柔性桩承式加筋路堤的工作性状-研究

河北工业大学工程硕士学位论文目录摘要...........................................................................................................................................................i ABSTRACT.................................................................................................................................................ii 目录.........................................................................................................................................................iii 第一章绪论............................................................................................................................................1 §1.1研究背景.......................................................................................................................................1 §1.2柔性桩承式加筋路堤国内外应用现状.......................................................................................1 1.2.1桩承式加筋路堤的应用现状.................................................................................................1 §1.3桩承式加筋路堤国内外研究现状...............................................................................................2 1.3.1试验研究现状.........................................................................................................................2 1.3.2理论研究现状.........................................................................................................................4 §1.4研究方法与研究意义...................................................................................................................9 §1.5本论文的内容安排.......................................................................................................................9 第二章柔性桩承式加筋路堤的基本理论............................................................................................10 §2.1简介.............................................................................................................................................10 §2.2柔性桩承式加筋路堤的组成及其作用.....................................................................................10 2.2.1柔性桩承式加筋路堤中的柔性桩........................................................................................11 2.2.2桩承式加筋路堤中的网........................................................................................................11 2.2.3柔性桩承式加筋路堤中的褥垫层.......................................................................................12 §2.3柔性桩承式加筋路堤的沉降计算.............................................................................................13 2.3.1地基沉降三个阶段...............................................................................................................13 2.3.2工后沉降和工期沉降...........................................................................................................14 §2.4柔性桩承式加筋路堤的作用机理.............................................................................................17 第三章柔性单桩的有效桩长研究........................................................................................................18 §3.1简介.............................................................................................................................................18 §3.2桩侧土的位移模式.....................................................................................................................18 §3.3柔性桩位移.................................................................................................................................21 §3.4柔性桩的有效桩长.....................................................................................................................22 3.4.1桩侧摩阻力桩顶处最大的情况...........................................................................................22 3.4.2桩侧摩阻力桩顶以下三分之一有效桩长处最大的情况...................................................22 §3.5柔性桩体应力与桩侧摩阻力.....................................................................................................23 3.5.1柔性桩侧摩阻力桩顶处最大的情况...................................................................................23 3.5.2柔性桩侧摩阻力桩顶以下三分之一有效桩长处最大的情况...........................................24 §3.6合理性验证.................................................................................................................................25 §3.7影响因素分析.............................................................................................................................27iii 柔性桩承式加筋路堤的工作性状研究§3.8小结.............................................................................................................................................27第四章柔性桩承式加筋路堤的荷载传递............................................................................................28§4.1简介.............................................................................................................................................28§4.2柔性桩承式加筋路堤的荷载传递模型.....................................................................................29§4.3路堤的荷载传递分析.................................................................................................................294.3.1路堤桩土应力比...................................................................................................................294.3.1路堤竖向变形.......................................................................................................................31§4.4加筋垫层的应力应变分析.........................................................................................................32§4.5柔性桩复合地基的荷载传递分析.............................................................................................354.5.1柔性桩侧摩阻力模型分析及基本假定...............................................................................354.5.2柔性桩复合地基荷载传递模型分析...................................................................................36§4.6求解步骤.....................................................................................................................................40§4.7小结.............................................................................................................................................40第五章结论与展望................................................................................................................................42§5.1结论.............................................................................................................................................42§5.2展望.............................................................................................................................................42参考文献....................................................................................................................................................44致谢........................................................................................................................................................49iv 