[博士]桩承式加筋路堤的设计计算方法研究
博士桩承式加筋路堤的设计计算方法研究,博士,桩承式加筋,路堤,设计,计算方法,研究
筑龙网 WWW.ZHULONG.COM洳专:博士学位论文作者姓名筮童堑指导教师隆云筮熬援学科(专业)鲞王程所在学院建篁王猩堂喧筑龙网 WWW.ZHULONG.COM浙江大学博士学位论文桩承式加筋路堤的设计计算方法研究摘要桩承式加筋路堤作为一种新型的地基处理技术,其具有可快速填筑施工,施工工期短,无须预压和二次开挖,能有效地控制地基的沉降和侧向变形,而造价与常规搅拌桩地基基本相当等突出优点,为建设在软弱地基上的路堤、堤坝、挡土墙、储油罐等提供了一种即经济又有效的解决方法,其应用范围和领域正在不断扩大,特别是需快速施工或者对沉降要求较严格的高速公路工程。但因其工作机理非常复杂,研究工作相对滞后,目前我国还没有相应的设计方法及规范,主要沿用常规复合地基理论和依靠经验进行设计,往往与实际有较大的出入,影响其应用的科学性,从而严重限制了它的应用。本文首先从由路堤填料、加筋垫层、桩及桩帽、桩间土层和下卧持力层组成的桩承式加筋路堤整体受力体系分析着手,分别建立路堤填料的土拱作用、加筋垫层的兜提作用、桩土之间的摩擦作用、桩端持力层的支撑作用的分析模型及其基本微分方程,并以各部分应力连续和应变协调的边界条件,得到整体的分析模型及其联立方程组,获得了桩土沉降、荷载分担比、加筋体拉力、等沉面高度、桩身轴力、桩侧摩阻力等的计算方法。运用M A T L A B 计算工具,编制软件求解联立方程组,并以窗口界面的形式,快速方便求解。其次,运用建立的分析模型及编制的软件,通过大量的计算,系统分析了桩承式加筋路堤的桩和桩间土沉降及其沉降差、路堤等沉面高度、桩体荷载分担比、加筋体的拉力、中性点位置、持力层等沉面深度等随各参数的变化规律,进一步探讨了桩承式加筋路堤各组成部分的相互作用的力学性状。然后,选取三个典型的高速公路桩承式加筋路堤,埋设应力和变形的观测仪器,进行现场原型试验,通过大量的现场观测,获得了沉降,荷载分担,桩身轴力等随填筑荷载及时间的变化规律;同时应用F L A C 计算软件,对其中的二个典型试验路段进行数值分析,获得其沉降、荷载分担、水平加筋体的应力与变形、桩身轴力、桩侧摩阻力等计算结果。并将分析模型、现场试验、数值分析三者的结果进行了比较分析,验证了分析模型基本能够反映桩承式路堤真实的工作性状,其计算结果具有一定的可靠性和工程实用性。最后,从实际工程的设计角度出发,探讨了桩承式加筋路堤的设计思路及应用范围,并以分析模型的计算方法为基础,提出了桩承式加筋路堤的加筋垫层、桩帽、桩布置的设计方法以及沉降、承载力、整体稳定的计算方法,形成了一套较完善的桩承式加筋路堤的实用分析计算方法,部分成果已被纳入到交通部标准公路软土路堤设计与施工技术指南(报批稿)。关键词:软土、桩、路堤、加筋垫层、分析模型、设计方法、现场试验、数值分析、沉降、承载力、土拱效应、负摩阻力、等沉面、中性点筑龙网 WWW.ZHULONG.COMA B S T R C TS t u d yo nD e s i g na n dC o m p u t a t i o nM e t h o do fG e o s y n t h e t i cR e i n f o r c e dP i l e S u p p o r t e dE m b a n k m e n t sA b s t r a c tP i l e s u p p o r t e dr e i n f o r c e de m b a n k m e n ti san e wt y p eo fg r o u n di m p r o v e m e n tt e c h n o l o g y I th a ss o m ed i s t i n c t i v em e r i t si nr a p i dc o n s t r u c t i o nr a t e s h o r tc o n s t r u c t i o nt i m e u n n e c e s s a r yo fp r e l o a d i n ga n da d d i t i o n a le x e a v a t i o n,e r i e c t i v ec o n t r o lo fg r o u n ds e t t l e m e n t sa n dl a t e r a ld i s p l a c e m e n t s,a n db a s i c a l l yt h es a m ec o n s t r u c t i o nc o s ta sc o n v e n t i o n a ls o i lc e m e n tm i x i n gp i l e s,e r e I to f f e r sa ne c o n o m i c a la n de f f e c t i v es o l v i n gm e t h o df o rt h ec o n s t r u c t i o no fr e a d s,d a m s,r e t a i n i n gw a l l s a n do i ls i l o so ns o f tg r o u n d s T h ee x t e n t sa n dr e a l mo f“sa p p l i c a t i o n sa r ei n c r e a s i n g l ye x p a n d i n g,p a r t i c u l a r l yt ot h eh i g h w a yp r o j e c t sw h e r et h er a p i dc o n s t r u c t i o ni sr e q u i r e da n dt h es e t t l e m e n ti ss e r i o n s l yc o n t r o l l e d T h ew o r k i n gm e c h a n i s mo