樁承式路堤土拱效應及基于性能的設計方法研究.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壓法或真空.堆載聯(lián)合預壓法相比,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小；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)外已開始廣泛應用. 樁承式路堤受力性狀比較復雜.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力將部分自重傳遞給樁帽上路堤,使得樁間土承擔的荷載減小,而樁承擔的荷載增加,路堤中出現(xiàn)了土拱效應.土拱效應對樁承式路堤的荷載傳遞和沉降變形性狀有重要影響.工程設計時,關心

3、的是土拱效應的發(fā)揮程度.土拱效應不足,樁間土承擔的荷載過大,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有的經(jīng)濟效果.因此,對土拱效應的發(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,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.樁土應力比存在上、下限,隨著樁土相對位移增加,樁土應力比先增大,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,樁土應力比越大.樁梁寬度與樁梁凈間距之比越大,樁土應力比越大,路堤項面差異沉降越小.使用水平加筋體能提高樁土應力比,水平加筋體拉伸強度較高時,對樁土應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發(fā)展變化機理及樁土相互作用分析的基礎上,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