河北工业大学工程硕士学位论文第一章绪论§1.1研究背景为了平衡我国东西部的不平衡发展，以及应对当今美国、欧盟等引起的世界经济低迷而导致的我国出口业不景气，西部得到了前所未有的政策机遇，政策再好，没有便利的交通也没用，因此在西部大开发的政策下西部铁路、高速公路的建设也迎来了空前的发展；东部为了实现交通的通畅和大城市间的同城化，迎来了非主干道高速公路和高速铁路(尽管目前高铁建设放缓了，但只是暂时的)的建设高峰期。由于高速铁路上运行的列车速度高，因此高速铁路对路基沉降和不均匀沉降的变形控制就相当严格，我国高速铁对路基工后沉降量规定为不大于5cm，而差异沉降量规定不大于5mm[1~2]。高速公路对路基变形要求也同样是较严格，不允许较大的工后沉降、不均匀沉降和路桥差异沉降[4]。因此，为了有效控制变形，对于变形控制要求严格的高速公路和高速铁路来说，软弱土路基处理必需解决的问题就不仅仅是强度问题，还有一个关键问题就是变形控制。目前，地基处理的方法比较多，由于柔性桩承式加筋路堤具有水平向增强体复合地基和竖向增强体复合地基的双重优势，因而它具有沉降变形相对较小且大部分沉降在工期内完成、工后沉降和不均匀沉降较容易控制、降低侧向变形、稳定性高、不需预压期、工期短、施工方便、工程造价低等独特优点[5~9]。桩承式加筋路堤由于具有上述独特优点，近年来广泛应用于公路、铁路、城市道路等工程中，尤其是目前的高速铁路和高速公路建设。§1.2柔性桩承式加筋路堤国内外应用现状复合地基是指天然地基在地基处理过程中部分土体得到增强，或被置换，或在天然地基中设置土工合成材料，加固区是由天然地基和增强体两部分组成的人工地基[10]。按目前的概念，复合地基有水平向增强型和竖直向增强型两种基本型式，而通常说的复合地基是指单一型[10~13]。而桩承式加筋路堤就是以桩作为竖直向增强体和双向土工格栅作为水平向增强体的联合型复合地基[14~15]，根据桩土的相对刚度把复合地基中的桩分为刚性桩和柔性桩[16]。4.3.1桩承式加筋路堤的应用现状日本于1975年世界上首次把“桩—网工法”应用在河堤岸改造工程中，因效果好，随后日木迅速将该法推广应用于铁路、公路、建筑等领域[14,16]。英国于20世纪80年代采用“带帽钢筋混泥土预制桩+土工织物”的路堤填筑技术处理了地下水位较高、承载力较低的软粘土铁路路段，并取得了非常好的技术经济效果[14,16]。HanJ和AkinsK曾详细地介绍了桩承土工织物加筋复合地基在支挡结构、路基拓宽工程、复杂软粘土处理中的应用[17]。巴西对采用了桩承式加筋路堤的路基边坡工程进行了施工过程中和工后一段时间内的沉降与侧向位移观测实验，发现在桩间距较大情况下，桩承式加筋路堤的将桩土1 柔性桩承式加筋路堤的工作性状研究差异沉降非常的小[18]。国外应用桩承式加筋路堤处理路桥过渡段的差异沉降[19]和侧向位移[20]、新旧铁路路基差异沉降[18,21]，其效果都均很好。国内对桩承式加筋路堤的应用较晚，1990年由浙江大学士木工程系和南京金陵石化公司炼油厂合作采用“横向土工布(geotextiles)+砂垫层+竖向砂井”方式处理一座油罐软基，获得了预期效果[14,22]。1998年国内首次利用“土工织物(geotextiles)加筋垫层+水泥粉喷搅拌桩”的处理方案，成功地解决了原设计中单一的水泥粉喷搅拌桩复合地基方案处理后出现的桩体被剪断、偏斜、移位、码头基塘边坡滑动、桩间土翻砂冒泡等多种问题，提高了地基的承载能力，减少了沉降，增加了码头的整体稳定性，降低了工程造价，修复处理方案的技术经济效益明显[14]。益常高等级公路K81+80~K81+180段路基[22]、秦沈客运专线某段路基[23]、深圳宝安区某市政道路工程[6]、广湛高速公路官源段路基[24]、泉厦高速公路软基试验段[25]和谭绍高速公路某软基段[26]均采用了桩承式加筋路堤处理，有效地减小了路堤的沉降和路桥过渡段的差异沉降。江阴长江公路大桥北引桥桥头[27]、秦沈客运专线某桥头[28]和连霍高速公路某桥头[29]采用桩承式加.筋.路.堤.处.理，有效地减小了路.堤的沉.降和路.桥.过渡段.差.异.沉.降。遂渝高速铁路某段软基[30]、京沪高速铁路江苏昆山软基试验段[7]也采用了预应力管桩承式加筋路堤的处理方法，经监测结果表明，处理效果好，满足高速铁路路基沉降要求[3]。§1.3桩承式加筋路堤国内外研究现状4.3.1试验研究现状4.3.1桩承式加筋路堤1983年以来，国外学者[18~21]对桩承式加筋路堤进行了现场测试，结果发现桩承式加筋路堤有效减小沉降和侧向变形等。2001年铁道部科学研究院深圳分院的研究设计人员，在深圳市宝安区固戍开发区市政道路工程软基处理方案中分别采用了水泥探层搅拌桩法、沉管砂桩排水固结超载预压法、插板排水固结真空预压法、“深层水泥搅拌桩+土工格栅”的“桩承式加筋路堤”方法。分析桩承式加筋路堤的承载力、桩土应力比和沉降量观测数据[12]，发现：桩土应力比随路堤填高的增高而增大，随桩间距的扩大而增大，且变化趋势明显；桩承式加筋路堤沉降量小。陈艳平[31]、赵明华[32]等对单纯软基、土工格室垫层加固软基、土工格室+碎石桩复合地基进行了室内对比模型试验，研究结果表明：土工格室与碎石桩为一共同作用体，土工格室约束碎石桩桩顶变形，而碎石桩则约束土体的侧向挤出；碎石桩不大可能对土工格室垫层产生刺人变形，桩间土受到垫层下部的挤压，有利于桩间软土承载力的发挥；土工格室垫层+碎石桩复合地基共同体能进一步改善排水条件，对于加速路堤施工进度有明显的优越性。通过分析并提出了土工格室+碎石桩复合地基承载力简化计算公式。曹新文[30]以遂渝铁路松软地基为工程背景，对比原位测试了铺设与不铺设土工格栅两种情况的粉喷桩复合地基的剖面沉降、桩顶和桩间土的土压力、土工格栅拉力。对测试数据分析结果表明：桩顶和桩间土的土压力与填土高度成正比，铺设土工格栅加筋垫层能有效改善附加应力的传递，进而有效地降低了复合地基的沉降量，均化了地基横断面沉降；能充分发挥桩的刚度和强度，进而了提高桩土应力比；2 河北工业大学工程硕士学位论文土工格栅的拉力与同位置处沉降值成幂函数关系。徐林荣和牛建东等[7]通过京沪高速铁路试验段中桩.网复合地基处理段进行的路基现场试验，对桩.网复合地基中基底土压力、土工格栅应力应变、桩和土的沉降及地基侧向位移等进行了观测测试，分析结果表明：(1)在施工过程中，网、桩及桩间土之间的相互作用是一个动态的过程，整个体系内部相互协调，反复调整，直至最终趋于稳定。(2)桩土应力比随荷载及时间的增长不断增大。加载期桩土应力比有较大波动，进入恒载期后趋于平稳。(3)实测桩土沉降差较小，预压8个月，路基早已趋于稳定后最大值也仅为2.8cm；加载期间桩土沉降差随时间的增长而逐渐增长，进入恒载期趋于稳定；桩土沉降差导致土拱效应，使荷载进一步向桩顶集中，同时网的作用随桩土沉降差的增加而逐渐发挥。