ft h ep i l e-s u p p o r t e dr e i n f o r c e de m b a n k m e n ti sv e r yc o m p l i c a t e d a n dh e n c et h er e s e a r c hw o r k sa r el a g g e db e h i n d C u r r e n t l yt h e r ei sn od e s i g nm e t h o da n ds p e c i f i c a t i o ni no u rc o u n t r y I t sd e s i g nd e p e n d sm a i n l yo nt h ec o m p o u n dg r o u n dt h e o r ya n dt h ep r a c t i c a le x p e r i e n c e s,s o m e t i m e sl e a d i n gt oi n c o n s i s t e n tr e s u l t sw i t ht h er e a l i t y T I l i sh a sa ni n f l u e n c eo nt h es c i e n t i f i ca p p l i c a t i o t i s a n dh e n c er e s t r i c t si t sa p p l i c a t i o n s T l l i sd i s s e r t a t i o na n a l y s e st h eg l o b a lf o r c es y s t e mo ft h ep i l e-s u p p o r t e dr e i n f o r c e de m b a n k m e n t w h i c hi sc o m p o s e dO f 丘l l c dm a t c r i a l s,r e i n f o r c e dc u s h i o n,p i l ea n dp i l ec a p,s o i l si n-b e t w e e np i l e s,a n ds o i l su n d e r l y i n gp i l e s 1 1 1 ea n a l y z i n gm o d e l sa n dt h eg o v e r n i n ge q u a t i o n sw e r ee s t a b l i s h e df o r t h es o i la r c h i n ge f f e c to ft h ef i l l e dm a t e r i a l s t h eu p l i f t i n ge b c to f t h er e i n f o r c e dc u s h i o n,t h ef r i c t i o u a le 丘b c to ft h ep i l e s o i li n t e r a c t i o n,t h es u p p o r t i n ge f f e c to ft h ep i l e-e n db e a r i n gl a y e r W i t l lt h eb o u n d a r yc o n d i t i o n so fs t r e s sc o n t i n u i t ya n ds t r a i nc o m p a t i b i l i t y,t h eg l o b a la n a l y z i n gm o d e la n dt h es i m u l t a n e o u se q u a t i o ng r o u p sw e r eo b t a i n e d A I s oo b t a i n e dw e r et h ec a l c u l a t i o nm e t h o d sf o rt h ep i l e s o i ls e t t l e m e n t,1 0 a ds h a r i n gr a t i o,t e n s i o nf o r c eo ft h er e i n f o r c e m e n t,e l e v a t i o no fe q u a ls e t t l e m e n tp l a n e,a x i a lf o r c ea n ds k i nf i-i c t i o no ft h ep i l e s,e t c M 加L A Bp a c k a g ew a su s e dt oc o d eap r o g r a mi nw i n d o wf o r i l lf o rr a p i d l ya n dc o n v e n i e n t l ys o l v i n gt h es i m u l t a n e o u se q u a t i o n s B yal a r g ea m o u n to fc o m p u t a t i o n sw i t ht h ee s t a b l i s h e da n a l y z i n gm o d e la n dc o d e dp r o g r a m,t h ep a r a m e t r i ci n f l u e n c e sw e r es y s t e m a t i c a l l ya n a l y s e df o rt h ep i l e-s u p p o r t e dr e i n f o r c e de m b a n k m e n t,s u c ha s t h es e t t l e m e n t sa n ds e t t l e m e n td i f f e r e n c e so ft h ep i l e sa n dt h es o