间土承受的竖向荷载,对比分析了加筋与未加筋工况下的变形模式与土拱效应发挥程度。得到当采用加筋后,三角形扩展模式以及塔形升高模式会转变为同心椭圆模式,等沉型模式会转变为同心圆等沉模式,揭示了两类模型土拱效应随桩间土下沉的发挥过程。通过模型试验数据对路堤高度影响、相对净距影响、加筋高度影响以及加筋刚度影响分别进行了探讨。揭示随着路堤高度的提高,变形模式逐渐由同心椭圆扩展模式转化为同心圆等沉模式,转化的临界填料高度为1.5倍桩间净距,但形成同心圆等沉模式后,等沉面的高度仅为0.67倍桩间净距;揭示了加筋对土拱效应发挥所起到的双重作用。一方面,加筋减小了差异沉降,导致土拱效应发挥程度降低。另一方面,加筋改变了变形模式,形成了“同心圆”多拱,并为这一多拱形态提供稳定拱脚。低路堤强加筋条件下第一方面影响占主导,弱加筋高路堤条件下第二方面影响占主导;加筋筋材高度的提高对土拱的变形模式影响与土拱效应荷载分担比影响有限。通过桩承式加筋路堤离散元数值模拟,从力链的角度对桩承式加筋路堤的“土拱结构”的发展进行了分析。利用数值模拟对模型试验结果进行了一系列的验证,将同心椭圆扩展模式与同心圆等沉面模式进行了统一。