(4)网垫层及砂桩起到了限制侧向变形的作用，侧向位移总体不大，主要发生在最上面两个土层(黏土层及淤泥质土层)，最大侧向位移发生在地面下4m处淤泥质土层中部。进入预压期后，侧向位移很快趋于稳定，说明整个桩网复合地基体系趋于稳定。王兵、杨为民[33]等通过现场静载荷试验，研究了不同厚度、不同材料的褥垫层对夯实水泥土单桩及多桩复合地基承载特性的影响。试验结果表明：随垫层厚度的增加，桩身分担荷载的比例逐渐减小，而桩间土分担荷载的比例却逐渐增大，表现为桩土应力比随垫层厚度增加而降低的特点；垫层材料性能越好，则调整桩土协调变形的能力越强，即要求设置的褥垫层厚度越薄。曹卫平、陈仁明等[34]通过模型试验，研究了桩土相对位移、路堤高度、桩梁净间距、桩梁宽度及水平加筋体等因素对桩土应力比及路堤沉降的影响。研究结果表明：桩土应力比随桩土相对位移的发展而变化，存在上限值和下限值；当路堤高度与桩梁净间距之比小于1.4时，无论是否使用水平加筋体，路堤顶面均会出现明显的差异沉降；当路堤高度与桩梁净间距之比大于1.6时，路堤顶面不会出现明显的差异沉降。魏永幸[35]以遂渝铁路线无砟轨道实验段蔡家车站桩—网结构路基工点为原型，通过离心模型试验发现桩间距为3m时的累积沉降是桩间距2m时的两倍；通过模型比例为l：13的室内循环加载大比例动态模型试验，发现相当于原型填土高度达到3~4m时，桩间土体产生土拱。并且现场监测数据说明路基沉降在竣工后3~4个月趋于稳定，填土高度为3m和6m处的实测沉降分别为5.4mm和6.65mm。崔溦、闫澍旺[36]通过对夯实水泥土桩和土工格栅联合处理软基进行离心模型试验研究，结果发现：土工格栅的主要作用是均匀上部沉降和减少侧向变形量，使得下部桩体的受力变形更加均匀，减弱桩体受力的应力集中，进而增加地基承载力；夯实水泥土桩与软土地基形成复合地基，在上部格栅和垫层的调节下，桩体能有效地改善路堤的沉降和侧向变形。4.3.1有效桩长叶观宝等(1992年)[3]对刚性基础下水泥搅拌桩复合地基的荷载传递规律进行了现场原位试验，吴延杰等(1992年)[4]对碎石桩的荷载传递规律进行了室内模型试验；段继伟(1993年)[5]对大量的水泥搅拌桩的荷载传递规律进行了现场试验研究。他们的研究都发现桩体的变形、轴力和桩侧.摩阻.力主要集中在一定的深.度.内，超过.这个.深.度后，桩体.变.形、轴力和桩侧摩.阻力.随着.桩顶.荷.载的增.加基.本上.无.增.加，也就是说有.效.桩长.确是.存在。通过段继伟的试验研究[5]，桩侧摩阻力在有效桩长范围内的分布可简化成三种情况，如图1所示。3 柔性桩承式加筋路堤的工作性状研究(a)(b)(c)图1.1桩侧摩阻力分布Fig.1.1Distributionofskinfrictiononpile段继伟根据试验和数值分析，建议单桩的有效桩长取值范围[5]：当/=10~5时，l=(8~20)d； EE0psc0当时，l=(20~25)d；当E/E=100~200时，l(25~33)dE/E=50~100c=。psc0ps0段继伟根据试验和数值分析，建议带台单桩的有效桩长的取值范围[5]：当/=10~5时， EE0psl=d/=50~100(8~22)EE时，lc=(28~38)d；当EE时，l=(22~28)d；当/=100~200c0psc0ps04.3.1理论研究现状桩承式加筋路堤是在桩复合地基的基础上发展起来，但由于前者的组成不同于后者，且桩承式加筋路堤的工作机理涉及到桩、网、土三者的协调作用，因而其荷载传递机理与桩复合地基有较大区别。桩承式加筋路堤与桩复合地基相似，桩与桩间土之间也存在差异沉降，而这种差异沉降造成了网上填土中的土拱效应。HanJ和AkinsK[17]提出桩承式路堤的荷载传递机理除了土拱效应之外，还包括土工合成材料(即网)的拉膜效应和应力集中效应。下面就柔性桩承式加筋路堤的土拱效应、拉膜效应及(柔性)桩土相互作用的研究就行综述。4.3.1土拱效应1943年，Terzaghi通过试验研究了土拱效应现象，并在此基础上提出了应力折减系数SR的计算公式[37]。HewlettW.J.和RandolphM.F.[38~39]基于模型试验，根据桩间土土穹的极限应力平衡条件，推导出了桩复合地基中应力折减系数SR和桩体荷载分担比的计算公式。Guido[40]假设土拱的形状为正四棱锥，并考虑了地基侧向变形对土拱效应的影响，而Schmertmann[41]则认为“土拱”的形状为三角柱体(平面应变)或圆锥体(轴对称)。Jones等[18]给出了桩承加筋土复合地基桩土应力比经验公式，Russell和Pierpoint[42]研究了桩间土土拱形成机理。LowBK等[43]通过试验和理论研究了桩承加筋土复合地基中桩间土的成拱性状，以及土工合成材料所起的作用，为理论研究桩承加筋土复合地基性状起了很好的作用。Kempfert 等[44]根据下塑性解、模型试验和数值分析的结果提出了相应的计算方法，主要是对低路堤的情况进行了修正。陈云敏、贾宁等[45]认为土拱拱顶和拱脚的土单元并非在任何情况下都会达到极限状态，从而改进了Hewlett基于极限状态的空间土拱效应分析方法，对比了弹性和塑性状态下桩体荷载分担比的结果，4 河北工业大学工程硕士学位论文并对桩间距、桩帽大小和填料内摩擦角对桩体荷载分担比的影响进行了分析。陈福全、李阿池等[46]对Hewlett空间土拱效应下塑性点出现在桩项时的边界条件作了改进，得到改进后的桩土荷载分担比计算式；并用改进后的Hewlett方法分析桩土荷载分担比随桩帽宽与桩心距之比、桩心距与路堤高度之比、路堤填料内摩擦角的变化规律，分析结果与实测数据吻合较好。曹卫平、凌道盛等[47]通过对现场实测数据的分析，指出根据Hewlett等[38~39]及陈云敏等[45]改进的土拱效应计算方法所得到的桩体荷载分担比与实测结果比较接近，而与BS8006[48]的计算结果差异较大。4.3.1拉膜效应桩顶上面的网材在其上部荷载作用下会产生变形，而根部不同的变形形状假设，计算网材应力应变的理论也不同。Jones等[18]提出了土工合成材料悬链线张拉膜理论，在假定地基土反力大小和加筋体最大挠度的条件下经过反复迭代求出了加筋体中平均应力应变的大小。Naughton等[49]、BS8006[48]、Rogbeck等[50]、饶卫国等[12]、郑俊杰等[51]假定加筋体挠曲线为张拉膜抛物线并进行过计算。Giroud等[52]、Lows等[42]、郑俊杰等[5]采用了张拉膜圆弧线假设并建立的相关计算公式。在膜理论下加筋体拉力的计算是事先假定应力水平及应变的，故不满足应变协调关系，且其各处拉应力相等的假定与实际情况不符，Han等[9]的数值分析结果也表明加筋体的最大拉力发生在桩帽边沿。Chen等[53]假定桩方形布置情况下土工合成材料的变形形状为空间抛物面，根据文克尔地基模型及平衡条件求得了加筋桩承式路堤的承载力公式，但其需要现场测试的桩土应力比的值才能算出整个系统的承载力。牛志荣等[54]基于“编织土工布一粉喷桩”处理桥头过渡段、桩间土工织物的弯曲形状为抛物面等情况，考虑了桩间土的承载力，根据力的平衡条件，推导出土工织物中的拉应力计算式。Kempfert等[44]直接采用了弹性嵌固膜理论来计算土工合成材料网的拉力和应变，但其计算出的拉力结果偏大。只有一层土工合成材料的加筋层作用时就象一拉伸的薄膜，而含有多层土工合成材料的加筋层在作用时，由于土工合成材料与周围填土之间的相互作用更象是梁或是板。Fluet等[55]指出“梁”加固系统比完全柔性的(“薄膜”)加固系统的效果更好。