i l si n-b e t w e e np i l e s,t h ee l e v a t i o no ft h ee q u a ls e t t l e m e n tp l a n eo ft h ee m b a n k m e n t,t h el o a ds h a r i n gr a t i oo ft h ep i l e s,t h et e n s i o nI I筑龙网 WWW.ZHULONG.COM浙江大学博士学位论文桩承式加筋路堤的设计计算方法研究f o r c eo ft h er e i n f o r c e m e n t,t h el o c a t i o no ft h en e u t r a lp o i n t,a n dt h ed e p t ho ft h ee q u a ls e t t l e m e n tp l a n eo ft h eb e a r i n gl a y e r,e t e F u r t h e ri n v e s t i g a t e di st h em e c h a n i c a lb e h a v i o ro ft h ei n t e r a c t i o n so ft h ec o m p o s e dp a r t so ft h ep i l e-s u p p o r t e dr e i n f o r c e de m b a n k m e n t T h r e et y p i c a ls e c t i o n so ft h ep i l e s u p p o r t e dr e i n f o r c e de m b a n k m e n t so fah i g h w a yW e r es e l e c t e df o rt h ef i e l dt e s t sw i t ht h es t r e s sa n ds t r a i ni n s t r u m e n t sb u f f e d B val a r g en u m b e ro ff i e l dm e a s u r e m e n t s,t h ev a r i a t i o np a t t e r n sw i t ht h ep l a c e d1 0 a da n dt h eo b s e r v a t i o nt i m ew e r eo b t a i n e df o rt h es e t t l e m e n t s,t h el o a ds h a r i n g,a n dt h ea x i a lf o r c e so ft h ep i l e s N u m e r i c a la n a l y s e sw e r ea l S Oc a r r i e d0 u tf o rt w ot y p i c a lt e s t e ds e c t i o n su s i n gt h eF L A Cs o f t w a r e C a l e u l a t e dr e s u l t sw e r eo b t a i n e df o rt h es e t t l e m e n t s,l o a ds h a r i n g,t h es t r e s s e sa n ds t r a i n so ft h eh o r i z o n t a lr e i n f o r c e m e n t,a n d 也ea x i a lf o r c e sa n ds k i nf r i c t i o n so f t h ep i l e s R e s u l t sf r o mt h ea n a l y z i n gm o d e l t h ef i e l dt e s t sa n dt h en u m e r i c a la n a l y s e sw e r ec o m p a r e d I tv e r i f i e st h a tt h ea n a l y z i n gm o d e li sc a p a b l eo fr e f l e c t i n gt h er e a lw o r k i n gb e h a v i o ro ft h ep i l e-s u p p o r t e dr e i n f o r c e de m b a n k m e n t T h ec a l c u l a t e dr e s u l t sa r er e l i a b l ea n da p p l i c a b l et ot h ee n g i n e e r i n gp r a c t i c e F i n a l l y,f r o mt h ep o i n tv i e wo ft h ed e s i g no ft h ep r a c t i c a le n g i n e e r i n g,t h ed e s i g nr o u t i n ea n di t sa p p l i c a t i o ne x t e n t sw e r ei n v e s t i g a t e d 弛ed e s i g nm e t h o d sw e r ep r o p o s e df o rt h er e i n f o r c e dc u s h i o n,t h ep i l ec a p,a n dt h ep i l el a y o u to ft h ep i l e s u p p o r t e dr e i n f o r c e de m b a n k m e n t A l s op r o p o s e dw e r et h ec a l c u l a t i o nm e t h o d sf o rt h es e