在松软土地区公路和铁路路基工程中,为满足河流、物流等的横向穿越,需设置众多桥(隧)结构物。由于结构物多采用桩基础,桥隧与临接路基之间往往会产生较大的差异沉降(错台),使行车出现颠簸(俗称桥头跳车)现象。这不仅会增加后期维护费用,而且容易造成交通事故。桩承式加筋路堤是解决桥头跳车问题的先进技术之一,在道路和铁路工程中得到了越来越多的应用。 本项目针对该技术在设计和应用中存在的一系列科学问题展开研究,这些问题涉及填土的土拱形态及成拱条件、水平加筋材料的张力膜效应以及综合考虑填土性质、桩基端承条件和重复荷载等主要影响因素,核心问题是土拱效应、张力膜效应和桩体荷载分担比的变化规律。 通过本项目历经四年的研究,项目组取得的主要研究成果包括: (1)研究结果表明,在二维平面内桩承式加筋路堤中的竖向应力土拱近似呈三角形形态,并据此提出了同轴三角形土拱模型。该模型能够描述土拱形成、土拱简化形态以及桩土荷载分担的变化,推导出了桩土荷载分担的具体计算公式。 (2)研制了桩承式加筋路堤中加筋材料张力膜效应模拟试验系统,进行了在不同条件下物理模拟试验。发现加筋材料张力膜具有明显的三维变形特征,在正方形布桩情形下,张力膜的空间变形形态可采用空间抛物面与抛物柱面的组合来模拟。筋材拉力最大值出现在桩帽角点,其次为桩帽边缘,其余区域拉应力较小且呈平台分布。 (3)土拱高度大于1.0倍,但小于1.5倍的桩帽净间距。进一步证明在一般情形下,路堤高度大于1.5倍的桩帽静间距可满足应力全拱条件。 (4)桩承式加筋路堤的土拱效应、张力膜效应和桩体荷载分担比均受一系列因素影响:(a)路堤填土的粘聚力,与假定粘聚力为 0 kPa的填土相比,填土的黏聚力会增强土拱效应,使桩体荷载分担比增大;(b)桩体端承条件,当采用悬浮桩时,随着上覆荷载的增加,桩体向下刺入,同时桩承担的荷载减小,土拱效应减弱;(c)重复荷载,在重复荷载下,土拱效应减弱,使一部分原本由桩承担的荷载转而由桩间土承担。 关于桩承式加筋路堤的变形规律、整体破坏机制、桩体刚度的影响等,离心模型试验已完成,进一步的分析正在进行之中,相信能够得到预期的科研成果。 上述已经取得的和即将完成的研究成果,将为桩承式加筋路堤的设计和应用奠定重要的理论基础,对该项技术进一步推广应用和比较彻底地解决桥头跳车问题,具有重要的实用价值。 2100433B

桩承式加筋路堤土拱形态与土拱效应演变规律造价信息

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因性能可靠和节省投资,桩承式加筋路堤在松软土地区公路和铁路路基工程中得到了越来越多的应用。其内在机理是基于桩土差异沉降形成路堤土拱效应,土拱效应与加筋拉膜效应相结合,使桩承担大部分路堤荷载,从而控制路基总沉降和不均匀沉降。但目前对土拱形态和成拱条件认识不一致,荷载传递机制实证不足,缺乏重复荷载下桩-筋材-土共同作用对土拱效应演变规律影响的定量研究。本项目将采用缩尺模型试验、离心模型试验和数值模拟方法,试验验证土拱形态,研究全拱条件,把桩承式加筋路堤的土拱效应和荷载传递视为多因素作用下的动态过程,分析填土性质、地基条件、加筋作用、桩顶沉降等对土拱效应和路基沉降的影响。通过本项目的研究,将揭示桩承式加筋路堤土拱效应的演变规律,建立包括土拱形态、全拱条件在内的土拱模型和荷载传递模型,提出以沉降控制为原则的桩体荷载分担比和路基沉降分析方法。研究成果将为桩承式加筋路堤的工程应用奠定科学理论基础。

桩承式加筋路堤土拱形态与土拱效应演变规律结题摘要常见问题

  • 土方路堤填筑

    土方路堤填筑:(1)土方路堤应分层填筑压实,用透水性不良的土填筑路堤时,应控制含水量在最佳压实含水量±2%之内,必须根据设计断面及超宽值分层填基分层填筑的最大松铺厚度不得超过30cm,填至路床顶面最后...