Wang等[56]在假设了一个类似凝聚力的前提下考虑多层筋材的情况。对多层土工合成材料加筋体，填料要求是砂砾石以形成荷载传递平台。Card等[21]建议每一层加筋体的设计荷载为其上面的土楔体重力。Collin[57]细化了加筋体荷载传递平台的设计程序，认为多层加筋材料与填料互锁形成具有一定刚度的梁，由此梁将上部荷载全部传至桩。Jones[18]假定加筋体中的拉力由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情况下加筋体拉力计算公式和桩土应力比经验计算式。饶为国等[12,13,58]在Jones的基础上，考虑加筋体和桩间土的相互作用，将加筋体视为薄板，采用薄板理论求得了加筋体的变形和拉力。但是Jones和饶为国的工作都没有考虑路堤一加筋体一桩一土间的共同作用，忽略了路堤中的土拱效用的影响，其所求解问题是变形不协调的。4.3.2桩土相互作用刚性桩承式加筋路堤的桩土相互作用的研究较多，柔性桩承式加筋路堤的桩土相互作用是研究较少，且二者就不一样了。张仪萍、徐栋[92]等对柔性桩复合地基的桩.土.相.互.作.用进行了理.论.研.究，提出了.桩.土.应.力.比和.沉.降的计算公式，但二者都没有路堤和加.筋.褥.垫.层的影.响。5 柔性桩承式加筋路堤的工作性状研究顾尧章等(1992)[6]从分析桩的承载特性入手，利用罗惟徳单桩荷载.沉降关系式，得到了水泥搅拌桩的有效桩长计算公式(本文已经罗惟徳文章给予了纠正)：l=3rc0rr-+3m0(1)u2rsE0pr-r+E(02)ms2r0(1.1)式中：r为桩体半径，m；r为桩体影响半径，m；u为桩侧土的泊松比；E为桩体的压缩模量，kPa；0mspE为桩体的压缩模量，kPa。s顾尧章等[6]通过对常见单头水泥搅拌桩的临界桩长计算，并与原位荷载试验结果比较得出：提高水泥搅拌桩单桩承载力的有效途径是增加桩身强度和桩径而不是盲目增加桩的长度。陈善雄(1995年)[7]本文对柔性桩的承载特性进行了理论分析，并采用荷载传递函数，用数学方法推导了计算柔性桩桩身应力、位移的公式。分析了柔性柱荷载—沉降曲线的特征，推导了一个计算柔性桩有效桩长的公式：lc2rES=2(1.2)0pmaCu式中：为桩侧摩阻临界位移值，一般去SS=0.003~0.01m；a为粘结力系数，与天然土的物理力学mm性质及桩体性质等因素有关；C为桩侧土不排水抗剪强度，kPa。u王朝东等(1996年)[8]通过对水泥粉喷桩的特性和桩的受力情况的分析，表明水泥粉喷桩存在一有效桩长，认为水泥粉喷桩在有效桩长深度内才能有效地传递荷载。水泥粉喷桩有效桩长取决于地基土性、水泥标号和水泥掺合量。曾友金等(2002年)[8]采用线弹塑性荷载传递函数,按极限承载力控制法确定水泥搅拌桩的有效桩长。分析了土的泊松比、桩刚度系数、桩端土持力层弹性模量与桩周土弹性模量之比、桩径、桩侧极限位移和桩顶沉降量等因素对水泥搅拌桩有效桩长的影响，其结果表明，除土层泊松比对有效桩长影响不明显外，其余因素均有一定或较大的影响。吴雄志(2004年)[9]将克拉夫.邓肯模型作为传递函数，对水泥土桩荷载传递规律及临界桩长进行了研究，描述了桩周摩阻力的分布及发展规律，并详细讨论了临界桩长的确定标准及各种因素对临界桩长的影响。结果表明，该方法是可行的，该方法同样适用于其它形式的柔性桩。段继伟(1993年)[5]对Randolph提出的同心圆柱法,进行了修改，使之适用于柔性桩分析，并从沉降的概念出发，得到单桩顶部竖向加荷时有效桩长的理论计算公式为：E2.5l(1-u)l=2rplncsc0(1.3) 2Grs0式中：G为桩侧土的剪切模量，G=E/[2(1+u)]。ssss舒翔等(2001年)[11]基于Cooke提出的剪切位移法，对桩侧摩阻力呈倒三角形分布(如图1(a)所示)的复合地基中柔性桩的有效桩长进行了研究，并得到了桩侧摩阻力分布呈倒三角形的有效桩长的简化计算公式：6 河北工业大学工程硕士学位论文ErEl=r6(1+u)ln=(4.7~5.2)r(1.4)pmpc0s0ErEs0s齐伟军等(2003年)[12]基于Cooke提出的剪切位移法，对桩侧摩阻力呈折线三角形分布(图1(b)所示)的复合地基中柔性桩的有效桩长进行了研究，并得到了该桩侧摩阻力分布形式下有效桩长的简化计算公式：1+uErEl3rln(4.1~4.5)r=sm=(1.5)ppc002ErEs0s曾友金等(2003年)[13]采用线弹塑性荷载传递函数,按桩顶沉降控制法确定水泥搅拌桩的有效桩长。刘涛涛等(2005年)[14]依据Mindlin位移解和位移协调条件，推导了柔性桩桩侧摩阻力分布公式和轴力变化公式，获得的公式与能反应实际摩阻力分布的特征。在此基础上，推导了柔性桩临界桩长的计算公式，并与有限元方法的计算结果做了比较。比较显示，刘涛涛提出的柔性桩临界桩长计算方法结果合理，操作简单，便于工程应用。史三元等(2007年)[15]基于Cooke提出的剪切位移法，对桩侧摩阻力呈三角形分布且桩顶附近有负摩阻力(如图1(c)所示)的复合地基中柔性桩的有效桩长进行了分析，并得到了该桩侧摩阻力分布形式下有效桩长的简化计算方法：ErEl1.36r(1)ln(2.6~2.9)r=+upm=(1.6)pc0s0ErEs0s周波等(2007年)[16]从沉降方面出发，考虑刚性基础下桩土顶面的位移协调条件，利用Mindlin位移解，推导了桩侧摩阻力呈三角形分布且上下小中间大(图1(b)所示)的复合地基中搅拌桩有效桩长的计算方法，利用室内试验结果对推导所得的公式进行简化，从而得到便于工程应用的复合地基有效桩长的计算方法：EEl=3.41r(1+u)(3-2u)=5.67r(1.7)ppc0ss0EEss杨明等(2008年)[17]采用Boussinesq和Geddes解的联合求解方法，得到了考虑复合地基中桩顶和桩间土顶荷载时复合地基中任意深度处附加应力的分布情况；并根据柔性桩、桩间土和复合地基沉降关系,得到了带垫层柔性桩复合地基有效桩长计算方法。试验和计算结果对比表明：由于考虑了桩间土顶压力、桩身刺入量变形等因素对复合地基有效桩长的影响，有效桩长计算结果同现场实际情况比较吻合。杨晓蓉等(2010年)[18]根据刚性基础下桩土顶面的位移协调条件，从沉降的角度出发，基于半空间体在边界上受法向分布力下的位移公式，得到了柔性桩复合地基有效桩长的简化计算方法。l=1.5rc0nm(1+u)Esp(1.8) s2(1-m)E式中：n为桩土应力比；m为桩的置换率。基于Cooke提出的剪切位移法对桩侧摩阻力分布如图1(b)和图1(c)所示的柔性桩复合地基的有效桩长分析，均把Cooke剪切位移法的结论直接拿来应用，且在应用中把桩顶处桩侧摩阻力改成了桩侧最大摩阻力[12,15]。7 柔性桩承式加筋路堤的工作性状研究4.3.1数值分析Ohkubo等[59]用有限单元法分析了桩间距、桩的刚度和土工合成材料的层数对加固效果的影响。分析中采用不同的桩间距和土工合成材料的层数，同时分析了地基土的固结。分析得到的主要结论有：当桩间距变大时，两层土工合成材料对于沉降、侧向位移和荷载传递的加固效果比没有或只有一层土工合成材料的情况更好；各向异性的桩比各向同性的桩会发生更大的侧向位移；桩顶附近的土工合成材料发生大的拉伸应变，而桩间的土工合成材料发生小的压缩应变。Sa等[60]采用平面有限元对桩承式加筋路堤性状进行了分析。研究结果表明：相对于土工合成材料的刚度，加筋材料层数对沉降的影响更明显。Han和Gabr等[9]采用了FLAC2D程序分析桩承式加筋路堤法加固的路堤特性。