t t l e m e n t s,t h eb e a r i n gc a p a c i t ya n dt h eg l o b a ls t a b i l i t y T h e s em a d eu po f as e to fp r a c t i c a lm e t h o d sf o rt h ea n a l y s e sa n dc a l c u l a t i o no ft h ep i l e-s u p p o r t e dr e i n f o r c e de m b a n k m e n t T h e yh a v ea l s ob e e ni n c l u d e di n t ot h eT e c h n i c a lG u i d eo ft h eD e s i g na n dC o n s t r u c t i o no fR o a d so nS o f tS o i l s,w h i c hi sas t a n d a r do ft h eM i n i s t r yo f T r a n s p o r t a t i o n K e y w o r d s:s o f ts o i l,p i l e,e m b a n k m e n t,r e i n f o r c e dc u s h i o n,a n a l y z i n gm o d e l,d e s i g nm e t h o d,f i e l dt e s t s,n u m e r i c a la n a l y s i s,s e t t l e m e n t,b e a r i n gc a p a c i t y,s o i la r c h i n ge f f e c t,n e g a t i v es k i nf r i c t i o n,e q u a ls e t t l e m e n tp l a n e,n e u t r a lp o i n t M筑龙网 WWW.ZHULONG.COM浙江大学博士学位论文桩承式加筋路堤设计计算方法研究第一章绪论1 1 桩承式加筋路堤的体系及其特点桩承式加筋路堤是指在软土地基中按一定间距打设刚性桩,在桩顶端设置相应尺寸的桩帽(或称为托板),并在桩帽顶面铺设土工合成材料加筋垫层,然后填筑形成的路堤,如图1 1 a 所示,其由上部路堤、桩项土工合成材料加筋垫层(水平加筋体)、桩及桩帽、桩间土层和下卧持力土层共同组成的体系。路堤填筑到一定高度后,路堤荷载通过加筋垫层和桩帽的作用大部分传递至桩顶,小部分分布至地表桩间土,扩散后由桩端持力土层和桩间土共同承担,形成一个相互作用的受力体系。桩承式加筋路堤是通过桩和水平加筋体联合处理软基的一种新型构筑物型式。与传统建筑上的桩基础相比,取消了桩顶承台(或筏板),而以面积较小的桩帽代替;如图1 1 b 所示,与常规的桩承式路堤相比,增设了水平加筋体,能使桩距适当加大和桩帽尺寸减小,并取消边坡两侧的斜桩。其所采用的桩主要是刚性桩(含钢筋混凝土预制桩、预应力管桩、现场灌注桩等),不同于传统软基处理中的水泥搅拌桩、碎石桩等柔性桩和半刚性桩。采用桩承式加筋路堤,能有效地控制地基的沉降和不均匀沉降,约束侧向变形,从而减小工后沉降和不均匀沉降,同时可快速填筑施工,无需预压期和二次开挖,大大缩短施工工期,施工质量容易控制,其造价与水泥搅拌桩地基基本相当,具有明显的经济效益和社会效益。主要应用于处理软弱土层上的路堤与桥头及通道等结构物间的衔接和新老路堤间的衔接部的变形与稳定性问题。图1 1 a 桩承式加筋路堤图1 1 b 常规的桩承式路堤筑龙网 WWW.ZHULONG.COM第一章绪论1 2 桩承式加筋路堤国内外的工程应用现状从2 0 世纪八十年代初,桩承式路堤在国外的一些公路和铁路工程中首先得到应用,例如伦敦的S t a n s t e d 机场的铁路连接线加宽工程“1、巴西圣保罗北部的公路拓宽工程嘲、荷兰的部分高速公路。1 等。美国T e x a sA M 大学的C P A U B E N Y 通过查阅文献,收集了1 4 个国外的桩承式路堤的工程实例,这些工程实例的地质条件、采用的桩型、设计参数等应用情况详见表1 1。表1 I 桩承式加筋路堤工程实例哪(C P A U B E N Y 等人2 0 0 2)序作者引文应用地质条件桩型土工合成材设计参数号料类型R e i d e t o l桥头混凝土打土工膜H-1 嘶,S=3 5 4 5。a=1 1l软土(1 9 8 3)路堤入桩平行编织1 5 m,P c=5 1 4,N-IB a k s d a l e刚性碎石 -7 6,S=2 7 5 m,a-o,5 1,2铁路极软弱泥碳织物0 5 8 m,T=O。P c=6 蹦,(1 9 8 3)桩N=1J o n e s 等人极软弱河滩预制混凝土工织物平H=3 5 m。8:2 7 5 m,a=1 4 L3铁路(1 9 9 0)沉积和泥碳土桩行连接T=O 5 m,P c=2 眠N=IT s a k a d a 等人街道土工格栅4泥碳混凝士桩T e n s a rH-I 5 m S=2 I La=O 8“(1 9 9 3)路面P c=1 1 N=I T=65 5 2H o l t z 等人不均匀灰量土工织物H=5 6 m,S=2 5 m a=1 L5道路T i n k e r 桩(1 9 9 3)牯土(混合丝)P c=4 4 N:3B e l l 等人广场的高压缩性泥沉管灌注T e n s a r$8 2H=2 5 6 m,S=2 2 2 7,6(1 9 9 4)钟楼碳和粘土砼桩土工格橱d:O 4,N=2C a r d 等人D 轻轨粉质有机质双向格栅H=2 5 3 m s=3 m a=I L7粘土,泥碳、打入桩(1 9 9 5)铁路$8 2 格栅N=3 d=O 4 m砂粘土T o p o l n i c k i公路和松填土,泥沉管灌注格嵇H=1 5 m,S=I 8 2 5 I,8S S l,S S 2d-O 5 5 m,P c-9 1 7(1 9 9 6)铁路碳有机质土砼桩T e n s a rN=2 3,T=OB r a n d l 等人泥碳,H 2 m,S=I 9 m,d=l,1 8 m,9铁路打入桩格栅(1 9 9 7)有机土A=i m,P c=3 5,N=3G e o-I n s t i公路桥粘土、砂泥沉管灌注H 1 4(s 一口)(1 6)式中:s 为桩间距:口为桩帽宽度。