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桩承式加筋路堤土拱形态与土拱效应演变规律结题摘要文献

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分析 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分析

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土拱效应分析是桩承式路堤设计时需要解决的首要问题,在总结分析已有现场测试资料及研究成果的基础上,建立能考虑路堤填筑过程与地基土固结相耦合的土拱效应计算模型。该计算模型比较完整地反映了从路堤开始填筑直到地基土固结完成整个过程中土拱效应的发展变化历程,模型计算结果与现场实测结果比较吻合。利用该计算模型对台缙高速公路工程桩承式路堤土拱效应及桩身中性点位置的变化特征进行分析,研究结果表明:(1)在路堤填筑过程中,桩土应力比迅速增加,路堤填筑完毕直至地基土固结完成这个过程中,桩土应力比虽然有所变化,但变化的幅度不大,与路堤刚填筑完毕时的桩土应力比相比,后期桩土应力比的变化幅度不大于15%;(2)在路堤填筑及地基土固结过程中,桩身中性点位置经历了先逐渐向下移动、尔后向上移动、再向下移动、最终趋于稳定位置的过程。该研究成果可为桩承式路堤设计提供有益的参考。

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桩承式路堤中填土高度对土拱效应作用的试验研究 桩承式路堤中填土高度对土拱效应作用的试验研究

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为研究低填路堤下应力分布特点,结合武汉市中北路延长线的实际工程,在路堤填土过程中进行了土压力和沉降观测,研究了填土过程中土压力和沉降的变化特点,分析了填土过程中土拱效应的形成规律.试验结果表明,在填土较低时,土压力的分布不均匀,而填土较高时,路堤中土压力分布比较均匀;而且随着填土高度的增加,桩顶及桩间土都有沉降趋势,并且桩间土沉降明显大于桩顶沉降.三角形布置形式下,土拱分布在三角形桩布置形式的各边上,土拱效应在桩土间是逐渐发挥的,并且在填土高度达到0.5s(s=桩中心距)时,土拱效应开始显著发挥.

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本项目拟通过理论分析、室内和现场试验相结合的方法研究悬臂式抗滑桩桩间土拱的形成机理和临界应力条件,确定悬臂式抗滑桩三维土拱几何形状和厚度,建立桩间滑体三维稳定性分析模型,获得桩绕流阻力的数学表达式,给出悬臂式抗滑桩三维土拱稳定性的判别标准,综合研究滑体物理力学指标、滑坡推力分布形式、桩间距、桩正截面宽度、悬臂高度等要素对三维土拱效应的影响,并据此提出合理桩间距的计算理论与方法,并阐明桩间距与桩间挡板所受荷载之间的关系。项目研究成果将对安全、经济、合理地设置抗滑桩的排列间距及进一步完善桩间挡板的设计理论奠定科学基础,对该类型支挡结构及与该类型受力特点相类似的支挡结构设计理论发展均有重要的意义。研究成果在山区交通土建工程、城镇深基坑支护工程、库岸防护工程、地质灾害治理等领域具有广阔的工程应用前景。 2100433B

土拱效应详细内容

简介

在土力学领域,土拱是用来描述应力转移的一种现象,这种应力转移是通过土体抗剪强度的发挥而实现的。太沙基(1936)通过活动门试验证实了土拱效应的存在。土拱作用是指支撑刚度较大而围护结构刚度较小,墙后土压力局部增大的现象。局部土体产生移动,而其余部分保持原来的位置不动,土中的这种相对运动受到土体抗剪强度的阻抗,使移动部分土体的压力减小,而不动部分上的压力增加。

土层中的拱作用的产生与拱结构物不一样,拱结构是把材料制成拱形状,在荷载作用下发挥其承受压力的作用;而土拱有其自身的形成过程:在荷载或自重的作用下,土体发生压缩和变形,从而产生不均匀沉降,致使土颗粒间产生互相"楔紧"的作用,于是在一定范围土层中产生"拱效应"。由于土拱效应的存在,使得围护结构后的主动土压力产生重分布。值得注意的是,土体中除了竖向存在土拱效应外,水平方向同样存在着土拱效应。合理利用竖向及水平向的土拱效应可使土体的应力重分布向对工程有利的方向发展,充分利用土体自身的抗变形能力。

土拱效应是岩土工程中一个很普遍的现象。活动门试验是一个最经典的例子。很多学者对活动门模型进行了试验和数值研究,研究结果己被用于很多地下结构的设计中。在地下管道工程实践中,测得管道上的土压力并非上覆土的重力,其中主要的原因就是由于土拱效应的影响,主应力方向发生了偏转。在非岩石地层中开挖坑道,坑道周围地层就会产生变形或错动,因而产生应力释放现象,这种应力释放现象实际上是坑道周围应力向临近部分传递的结果,即土拱效应的结果。