研究结果表明：加入土工合成材料可以减少桩顶和地表的总沉降和差异沉降，促进从土到桩的有效荷载传递，同时减小桩顶上的屈服；土拱率随着路堤填土高度的增加、桩材弹性模量的增加和土工合成材料的拉伸刚度的减小而减少，土拱率是材料将荷载从一个地方传递到另一个地方的能力；土工合成材料的应力集中率和最大拉力随着路堤高度的增加、土工合成材料刚度的增加和桩材弹性模量的增加而增加；土工合成材料拉力的分布显示出最大的拉力出现在桩边缘的附近。Pham等[61]对土工合成材料+振冲碎石桩复合地基进行了数值分析，得出以下结论：筋材对沉降控制的效果有限，仅显著增加了桩土应力比；筋材荷载传递效率与不均匀沉降成比例，不均匀沉降增大，筋材的拉力增加；筋材应变发展远小于5%。RutugandhaGangakhedka[62]采用Plaxis2D有限元程序分析，综合考虑了筋材刚度、桩的弹模、路堤填高和土工格栅的位置，结果发现，有限元程序可以考虑其余方法忽视的因素，与目前应用的设计方法比较而言，有限元方法更可靠。费康等[63]采用非线性有限元对现浇薄壁管桩和土工格栅加筋碎石垫层组成的复合地基加固软弱路基进行了有限元分析。结果表明:路堤填土材料中的拱效应、土工格栅的拉膜效应或加筋垫层的刚性垫层效应、桩土间刚度差异引起的应力集中效应是PCC桩加固路基效果的保证。数值分析表明：土工格栅中的拉力、桩土应力比随填土高度、桩身模量、土工格栅刚度的增加而增加，拱效应系数随填土高度、桩身模量的增加而减小，随土工格栅刚度的增加而增加。桩头平均竖向应力与桩间软土表面平均竖向应力之比可以达到24左右，大部分荷载传递给桩，有效地减小了桩间软土表面及路堤表面的总沉降和不均匀沉降。闰澍旺、周宏杰等[64]利用平面应变弹塑性有限元数值分析方法，对夯实水泥桩+土工格栅复合地基的受力性状、作用机理进行了多方面研究。结果显示：土工格栅在其中起到类似抗拉膜的作用，以控制地基的不均匀沉降，可以减小路堤坡脚附近的侧向位移，增加地基的极限承载能力。桩间土对夯实水泥土桩有负摩擦力作用，使得桩身的最大平均有效应力位置处在桩体的中下部。格栅对路基沉降量的影响则较小。陈仁朋等[65]建立了考虑土桩路堤变形和应力协调的平衡方程，分析了路堤、桩、土的荷载传递特性，获得了路堤的土拱效应、桩土荷载分担、桩和土的沉降等结果，其中没有考虑土工格栅的作用。随后，陈仁朋等[66]利用弹塑性有限元方法研究了桩承式路堤的沉降组成和分布规律、适用条件、荷载分担比的影响因素等内容。计算结果表明路堤沉降主要取决于桩端以下软土层的压缩；荷载分担比随桩托板尺寸和路堤高度的增加而增大，随桩间距的增加而减小。他们还指出，土工格栅对荷载分担比和路堤8 河北工业大学工程硕士学位论文沉降影响都不大，这一点似和其他学者的研究[59~61]有所不同。4.3.1整体分析陈仁朋等[82]对刚性桩承式加筋路堤进行整体分析。§1.4研究方法与研究意义桩承式加筋路堤的作用机理比单一型式的桩复合地基复杂，现有的研究并未对桩、土工合成材料、上部结构及桩间土的相.互作用进行深入研究，现有各种理论方法存在许多假定，使计算结果只能满足特定工况，而且各种方法的计算结果相差甚远。如BS8006法等理论方法大都假设土工合成材料架空，即忽略了桩间土(桩周土)的反力，因而使设计偏于保守。所有土拱理论.都假设支.座为.刚性支撑，但是对于柔性桩和散体桩而言，桩体变形量比刚性桩的大，因而以刚性桩为基础.的土拱.理论来计算非刚性桩的结果误差较大。目前，对于桩承.式加筋路堤工作形状研究主要集中两个方面：桩土应力比和网材的应力；桩承式加筋路堤的沉降计算。沉降计算依赖于桩土应力，因此桩承式加筋路堤工作形状的研究重点应是桩土应力和网材应力。对于桩承式加筋路.堤中.桩土应.力和网材.应力的.研究，目前基本上是分开研究，同时考虑土拱效应和拉膜效应的研究方法基本上还未见报道。由于桩承式加.筋路堤.工作是“桩—网—土”三者协调工作，因此，.本文将同时.考虑土拱效应和拉膜效应，综合分析三者协调工作下的桩.土应力比和网材应力，并讨论沉降计算。本文根据柔性.桩桩侧摩阻力正负转换点(即中性点)所在平面与纯摩擦桩.桩端所在平面均.为等沉.面的观点等，来讨论纯.摩擦柔.性桩承式加筋路堤的工作性状。§1.5本论文的内容安排第一章绪论：主要介绍柔性桩承式加筋路堤.的研究背.景、研究进展、研究方法及研究的现实意义；第二章柔性桩承式加筋路堤的基本理论；第三章柔性单桩.的有效桩长研究：选择位移模式、力学分析；第四章柔性桩.承式加筋路.堤的荷载.传递研究：建立模型、推导网上、下桩土应力比公式等；第五章结论与展望：对柔.性桩.承式加筋路.堤的.荷.载传.递及有.效桩.长研究.进行.整体.评价，指出工作中的优缺点所在。9 柔性桩承式加筋路堤的工作性状研究第二章柔性桩承式加筋路堤的基本理论§2.1简介所谓柔性桩承式加筋路堤(deformablepilesupportedandgeosyntheticsreinforcedembankments)，是指天然地基在地基处理过程中，下部土体得到竖向增强体—“柔性桩”—的加强从而形成柔性桩土复合地基加固区，并在该区上部铺设水平向增强体—“网”—从而形成加筋土复合地基加固区(即加筋褥垫层)，使“网—桩—土”协同作用、共同承担荷载的人工地基[16]。简言之，柔性桩承式加筋路堤就是由“路堤—加筋褥垫层—柔性桩复合地基”三者组成的结构。如果把柔性桩改为刚性桩就是，该结构就是刚性桩承式加筋路堤。柔性桩是指复合地基中桩体与桩间土的相对刚度小于1的桩体，而柔性桩复合地基的沉降和承载力随着柔性桩长的增加先增加而后基本不变，因而，柔性桩会存在一临界长度(即有效桩长)，这与刚性桩复合地基的荷载传递机理是不一样的。本章将在综合总已有相关研究成果的基础上，对柔性桩承式加筋路堤的基本理论进行阐述。§2.2柔性桩承式加筋路堤的组成及其作用根据饶为国和赵成刚等已有的研究成果[6,12~14]，从工作机理上可认为柔性桩承式加筋路堤由以下四部份共同组成(如图2.1所示)：(1)上部填土(路堤)；(2)加筋褥垫层：由砂石等粒状散体材料形成的褥垫层和一层或几层水平铺设的土工合成材料组成的加筋土，其中土工合成材料选用双向土工格栅；(3)下部为地基加固区：由柔性桩和桩间土组成的柔性桩复合地基；路堤网褥垫层地表面柔性 桩桩柔性桩复间合地基加土固区下卧软土层下卧持力层图2.1柔性桩承式加筋土路堤组成示意图Fig.2.1SchematicofDeformablepilesupportedandgeosyntheticsreinforcedembankments10 河北工业大学工程硕士学位论文(4)下卧层：柔性桩复合地基加固区下的天然软土层或持力层；其中的核心部分是柔性桩复合地基和加筋褥垫层。根据工作机理下的柔性桩承式加筋路堤组成，柔性桩承式加筋路堤可定义为：由“路堤—加筋褥垫层—柔性桩复合地基—下卧层”四部分协同作用、共同承担荷载的结构物。4.3.1柔性桩承式加筋路堤中的柔性桩柔性桩承式加筋路堤中的柔性桩(deformablepiles)是其最重要的组成部分，其作用是承担上部柔性荷载(即路堤和加筋褥垫层)并传递给地基土，从而提高地基的承载能力。柔性桩复合地基中的桩有竖向和斜向两种设置形式，但在柔性桩桩承式加筋路堤中常采用竖向柔性桩[12]。根据刚性桩的破坏形式[67]，柔性桩大致也有四种破坏形式[67]：刺入破坏、鼓胀破坏、桩体剪切破坏和滑动剪切破坏。柔性.桩的刺入.破坏指桩体在下沉时与周围土体产生了相对位.移，在柔性桩长较.短(或者说柔性.桩长小.于其有.效桩长)的情况下容易发生刺入破坏，发生刺入破坏时，柔性桩的承.