图1 8 半圆拱影响区图B S 8 0 0 6 对土拱分析计算,采用了与J o n e s 1 1 相同的桩帽上竖向应力的计算公式,即引用M a r s t o n t 2 2】的关于埋入式刚性管道的土拱应力计算公式,根据不同桩型,提供了桩帽上竖向应力与堤坝基底平均应力之比:即:5筑龙网 WWW.ZHULONG.COM第一章绪论鼻:譬 2(1 7)瓦【胃J”“7对于端承桩,e:1 9 5 n _ 一0 1 8(1 8)对于摩擦桩或其他形式,e:1 5 _ H 一0 0 7(1 9)式中:P c 为桩帽上的竖向应力;西为路堤底的竖向应力;y 为填土容重;H 为路堤的填土高度;4 为桩帽的尺寸;c c 为土拱系数。陈云敏、贾宁等(2 0 0 4)脚从单桩有效处理范围内路堤受力平衡出发,改进了H e w l e t t 的空间土拱极限分析方法,得出了土拱顶部下拱面的压力、桩间土上的应力a _、桩顶所受压力R 等计算公式,并究研究了桩帽大小、桩间距和填料内摩擦角对桩体荷载分担比E 的影响,并与H e w l e t t 的极限分析法作了对比。把荷载转移的程度用桩体荷载分担比来表示,定义桩体荷载分担比E 如下:E=(1 1 0)y H s 2、式中:只为桩帽承担的荷载;y 为路堤填料的容重;H 为路堤高度:s 为桩问距。掣晕z(扣。鹕t K p+-i 旭卜-(1 卅(+磁)(1 1 1)E一图1 9 单个土拱拆开图图1 1 0 桩体荷载分担比随桩间距的变化刘吉福(2 0 0 3)。”从粉喷桩复合地基中桩项沉降量小于桩间土沉降量,存在沉降差出发,根据路堤填土的竖向受力平衡条件,获得了计算荷载分担比的表达式。但必须先知道桩土沉降差,而桩土沉降差只能凭经验来确定,也没有考虑水平加筋体的作用。上述研究还是非常初步和简单的,并且侧重在土拱效应的研究,没有对桩承式路堤进行整体分析。另G J H O R G A N,A l e x i e wDA,i r H A A H A B I B,H Z A N I N G E R 渊等学者对土拱效应问题做了试验和总结等研究6争l+筑龙网 WWW.ZHULONG.COM新江大学博士学位论文桩承式加筋路堤设计计算方法研究1 3 2 水平加筋体受力分析的研究现状对桩承式路堤中水平加筋体的受力机理和作用也有许多学者进行了研究。J o n e s 0 1 采用M a r s t o n 公式来计算由桩帽直接承担的竖向路堤荷载,并假定地基土不直接承担路堤荷载,竖向路堤荷载的剩余部分由水平加筋体承担,其在水平加筋体上的平均荷载为蛾q=S 7 0 H S 2 _ a z(E z)(s 2 一口2)(1 1 2)水平加筋体受力后的悬链线近似为双曲线,中的拉力由此产生的拉荷载:一W r(2 s 口-a)v 1+6 1;(1 1 3)J o n e s 认为水平加筋体同时还承担路堤边缘土体侧向位移引起的拉荷载kk=0 5 忍2(1 1 4)疋=t a n 2f 4 5 伊倒(1 1 5)桩间土沉降和路堤边缘土体侧向位移引起,给出了预制钢筋混凝土端承桩隋况下水平加筋体中拉力的计算公式和桩土应力比经验计算式。L o w 啪1 通过模型试验比较了存在水平加筋体和不存在水平加筋体两种情况下砂填料在桩梁(桩顶用梁连接)中的土拱效应发挥情况,并在试验的基础上对两者进行了理论分析,试验结果表明,水平加筋体能够有效的增强荷载往桩上的转移,提高荷载分担比,如表1 2 所示。表1 2L o w 模型试验成果C a pb e a mw i t ht oc l e a rA r e aM a x i m u mM a x i m u mS t f 弊q-S p a c i n gr a f t“b:s,J t a t i oE f n c a c i e sC o m p e t e n-r e d u c t i o nt 呦()r a t i(1)2)(3)(4)(5)1:4(n og e o t e x t i l e)2 08 04 00 2 5l:4(w i t hg e o t e x t i l e)2 09 54 80 0 6l:5(n og e o t e x t i l e)1 6 77 04 2o 3 61:5(w i mg e o t e x t i l 曲1 6 78 14 90 2 31:71 4(n og e o t e x t i l e)1 2 15 54 50 S 01:71 1 4(w i t hg e o t e x t i l e)1 2 17 26 00 3 21:9(n og e o t e x t i l e)1 05 55 5o 5 0l:9(w i t hg e o t e x t i l e)1 06 86 80 3 6英国标准B S S 0 0 6“”提出了较为详细的水平加筋体的分析计算方法,其采用思路与J o n e s 的方法基本一致,即先确定了作用在桩帽上的竖向应力所占的比值,余下部分为平均的均匀分布作用于土工合成材料加筋层上,路堤自重的竖向应力,假定为平面应变条件,依靠两边界支承的连续加筋层,忽略了桩间土的7筑龙网 WWW.ZHULONG.COM第一章绪论承载影响,阡0 的计算式为:=警H 孝 嗡乙一W r(2 s 口-a)J v l+6 1;(1。1 7)式中:s 为桩间距;a 为桩帽宽度。B S 8 0 0 6(B S I 1 9 9 5)同时提出了一种关于确定最大拉应变的方法,假定承受填土荷载作用受张拉土层内为一个倒放的圆锥体,或绘制成具有一定角度倒梯形槽,从桩间土边缘,以角度毋。通过土体扩散是受拉层水平表面,见图1 1 1。为了简化分析,假定荷载分布,从影响区至受拉层表面水平范围。