产生和存在的条件

Terzaghi 通过活动门试验证明了土拱效应的存在并得出了其存在的两个条件:

(1) 土体之间产生不均匀位移或相对位移;

(2) 作为支撑的拱脚的存在。

2015年,中国工程师谭可源撰文提出:Terzaghi提出的第2个条件"存在作为支撑的拱脚"欠妥,因为土拱产生了,自然有拱脚,"存在拱脚"是土拱存在的一个表现,但拱脚需要支撑却是必须的,所以认为Terzaghi提出第2个条件修改为"存在支撑拱脚的条件"较为合适。此外,谭可源还提出了另外一个条件" 土体颗粒间具有足够的黏结力与摩擦力",故此,谭可源提出土拱效应存在的条件是(按照需要的先后次序表述):

(1) 土体颗粒间具有足够的黏结力与摩擦力;

(2) 存在支撑拱脚的条件;

(3) 土体内部产生不均匀位移或相对位移。

土拱形态的研究

研究表明,在刚性桩复合地基中,桩体承受的荷载作用要比桩间土承受的荷载作用大得多,这就是土拱效应作用所致。土拱效应和土拱的形态息息相关,但是,土拱效应提出以来,对土拱具体形态的研究不多,直至近20年来才进行较多,之前的研究寥寥可数。总结而言,目前提出的比较重要的土拱具体形态有:Carlsson提出的三角拱形模型;B. K. Low等L2J的半圆形模型;W. J. Hewlett和M. F. Randolph}3」的半球形模型;中国科学院院士陈云敏等根据HEWLEIF模型试验结果提出的半球壳形模型。

2015年,谭可源提出一种关于刚性桩复合地基土拱效应的三维土拱模型,并作出了理论证明,与既有的土拱模型不同,为区别于既有的土拱模型,称为谭氏土拱模型,简称"谭氏拱"。

谭氏拱的主要特征是:

1、是复合的多向空间拱结构,由基拱和顶拱组成,基拱主要支承在桩顶托板上,理论上向两侧无限延伸;

2、顶拱与基拱之间的立体关系存在2种可能: A、 顶拱与基拱之间呈直观明了的上下支撑关系,B、顶拱与基拱之间的上下支撑关系不是非常直观明显、有上下支撑关系但呈相互交错状,顶拱拱脚深入基拱内部;

3、基拱、顶拱的厚度都是渐变的,拱顶处最薄,由拱顶往拱脚厚度逐渐变厚,而且相邻的两个基拱的拱脚相互交叉,相邻的两个顶拱的拱脚也相互交叉。

刚性桩复合地基的土拱效应理论

刚性桩复合地基得到了广泛的应用,成功的案例很多,但也不乏失败的案例。与广泛的应用形成鲜明对比的是:刚性桩复合地基的理论研究却明显滞后,而且有点混乱,在全国性的专业学术会议上就有专家指出,刚性桩复合地基的应用是走在理论研究前面的。传统的刚性桩复合地基土拱效应理论观点和应用的现状是:

1、认为刚性桩复合地基的受力机理是桩体和桩间土共同承载、两者承担不同比例的荷载,基于这个观点,不少研究者都研究、尝试如何让桩间土承担更多荷载作用,以便节省刚性桩的投入、节省工程造价。

2、认为桩体能够比桩间土承担比较多的荷载作用是因为土拱效应的作用所致,但是土拱效应是如何起到这个作用的,荷载作用的传递机理如何,一直以来都不甚明了。

3、对土拱效应的研究至今仍然没有一个公认的研究成果,仍存在多方面值得探讨、需要探讨的问题,土拱模型的研究主要还是建立在假设的基础上,尤其对几何参数的研究,主观因素很大。

2015年,谭可源提出一种关于刚性桩复合地基土拱效应的新观点,并作出了部分理论证明和实例论证,与既有的土拱效应理论观点不同,为区别于既有的土拱效应理论观点,称为刚性桩复合地基的谭可源土拱效应理论,其主要观点是:

1、土拱实际上起到了传递拱脚以上全部荷载的作用,产生了土拱的刚性桩复合地基上部的荷载最终全部都是由桩承担的,桩间土并没有实质上承担到设计的荷载。因此,如果从桩和桩间土是否共同承担荷载来界定复合地基的观点来看,这种地基类型不属于复合地基。