载.能.力会迅.速下降，造成柔.性.桩复.合.地.基全面破坏；柔性桩的鼓胀破坏指.周.围的土.体不.能.给.桩.体.提.供足.够的围.压，..使得.桩.体.发生.较.大的侧.向.变.形，这种破坏较少发生；柔性桩.体.剪.切.破坏是在荷.载作用.下产生的剪.切.作...用而引.起.的破.坏，这种破坏发生较多；柔性桩的滑动剪.切破坏指在荷.载.作用下.复.合.地.基沿着某一滑.动...面产生的滑动破坏，在滑动面上，桩与桩间土均发生剪切破坏。根据桩体刚度，桩分为散体桩、柔性桩和刚性桩。桩体刚度大小是相对地基土体的刚度比较而言的，也与桩体材料、桩体长径比、地基土的模量等因素有关。是刚性桩还是柔性桩可采用式(2.1)所表达的桩土相对刚度K[68]来判别：当K≤1.0时，则为柔性桩；当K>1时，则为刚性桩。KE+uL-ud(1)2.5(1)=slns0EdLs(2.1)式中：K——桩土相对刚度；E——桩体弹性压缩模量(MPa);Es——桩间土的压缩模量(MPa)；u——桩间土的泊松比；sd——桩体半径(m)；L——桩体长度(m)；L0——当L2)，则根据表3.1、图3.1和图3.2，可得..到β<2和A>0。§3.3柔性桩位移取距桩顶z处的微.元桩体.进行受力分析，如图3.3所示，由竖向受力平衡得：pa2[s+ds]=pa2s-2patdzpzpzpzazspzsstazdztazt+¶trzrzdr¶rdrtrzdzs+dspzpzss+¶ssdz(b)桩侧土环 (a)桩体图3.3微元桩体与桩侧土环受力图Fig.3.3Stressofdifferentialelementofpileandsoil.ring由上式可得.桩.身轴.向.应.力(不计桩的自重)沿桩长的.微.分.方.程：dds22wE==-tpzpzpa2z(3.9)dzdza把式(3.6)代入上式，有：dw2EA(2-b)2pzts=-=-w=-Dw222+mazpzpzazpzpzdzaEEa(1)pp(3.10)式中DEAE(2-b)(2-b)1=s=s1b 2+m2+m+-+bbaEa(1)aE(1)ln(1)ppaab当2a£b£25a时，由β<2和A>0，进而得到D>0，那么上式的解为：w=CDz+CDz(3.11)1sin()2cos()pz式中：C1、C2——为待定常数。对式(3.11)求导，可得：21 柔性桩承式加筋路堤的工作性状研究dwpzdz=CDcos(Dz)-CDsin(Dz)12(3.12)根据假定可知桩端.处桩侧土沉降、桩侧摩阻力为零，那么由式(3.1)和式(3.11)可得w=CDL+CDL=(3.13)1sin()2cos()0pLccc§3.4柔性桩的有效桩长下面讨论桩.侧摩.阻力.在桩.顶.最.大和在桩.顶以.下三.分.之一有.效.桩.长处.最.大情.况下的有效桩长。4.3.1桩侧摩阻力桩顶处最大的情况桩侧摩阻力.在.桩顶.最.大，假设其.导.数.在桩.顶.处.为.零，那么由式(3.12)可得：.¢=-=wDCDC(3.14)1cos02sin00pLc由D为正数和式(3.14)可得：C(3.15)1=0把式(3.15)代入式(3.11)，及w不为零，可得到：pzC2¹0(3.16)把式(3.15)代入式(3.13)，及式(3.16)，则有cos(DL)=0c上式的解为：1DL=(n+)p(3.17)c2式中：n——为自然数。由于桩侧.摩.阻.力沿.桩长.只出.现一.个最.大值，那么.上式中的n只能取0，则有：E+mbba(1)pp11L==a[ln+-(+1)]pc-bb2D2E(2)aabs(3.18)桩体影响半径一般为20倍桩径左右[3,4]，本章取b=(17~25)a，取m=0.5，则上式可改写为：EL=5.45ap(4.87)(3.19)cE s4.3.1桩侧摩阻力桩顶以下三分之一有效桩长处最大的情况桩.侧.摩.阻力在.桩.顶.下Lc/3处达.到.最大，由数学知识可得.以t¢=azL/30c则由上式和式(3.6)，可得：EAt¢=s-b¢LL(2)w=0azzcpzzc==2a(1+m)33s由于E、A和2-b均为正数，由上式可得：s22 河北工业大学工程硕士学位论文¢=wLpzz=c30根据上式，把z=Lc/3代入式(3.12)，由.于D为正.数，则可得：LLCDc-CDc=(3.20)1cos()2sin()0 33假设或者CDLn和DL=(n+0.5)p，但是1=0C，由式(3.13)和式(3.20)，都可得到=3p2=0.cc满.足.这.两.个.等.式的自.然.数n是找.不.到的，因此有.C和1¹0C。那么由式(3.13)和式(3.20)可得到：2¹0LLcos(DL)cos(D)sin(DL)sin(D)0c+c=cc33即2Lcos()=0Dc3上式的解为：2L1D=(n+)p(3.21)c32这里取n=1，则有：E(1+m)bba3p3p1L==a[ln+-(+1)]pc-bb4D4E(2)aabs(3.22)桩体影响半径一般为20倍桩径左右[3,4]，本章取b=20a，取m=0.5，则上式可改写为：EL7.31a=pcEs(3.23) §3.5柔性桩体应力与桩侧摩阻力4.3.1柔性桩侧摩阻力桩顶处最大的情况由式(3.11)、(3.15)、(3.16)和式(3.18)，可得.桩.身.轴.向.应.力的微.分.方程：.w=C2cospzpz2Lc(3.24)把上式代入式(3.6)，并令r=a，可得到.桩.侧.摩.阻.力：EACpzt=s2(2-b)cosazm2a(1+)2Lc(3.25)把式(3.24)代入式(3.9)，可.得桩身轴.向.应.力.的.微.分方.程：.ds2EACpzpzs=-(2-)cos2bdza2a(1+m)2Lc解上式微分方程，可得.桩身轴.向应.力：23 柔性桩承式加筋路堤的工作性状研究2L2EACpzcs2(2)sins=C--bpz3p+ma2a(1)2Lc(3.26)式中：C3——为待定常数。根据从承载力方面.的有效.桩长定义，可知有效桩长以.下深度范围内的.桩身轴向应力为零，则根据式(3.27)可得：C32L2EAC=(2-b)cs2pa2a(1+m)(3.27)由桩.身.轴.向.应.力的桩.顶.应.力已知这个.边.界.条.件，可得：C=P3p2a(3.28)式中：P——为桩顶荷载，kN。由式(3.25)~(3.28)，可得桩侧摩阻力和桩身轴向应力：t=azPpzcos4aL2Lcc(3.29)spzPpz=2(1-sin)pa2Lc(3.30)把通过式(3.19)计算得到.的有效桩长带入到式(3.29)和是(3.30)，就可得.到在桩顶出现最大桩侧.摩.阻.力.情况.下的桩侧.摩.阻力和桩身轴.向应力沿有效.桩长范围内的大小.分布。4.3.1柔性桩侧摩阻力桩顶以下三分之一有效桩长处最大的情况由式(3.11)和式(3.22)，可得.桩.身.轴.向.应.力的.微.分.方程：3pz3pzw=Csin+Ccospz124L4Lcc(3.31)把上式代入式(3.6)，并令r=a，可.得.到.桩.侧.摩.阻.力：EA3pz3pzts(2b)(CsinCcos)=-+az+2a(1m)4L4L12cc(3.32)把式(3.24)代入式(3.9)，可得.桩.身.轴向.应.力的微.分方.程：ds2EA3pzpz3pzs=-(2-b)(Csin+Ccos)dza2a(1)4L4L +m12cc解.上式.微.分.方.程，可.得桩.身.轴.向.应.力：4L2EA3pz3pzsCbC=-cs(2-)(sin-Ccos)pz4pm23a2a(1+)4L4L1cc(3.33)式中：C4——为待定常数。