根据可靠性的要求,对表面产生影响的条件,需要决定的是土工织物的最大允许伸长率。考虑了影响区的几何形状,并假定体积不变,即土工合成材料的体积移动与土的移动相等,提出了一个关于最大的加筋容许应变关系式。鳟(。+嚣 4n 埘式中:D。为桩间表面宽度;d,为表面的容许变形值;D 为桩间土设计宽度;H 为堤坝的填筑高度;以为填土的扩散角,接近于峰值摩擦角。根据此公式计算,结合工程实践,英国标准B S 8 0 0 6 认为对水平加筋体的初始拉伸应变应控制在6 以内,对于低路堤中的应用控制更小,以防止路堤顶面的不均匀沉降。此外,该标准提出在设计使用年限内水平加筋体的蠕变应变控制在图1 I IB S 8 0 0 6 最大拉应变计算模式图1 1 2C a r l s s o n 法楔体计算模式C a r l s s o n 渊提出了一种采用楔形体来计算二维土拱应力传递的方法,即假定土拱下面的土体近似为一个顶角等于3 0 度的楔体,如图1 1 2 所示,由此可得楔体高度如下所示:楔体的高度胁=兰等=1 8 6(s n)(1 1 9)式中:a 为桩帽的尺寸;S 为桩间距;8筑龙网 WWW.ZHULONG.COM浙江大学博士学位论文桩承式加筋路堤设计计算方法研究C a r l s s o n 法和英国标准B S 8 0 0 6 法是一样的,楔体高度的力学意义即为“临界高度”,填土必须大于等于临界高度,以便发展形成土拱效应,这样作用在张拉膜上面的土楔重量为:=等(茄,=怂yn z。,C a r l s s o n 认为土楔的重量全部作用在张拉膜挠曲线上,由此作用在薄膜上的力(二维)可得如下:=(蚩(1 2 1)式中:a 为桩帽的尺寸;s 为相邻两桩的间距;d 为薄膜的挠度;,为填土的容重。R o g b e c k 等(1 9 9 8)嘲在C a r l s s o n 法的基础上,为考虑三维效应,提出了下列的三维修正系数:厶:1+叁Z a(1 2 2)式中:吃为桩帽的净间距;将二维的计算公式(1 2 1)乘以该修正系数即可得到三维膜的张拉力。饶为国啪4”在J o n e s 的基础上,假定路堤荷载传递首先充分发挥桩间土本身的承载力,即由先桩间土来承担,不足部分通过水平加筋体的传递由桩来承担,水平加筋体受力后的变形视为抛物线,并在已知其最大沉降量的条件下,获得了水平加筋体的拉力和桩土应力比的计算公式,同时将水平加筋体视为薄板,采用薄板理论求得了水平加筋体的变形和拉力。但其没有考虑桩帽的作用,也忽略了路堤中土拱效应的作用。上述研究主要是侧重在上部的土拱效应或张拉膜(板)效应的研究,只涉及到路堤、桩和桩帽的布置尺寸以及水平加筋体,没有考虑桩、软土层、下卧持力层,没有对桩承式路堤进行整体分析。另国内外许多学者。删对普通路堤的加筋垫层作用机理作了大量的研究。1 3 3 桩基负摩擦力的研究现状由于桩承式加筋路堤,其桩的布置间距较疏,路堤填料一般采用松散体,桩间土承担了部分荷载,引起桩周土的沉降,从而会对桩产生负摩擦力。桩承式加筋路堤中的负摩擦力现象是桩承式加筋路堤荷载传递的重要特性,也是与刚性承台下的群桩受力机理的主要区别。国内外许多学者对负摩擦力问题进行了试验、理论和数值分析研究。J o n h a n n e s s e n B j e r r u m(1 9 6 5)1 3 7 ,B j e r r u me ta 1(1 9 6 9)脚1、和B o z u z u k(1 9 8 1)9筑龙网 WWW.ZHULONG.COM第一章绪论脚对软土中端承钢桩的负摩擦力进行了监测,发现产生的下拽力超过了桩身容许荷载。B j e r r u me ta 1(1 9 6 9)通过试验验证了在桩侧使用沥青护层可以有效地减小负摩擦力。F e l l e n i u s B r o m s(1 9 6 9)监测了支承在砂、粉土上的预制桩,由于打桩使桩周土孔压上升,再固结过程使桩身产生下拽力的现象。W a l k e r&D a r v a l l(1 9 7 3)f 4 1 C l e m e n t e(1 9 8 1)“”和F e l l e n i u s(1 9 7 5,1 9 7 9)蜘针对利用沥青护层减小负摩擦力的方法进行了比较和评价。日本的8 h i b a t ae ta 1(1 9 8 2)“”进行了一些模型试验来研究由于桩周土的沉降而引起的桩侧负摩擦力问题。T e r z a g h i 和P e r k(1 9 6 7)郴1E l m a s r y(1 9 6 3)和B r o m s(1 9 7 7)“”都提出了一些经验公式计算中性点位置。这些公式反映了附加荷载。建筑桩基技术规范中推荐的考虑桩基负摩擦问题的中性点深度见表1 3,仅考虑桩端持力层的性质,不能考虑桩周地面上附加荷载大小、桩周土层的性质等影响,得出的是最大中性点深度。表1 3 中性点的深度l 持力层性质粘性土、粉土中密以上砂砾石、卵石基岩中性点深度比0 5 加60 7 加8O 91 O建筑桩基技术规范中推荐使用有效应力法确定桩侧负摩擦力。规范法考虑负摩擦力的桩基设计的计算原则为对于摩擦型桩基,中性点以上侧阻力为零计算:对于端承型桩基,计算中性点以上负摩阻力产生的下拉荷载。荷载传递法(或称传递函数法),是由S e e d 和R e e s e(1 9 5 7)呻1 首先提出用于分析桩土之间的荷载传递规律及沉降计算。其基本概念是把桩划分为许多弹性单元,每一单元与土体之间采用弹簧联系,以模拟桩土之间的荷载传递关系。桩端处也用线性或非线性弹簧与桩端处土联系。这些弹簧的应力一应变关系就表示桩侧摩阻力与剪切位移间的关系,这一关系又称为传递函数。这种方法被广泛应用并被证明是一种有效、灵活的方法(R e e s e,1 9 6 4”:R e e s ee ta 1 1 9 6 9“4)。P o u l o s M a t t e s(1 9 6 9)应用g i n d l i n 解,提出了弹性理论计算负摩阻力的方法。在这一方法中,为了满足桩尖边界条件,由于采用了镜像单元(m i r r o r-i m a g e e l e m e n t)的处理手段,故该方法仅适用于端承桩。