桩承式路堤填料颗粒传力机制与设计方法项目摘要

桩承式路堤目前广泛应用于高速公路、高速铁路等工程当中。基于土拱效应的模型众多，但模型的适用条件和转化条件有待深入研究，且对填料的颗粒物质属性缺乏足够认识，无法解释试验中观察到的土拱形成与破坏现象。由于国内还没有形成相关的设计规范，设计中往往无法合理的选择计算模型，转而参考复合地基的设计参数，直接影响到工程建设的安全与效益。. 基于颗粒物质特性的基本认识，根据桩承式路堤这一实际工程的边界条件、填料性质与加载条件等设计模型试验装置并进行试验，结合颗粒离散元数值计算，总结桩承式路堤宏观土拱效应模型类型，探讨模型的适用条件与转化条件；研究宏观土拱的细观颗粒组构特征与力链网络结构特性，捕捉颗粒组构变化、力链网络演化过程，找到土拱效应类型与亚稳定状态转化对应的外界扰动参数的阈值；系统的建立基于填料颗粒传力机制的土拱效应模型理论，总结出一套桩承式路堤荷载传递与变形计算方法。

桩承式路堤目前广泛的应用于高速公路、高速铁路以及水利工程中，由于路堤垫层与上部填料的颗粒属性，其变形与传力机理较为复杂。目前各类计算方法所基于的分析模型主要可以分为三类：一类是以太沙基Trapdoor理论为代表的等沉面模型；第二类是以北欧规范为代表的刚性楔形体模型；第三类是在圆（穹顶）拱模型基础上发展的极限平衡计算模型。采用不同模型计算结果差别较大，现有的研究缺乏对这些模型的相互联系、应用条件以及演化规律的研究。 本项目将桩承式路堤简化为多陷阱门（Multi-trapdoor）系统，制作了平面应变试验装置。选取桩体宽度a、桩间净距(s-a)、路堤高度H和填料粒径d为影响因素，开展了一组砂填料正交模型试验。试验采用粒子图像测速技术（PIV）和土压力盒测试颗粒位移与路堤应力。通过PIV位移图像揭示了未加筋桩承式路堤变形演化过程：桩间土下沉时路堤填料均首先出现对称的三角形剪切面，不同尺寸参数组合的桩承式路堤剪切面随下沉量增大出现了三种模式，分别称为三角扩展模式、塔形升高模式和等沉面模式。三种不同演化模式的桩土应力比曲线也呈现出各自不同的特征。三角扩展模式的适用条件为H/(s-a) ≤ 1.75，塔形升高模式的适用条件为 H/(s-a) > 1.75，(s-a)/a < 2.5，等沉面模式的适用条件为H/(s-a) > 1.75，(s-a)/a ≥ 2.5。 采用颗粒DEM数值方法对砂填料大尺寸平面应变试验曲线进行了标定，利用异形颗粒组合成集合体，并采用标定参数进行了砂填料桩承式路堤模型试验的模拟，模拟结果与试验结果较好的吻合，验证了桩承式路堤的三种演化模式。利用DEM计算结果分析了变形演化过程与力链网络结构的对应关系。 根据宏观土拱的演化模式分别提出了三种演化力学模型，推导了对应的桩土应力比计算公式。确定了三种模型描述演化的参数，通过模型试验和数值模拟结果统计得到了演化参数与桩土相对位移量之间的关系，最终建立起基于桩承式路堤宏观土拱演化的荷载传递计算方法。 项目研究不仅证明了桩承式路堤不同尺寸组合下的路堤填料的变形模式存在差异，确定了三种宏观土拱演化模式及其适用条件，而且给出了随桩间土下沉的演化力学分析模型与计算方法，是对目前桩承式路堤设计理论的丰富与发展，对于类似的颗粒荷载传递理论与计算方法研究都具有显著的科学意义。 2100433B

在荷载传递机制上，端承桩与摩擦桩存在很大差异。相比较而言，大多数端承桩支承在良好土层或岩层上，可见端承桩的桩端支承基础相对较好，桩端反力成为端承桩的荷载抗力主要提供者。我国 《建筑桩基技术规范》 明确规定:端承桩的中性点位于不可压缩土层的表面。正是由于端承桩的支承基础较好，从而保证了端承桩的沉降幅度较小。许多研究一致认为，端承桩是否产生负摩阻力，只有桩周土体沉降对此产生影响， 端承桩本身压缩变形以及桩端沉降可不予考虑，而且中性点位于土层与桩端持力层交界处。桩身摩阻力的方向取决于桩 － 土相对位移关系。常规的端承桩，在工作荷载的作用下，桩身产生压缩以及向下的刺入变形，而桩周土体未发生变形。在负摩阻力出现的情况下，此时桩周土体出现向下的变形， 而桩身同样也存在压缩变形和向下的刺入变形。此时桩 － 土相对位移关系决定中性点的位置。人们普遍认为不可压缩土层的表面的土体沉降为零，而桩在这个位置的沉降为桩端向下的刺入变形与桩身在不可压缩土层中那部分的压缩变形之和。实际上，不可压缩土层表面处桩的沉降大于土体沉降。因此，中性点位置应该高于不可压缩土体的表面处。中性点的确切位置取决于土体的沉降与桩身压缩变形和桩端刺入变形之间的相对关系 。

承台式抗滑桩(bearing platform type non-skid pile)是指若干单桩的顶端用混凝土板或钢筋混凝土板连成一组共同抗滑的桩体。承台在平面上呈矩形、T形和口形，可分别联结三根或四、五根桩共同抗滑二抗滑能力强，设置简便。当承台上增设有挡土墙和拱板时，就构成椅式桩墙 。

承台式抗滑桩结构，整个桩体后的滑坡推力首先直接作用于后排桩和承台上，然后再通过承台及桩排间岩土体传到前排桩上，最后形成后排桩、承台、桩排间岩土体、前排桩这四位一体共同抵抗滑坡推力，另外，承台式抗滑桩结构前侧的坡体也起着阻碍结构变形而间接抵抗滑坡推力的作用，这样就改善了单根抗滑桩单独承担大的滑坡推力时的弱点。归纳起来，承台式抗滑桩抵抗滑坡推力主要分为结构本体的作用、前后桩间岩土体和结构前坡体抗力作用这2大部分 。

(1)承台式抗滑桩结构本体的作用。由于前排桩与后排桩之间通过上部承台联系在一起而成为一个整体结构，因而当滑坡推力直接作用在承台和后排桩上时，就表现为承台式抗滑桩整体结构联合抵抗滑坡推力。作用在后排桩上的滑坡推力，先传递到上部承台，后由上部承台再传递到前排桩上，三者形成受力共同体。其在滑面以上部分主动抵抗滑坡推力，使前后桩变形并产生内力，再向下传递到稳定的中风化岩层中，从而使整个结构整体直接抵抗滑坡推力。

(2)承台式抗滑桩桩前土体抗力作用。若前排桩前侧有坡体，则在桩向前变形挤压前侧土体时，土体就对承台式抗滑桩结构产生抗力作用 。该抗力作用在承台式抗滑桩上，通过承台式抗滑桩结构间接抵抗滑坡推力。