2、以往的工程观测实例中观测到的桩间土应力实际上只是土拱下的离空下沉部分的锥形土堆对桩间土产生的应力。

3、土拱是复合的多向空间拱结构,由基拱和顶拱组成,不管桩体间距、托板长宽如何,基拱均为单向拱,顶拱则为四个拱脚长度(取决于桩体纵横向的间距)相近的双向拱。

4、土拱没有明显的轮廓线。实体土拱不像拱桥的拱那么规整、边线顺直圆滑,厚度也不像拱桥的拱那么一致。

5、无论基拱还是顶拱,沿拱的方向,都存在土拱效应等效线,土拱效应等效线都是由拱顶向两侧拱脚发散的,同一等效线上的各个土体微单元侧面受到的法向压应力是相等的。

6、加载过程中土拱轴线不恒定;荷载稳定后,土拱轴线才趋向恒定;预压完成后,荷载没有变化时,土拱轴线应该是恒定的。

7、土拱效应终止于路堤等沉面以下。

8、土拱内的土体密度比土拱外的大,越靠近拱底,密度越大。

9、理论上,基拱宽度可等于桩顶托板的宽度。但在实际应用上,因为受到多种因素的影响,基拱宽度应该按照略小于桩顶托板的宽度来考虑。虽然理论上,拱脚长度无限延伸,但是,实际起到主要作用、关键作用的部分是在托板上的部分,只有托板上的拱脚稳定可靠,整个土拱才可能保持稳定。因此,可以把基拱简化为拱脚长度等于或略小于桩顶托板长度来考虑。所以,在实际应用上,拱脚长度、基拱的厚度都应该按照略小于桩顶托板长度、宽度来考虑,如取0.9的系数。

10、实体土拱的三维结构分析:

(1)等沉面客观存在,说明实体土拱土拱效应的终止线,该终止线与等沉面相切,另一方面,说明土拱效应强度存在一个由拱底向拱顶逐渐变小的渐变现象。

(2)顶拱与基拱之间的立体关系存在2种可能(具体是哪一种,有待验证): A、 顶拱与基拱之间呈直观明了的上下支撑关系,这种模型下,顶拱土拱效应的终止线与等沉面相切,而基拱土拱效应的终止线距离等沉面有一段距离。 B、顶拱与基拱之间的上下支撑关系不是非常直观明显、有上下支撑关系但呈相互交错状,顶拱拱脚深入基拱内部。这种模型下,基拱顶面接近顶拱顶面,甚至与顶拱顶面持平、位于同一水平面上;顶拱土拱效应的终止线与等沉面相切;基拱土拱效应的终止线接近等沉面、甚至也与等沉面相切。

(3)不论顶拱与基拱之间的立体关系如何,在相邻的两个顶拱中间处,顶拱土拱效应终止线都无限接近等沉面。

(4)基拱、顶拱的厚度都是渐变的,拱顶处最薄,由拱顶往拱脚厚度逐渐变厚,而且,相邻的两个基拱的拱脚是交叉的,相邻的两个顶拱的拱脚也是交叉的。

11、拱脚不同部位的应力不均匀,而且托板上的几个拱脚应力对托板产生叠加效应,致使托板上的应力不均匀。

12、鉴于土的散体性质,土拱不可能是扁形的拱,稳定土拱的最终净矢高应该大于其净跨径的1/2。

13、土拱净跨径L0越大,净矢高H0越大,净矢跨比(H0/ L0)也越大。

14、基于上述认识,拱上任一点的应力不能简单按照某一种线型来推导。

前言

1 绪论

1.1 引言

1.2 桩承式加筋路堤在高速公路软基处理中的应用现状

1.2.1刚性桩复合地基研究现状

1.2.2桩承式加筋路堤加固高速公路软土地基应用现状

1.3 路堤荷载下刚性桩复合地基研究现状

1.3.1桩(帽)一土之间荷载分配规律

1.3.2柔性荷载下桩土共同作用分析

1.3.3 刚性桩复合地基承载特性分析

1.3.4桩承式加筋路堤沉降计算

1.3.5路堤荷载下刚性桩复合地基设计方法

1.4存在的问题

1.5研究思路及内容

参考文献

2 路堤桩力学性状与荷载传递规律分析

2.1引言

2.2路堤桩单桩性状分析

2.2.1不带帽的单桩复合地基力学性状分析

2.2.2带帽单桩复合地基性状分析

2.3桩承式加筋路堤土拱效应研究

2.3.1荷载传递机理分析

2.3.2多拱计算理论

2.3.3公式计算结果验证

2.3.4三维有限元模型及结果分析

2.4本章小结

参考文献

3 桩承式加筋路堤桩一桩帽一土共同作用分析

3.1引言

3.2有限层分析方法简介

3.2.1物理模型和边界条件

3.2.2层元分析

……

4 软土地基中路堤桩承载性能分析

5 桩承式加筋路提的变形规律及其计算预测方法

6 桩承式加筋路堤的设计方法与应用

7 结论与展望2100433B

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