P o u l o s D a v i s(1 9 7 5)瞰3 在上述方法的基础上并根据太沙基一维固结理论导出了单桩负摩阻力与时间的关系。N ge ta 1(1 9 7 6)阱1 应用C h a ne ta 1(1 9 7 4)的解将弹性理论分析法扩展到求解成层土问题。由于桩周土固结过程中,桩土之间非常有可能产生相对滑移现象,K u w a b a r a P o u l o s(1 9 8 9)侧,C h o we ta 1(1 9 9 0)6”,T e h&W o n g(1 9 9 5)啪1 和C h o we ta 1(1 9 9 6)啪1 考虑桩土滑移分析了群桩问题。王建华等(2 0 0 0)”刊基于B i o t 固结理论和F r e d h o l m 积分方程方法研究了桩的负摩擦问题。根据l O筑龙网 WWW.ZHULONG.COM浙江大学博士学位论文桩承式加筋路堤设计计算方法研究B l o t 固结理论得出圆形载荷作用在饱和半空间土内部以及表面的B i o t 固结基本解,利用基本解和桩、土的变形协调条件,得出了该问题的时间域内的第二类F r e d h o l m 积分方程,运用L a p l a c e 变换对该方程进行简化,分析了单桩在表面载荷作用下桩的变形、轴力以及桩侧摩擦力随时间的变化情况。在他们的研究中桩土之间采用应变相等的协调条件,无法模拟复杂的桩土荷载传递关系,并且数值计算相当复杂。J e o n g(1 9 9 2)嘲和L e ee ta 1(2 0 0 2)州用有限元方法分别采用弹性和弹塑性界面模型分析了单桩及群桩的下拽力。上述学者在研究负摩擦阃题时,地基的变形一般按一维闯题分析,采用太沙基的一维固结理论,而对桩的分析采用轴对称模型,没有考虑桩土之间的荷载分担变化。而路堤作用下的群桩和她基的变形是一个三维问题,并且桩与土之间的荷载分担随桩土之间的差异沉降、路堤土拱效应以及水平加筋体刚度的变化而变化,其负摩擦也是一个不断发展、调整、稳定的过程,因此路堤桩的负摩擦发挥规律和大面积地面堆载情况下的负摩擦问题有所不同。1 3,4 桩承式路堤解析理论的研究现状陈仁朋、许峰等”7 1 根据已有现场试验、室内模型试验和数值分析揭示的一些规律,把路堤、桩、软土三个桩承式路堤组成部分看作一个整体,综合考虑路堤填筑材料中的土拱效应和桩土的荷载传递性状,建立了桩承式路堤中路堤一桩帽(桩)一土体分析模型和应力应变的协调平衡方程,并采用M a t h m a t i c 软件进行求解,其结果与弹塑性有限元(轴对称条件)及工程实测结果作对比。但仍然不能考虑水平加筋体的作用,其可以考虑桩端的刺入变形,但没有考虑下卧持力层的变形模式。雷金波等m 1 基于单桩承载力试验的受力模式,采用荷载传递函数法,对带帽单桩复合地基桩土相互作用的力学性状进行了线性分析,得到了带帽单桩复合地基中桩体沉降、桩帽下体的竖向位移、桩帽闯体的竖向位移、桩身轴向应力、桩帽下土体的竖向应力、桩帽间土体的竖向应力、桩身侧摩阻力、桩帽边缘土体之间的侧摩阻力与荷载水平、深度之间的控制微分方程,并得到其解析表达式。其基于单桩承载力的受力模式,没有考虑桩承式路堤中桩间土会对桩产生负摩擦力作用的特性,与实际工程中的受力模式有一定的出入。池跃军、宋二祥等【7 邺3 1 通过现场试验分析了荷载作用下桩身轴力、沉降、桩土荷载分担比的变化规律,并在试验结果的基础上考虑桩、和攘层的相互作用,根据三者的应力和应变协调,推导出了桩、土的荷载传递基本微分方程并给筑龙网 WWW.ZHULONG.COM第一章绪论出了解答,但是在分析过程中没有考虑垫层中的土拱效应及加筋体的影响。1。3,5 桩承式加筋路堤数值分析的研究现状因采用数值方法如有限差分或有限元法,能较好地模拟群桩和复杂地基等工况,国内外许多学者对桩承式加筋路堤作了二、三维的数值分析,以研究其受力杌理。H a n j i e 2】采用了有限差分计算程序F L A C 2 D,按单桩轴对称模型分析了在路堤高度、桩身模量和水平加筋体本身刚度不断变化时水平加筋体的存在对土拱效应、沉降、沉降差的影响,计算结果表明:如图1 1 3 和图1。1 4 所示,与水平加筋体不存在的情况相比,水平加筋体能有效的促进荷载从桩间土传向桩项,提高荷载分担比,减小桩顶和路堤表面的沉降和沉降差。但其在分析中没有考虑桩顶托板的作用,对桩端存在下卧软弱土层的情况也没有进行分析。O h k u b o 等(蚓和D e m e r d a s h 8 5 等也做了相类似的数值分析。嘲一*1 0 0 O 哪!蛳日“叫曲n h 咖图1 1 3 沉降差随桩体模量的变化图1 1 4 桩土应力比随桩体模量的变化R u s s e l l 等惭】应用F L A C 3 D 三维有限差分分析软件,将路堤填土作为弹塑性摩尔一库仑材料,水平加筋体模拟为一维线弹性绳索单元,选择了两种不同的分析实例进行研究,通过数值分析对当前的计算方法进行了讨论,主要结论为:由于桩承土工合成材料加筋垫层法加固的路堤形状的不同,英国B S 8 0 0 6 设计方法不能很好地估计土工合成材料筋材的拉力:对于土拱效应,H e w l e t t 与R a n d o l p h 的方法和T e r z a g h i 的方法比较一致:路堤的最大沉降发生在路堤基底处,但是,路堤表面的差异沉降可以忽略不计。S a 掣”】应用F L A c 分析软件,采用线弹性模型,引入了桩与土的界面和加筋材料与填土交界处的界面单元,对桩直径为0 3 m 的平面应变条件的桩承式加筋路堤进行了分析,得到:采用两种不同方法模拟筋材,得到的桩帽间地基表面的平均垂直位移不同,但其差异小于2 0 m;如果加筋体的拉伸刚度超过1 0 0 0k N m,筋材的层数比其拉伸刚度对垂直位移的影响更大:桩帽上铺设三层筋材时,从底部、中间到顶部加筋层的拉力是随之增加的,底层的筋材的拉力;“;。筑龙网 WWW.ZHULONG.COM浙江大学博士学位论文桩承式加筋路堤设计计算方法研究是项层的3 倍之多。贾宁f 7 7】将单桩处理范围及上部路堤等效为圆桩体,并假定地基软土及路堤均为m o h r-c o u l o m b 弹塑性材料;格栅、桩及桩托板为线弹性体。采用荷兰D e l f t技术大学开发的有限元软件P L A X I S,假定路堤荷载瞬时施加,分析了打穿及未打穿软土层两种情况下,地基中初始超静孔隙水压力分布及消散,格栅受力和地基土体变形及路堤沉降等。并对桩长、桩间距和桩托板大小等因素作了分析。C P A U B E N Y 等【4】采用A B A Q U S 三维有限元模拟来研究在桩承式加筋路堤中土层、桩和土工合成材料垫层三者存在复杂的相互作用,得出桩沿深度的弯矩和轴力图、路堤堤顶和基底的侧向位移和沉降;如图1 1 5 和图L1 6 所示,指出波浪形的沉降剖面堤坝的基底是明显的,而堤顶则不出现;土工合成材料加筋垫层荷载作用下两个方向的结果,如图1 1 7 和图1 1 8 所示,表明沿宽度和长度方向作用于土工合成材料两桩之间的荷载是不均匀的,较大的应变产生在桩上。同时也讨论了在工程实践中采用G R P S 的现行设计要求。图1 1 5 路堤顶面和底面沉降图1 1 6 路堤、地基、桩的侧向位移图1 1 7 加筋体拉力沿路堤横向的分布图1 1 8 加筋体拉力沿路堤纵向的分布晏莉【8 8 1 采用二维有限差分计算软件F L A C 2 D,对深层搅拌桩的桩承式土工合成材料加筋垫层复合地基的基本特性和作用机理进行了分析研究,其考虑了桩的弹性模量、软土的弹性模量、土工合成材料的拉伸刚度、桩净间距以及土工合成材料的层数等五个影响因素。夏旭阳等 8 9 1 采用三维有限差分计算软件F L A C 3 D,对一软土层厚度约为1 0 m 的1 3筑龙网 WWW.ZHULONG.COM第一章绪论无桩帽的管桩桩承式加筋高速公路路堤进行了数值模拟分析,得出:管桩桩一网地基在上部填土荷载作用下,土体发生沉降,桩顶刺入上部填土,刺入量较大,桩土界面呈现“钉板”状;桩体轴力呈“纺锤”形,轴力最大值位于距离桩顶3 5 的位置处,即上部出现负摩阻力。J i eH u a n g 等【9 0 1 等采用三维有限差分计算软件F L A C 3 D,对德国柏林一高速铁路的桩承式加筋路堤进行了数值模拟分析,得出:如图1 1 9,桩帽上所受的竖向应力集中现象;如图1 2 0,路中桩所受的弯矩较小,而位于边缘的桩承受较大的弯矩:如图1 2 1,加筋垫层中上、中、下3 层土工格栅的不同受力状态。言最古图1 1 9 桩帽平面处的竖向应力图o 取 m n I k N 枷02 0柏一E s=2 M p Z Lc e g t e rD i It E S=2 A P ae O g ep l I s卜E S-4 M P a c e n t e rp-E S-4 M 阻e o g e 纠l eP E s 暑8 M P 丑c e n t e r 口l-E S=S M P a e 啦p l l e图1 2 0 沿桩身的弯矩分布图1 4一I毫譬长Rc。筑龙网 WWW.ZHULONG.COM浙江大学博士学位论文桩承式加筋路堤设计计算方法研究-e-E S=4 M P a,l O W O r l 自t o rl 叫口9 卜倒唧I-一E S=4 M 翘P a,m i d d l e 圳t a y e r 勰散霉f 娥。一c 印k。蕊、Z轧镰一搿一I懈纾沁移、J ft 夕、Z 茹芦V02468D l l l a r t E 8f r o mt h e o f 岫o 图l-2 1 土工格栅的拉力分布图本文还参考了其他学者对柔性桩、复合地基、刚性基础下的群桩的应力传递和变形分析等方面的研究成果和著作阻1 蜘1 4 本文的主要工作及创新点桩承式加筋路堤是由上部路堤、士工合成材料加筋垫层、桩及桩帽、桩间土层和下卧持力土层共同组成的受力体系,其各组成部分之间的相互作用关系比较复杂。从目前现有的研究来看,在实用分析方法方面,主要集中在对土拱效应、水平加筋体的膜(板)效应、桩土相互作用等单方面的分析研究上,而没有将桩承式加筋路堤的各组成部分视为一个相互作用有机的整体,进行全面分析,因此不能完全揭示桩承式加筋路堤的工作性状;采用数值模拟分析法虽然可以模拟桩承式路堤复杂的工作性状,对其规律性的研究十分有益,但因在计算过程中建模和参数选取比较复杂,同时受计算机容量的限制,计算时间比较长,很难应用于常规的工程设计计算。目前桩承式加筋路堤的工程应用较为广泛,而工程设计中多数采用现有理论分析桩土应力分担比后,沿用刚性基础复合地基或常规复合地基的沉降分析方法,其分析结果与实际往往存在较大误差,因此开展能反映工程实际的实用分析计算方法的研究,十分必要。本文在其他学者研究成果
收藏
编号:121294058
类型:共享资源
大小:4.15MB
格式:RAR
上传时间:2022-07-18
30
积分
- 关 键 词:
-
博士
桩承式加筋
路堤
设计
计算方法
研究
- 资源描述:
-
[博士]桩承式加筋路堤的设计计算方法研究,博士,桩承式加筋,路堤,设计,计算方法,研究
展开阅读全文
- 温馨提示:
1: 本站所有资源如无特殊说明,都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
2: 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等,如果需要附件,请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
3.本站RAR压缩包中若带图纸,网页内容里面会有图纸预览,若没有图纸预览就没有图纸。
4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
5. 装配图网仅提供信息存储空间,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑,并不能对任何下载内容负责。
6. 下载文件中如有侵权或不适当内容,请与我们联系,我们立即纠正。
7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
装配图网所有资源均是用户自行上传分享,仅供网友学习交流,未经上传用户书面授权,请勿作他用。