根据从承载力方.面的有效桩.长定义，可知有效桩长.以下深度范.围内的桩身轴向应力为零，则根据式(3.27)可得：24 河北工业大学工程硕士学位论文C414L2EA=-bC+C(3.34)cs(2)()p+m2123a2a(1)由桩.身.轴.向.应.力的.桩.顶.应.力已知这个.边.界.条.件，可得：P4L2EA=C+cs(2-b)C(3.35)pp+m1a3a2a(1)24把式(3.22)代入(3.13)，可得.桩.侧.摩.阻.力和桩.身.轴.向.应.力：C1-C2=0(3.36)联立式(3.34)~(3.36)，可得：C=C=123P(1+m)4(2+1)(2-b)LEAcs(3.37)2PC=42(1+2)pa(3.38)把是(3.37)和式(3.38)带入式(3.32)和式(3.33)，可得：32P3pz3pz3P3zpt=(sin+cos)=cos[(-1)](3.39)az8(2+2)aL4L4L4(2+2)aLL4cccccspz13pz3pz2-sin+cos24L4L2P3zp==-ccP(1sin[(-1)])(3.40)(12)pa(12)paL4+2+2c把通过式(3.23)计算得到的有效桩长带入到式(3.39)和是(3.40)，就可得到在桩顶以下出现最大桩侧摩.阻.力情况下的桩.侧.摩.阻.力和桩.身.轴.向.应.力沿有.效.桩.长.范.围.内的大小分布。§3.6合理性验证为了验证上述理.论推导出的.有效桩长计算式是否合理，下面根据段继伟等的试验研究来进行验证。段继伟等对桩径为0.5m的柔性单桩的荷载.传递进行了研究，试验参数[1]为：桩半径a=0.5m，桩长L=E=12.5m，桩体弹性模量78.1MPa，桩周土压缩模量E=2.5MPa，桩顶荷载P=48kN。经过试ps验，发.现桩侧.摩.阻.力在桩.顶以下.某.深.度以下基本为.零，且发现桩侧摩阻力沿桩长分布出现两大.类情况，一类是桩侧.摩阻力在.桩.顶.处最.大，一类在桩顶以下某个深.度.达到.最.大，且两.类.的桩.侧.摩.阻.力在桩.顶以 下某.深.度以下.基.本为.零。.应用本文推导出的式(3.40)和式(3.39)计算得到了桩.身.应.力.分.布和桩.侧.摩.阻.力.分.布与对.应的试验值对比如图3.4和图3.5所示。从图中看出，理论计算与试验吻合的较好，且试验得到的桩.身.应.力基本为零和桩.侧.摩.阻.力基本.为.零的位置与理.论.计.算.得到的位.置.基.本.相.同。25 柔性桩承式加筋路堤的工作性状研究图3.4桩身应力分布Fig.3.4DistributionofStressonpile图3.5桩侧摩阻力分布Fig.3.5Distributionofskinfrictiononpile按桩身轴力占桩顶荷载的比.例.约2%来确.定得.到有.效.桩.长，那么试验中桩.侧.摩.阻.力桩顶处最.大的有.效.桩长.试.验.值为8..0m；桩侧摩阻力最大值在桩.顶以下的有.效桩长为10m。由式(3.19)可以得到段继.伟..试验中桩侧.摩.阻力在桩顶.最大.情况下的单桩有效桩长为7.62m(按b=25a计算得到的)，比段继伟法和舒翔法得.到的有效桩长6.37m和7.27更接近.段继伟的试验取值7.18m；由式(3.23)可以得到段继伟.试验中桩侧摩阻力在桩顶以下三分之一有效桩长处最大的单桩有效桩长为10.21m，比段继.伟法和常被引用的齐伟军法.得到的有效桩长6.37m和6.29m大的多，但比段继伟.的试验值10m稍大。从上面的计.算结果与试验值可以看出，本章的有效桩长计算式可行的。26 河北工业大学工程硕士学位论文图3.6有效桩长与b/a比的关系Fig.3.6Relationbetweeneffectivepilelengthandb/a图3.7有效桩长与桩径之比随桩土压缩模量比的变化Fig.3.6Relationbetweenratioofeffectivepilelengthtopilediameterandpile-soilmodulusratioofcompressibility因此，式(3.19)和式(3.23)可分别作为桩侧摩阻力最大值出现在桩顶和桩顶以下两种情况下的有效桩长计算式，也说明了本章采用的位移模式来研究有效桩长是可行且合理的。§3.7影响因素分析下面讨论上述理论推导中的相关参数对两种情况下的有效桩长的影响。根据图3.6和图3.7，可知，有效桩.长.随桩.体影.响.半.径、桩.体.影响.半.径与桩.径之.比、桩侧土的泊松比、桩.土.压.缩.模.量比的增.加.而.增.加，随.桩.径的增加.而减小。..§3.8小结本章利用位.移模式推导出.了有效桩长、桩身应力.和桩侧摩阻力等的计算公式，且理论计算值与试验值非常接近，说明了本文得到的有.效桩长计算式是合理可行的，因此，对柔性桩复合地基.设计具有一定.的参考价值。27 柔性桩承式加筋路堤的工作性状研究第四章柔性桩承式加筋路堤的荷载传递§4.1简介在软土地区修建或拓宽公路必须解决承载力不足、沉降或不均匀沉降过大、侧向变形过大、整体或局部失稳等问题，往往需要一定的时间进行地基处理。这期间造成的交通堵塞、物流不畅等问题不仅影响人们的正常出行，而且会给当地经济带来不利影响，其损失远超过工程本身的费用。快速铁路和高速公路对其路基和路桥过渡段的沉降要求非常严格，而桩承式加筋路堤处理软弱地基的方法却能有效满足这一沉降要求。因此发展和完善软弱路基上高速公路的快速修建和拓宽技术及快速铁路修建技术对我国经济的长期健康发展十分必要。桩承式加筋路堤是近几年发展出来的一种新颖的地基处理方法，它凭借着承载力高、桩间距大、总沉降及差异沉降小的优点在地基处理中特别是桥台过度段的地基处理中得到了广泛的应用。但就目前来说，对桩承式加筋路堤的应用大多数只是依靠工程经验对其进行设计，对该结构整体的理论研究不多，对于柔性桩承式加筋路堤整体的理论研究就更少了。柔性桩承式加筋路堤设计时，必需先了解其工作机理，厘清荷载传递规律以及桩与桩间土的荷载分担情况。因此，揭示柔性桩复合地基中桩和土的应力分布和荷载分担情况，是现行柔性桩复合地基优化设计中的一个重要内容。本章试图提出并推导柔性桩承式加筋路堤的桩土应力比计算公式等，来揭示柔性桩承式加筋路堤的工作机理。填土表面等沉降面回填土 网褥垫层 褥垫层柔柔性性桩桩 桩间土图4.1柔性桩承式加筋路堤的荷载传递Fig.4.1Load-transferofdeformablepile-supportedandgeosynthetics-.reinforcedembankments28 河北工业大学工程硕士学位论文§4.2柔性桩承式加筋路堤的荷载传递模型与路堤荷载下桩复合地基相似，桩承式加筋路堤中的桩与桩间土之间也存在差异沉降，这种差异变形造成了路堤填土中的土拱效应，即路堤中产生竖向的剪应力。Han[17]等指出桩承式加筋路堤的荷载传递机理除了土拱效应之外，还包括土工合成材料的拉膜效应和应力集中效应。由图4.1可见，土拱效应使部分路堤荷载直接传递给桩，剩余的荷载作用于土工合成材料的顶面。由于桩土间的差异沉降，土工合成材料会产生一定的拉伸变形和拉力，可以承受一定的竖向路堤荷载，并通过拉力的垂直分量传递到桩体上，减少了原路基土的沉降及差异沉降，这就是所谓的拉膜效应，如图4.1所示。另一方面，如果加筋垫层能起到横跨桩间软土的作用，那么在理想情况下，加筋垫层如为绝对刚性，就不会产生不均匀沉降，加筋材料也不会有拉伸，这时候就没有土拱效应和拉膜效应。但由于桩和土体之间的刚度差异，仍然有荷载向桩头集中，即应力集中效应。剪应力的产生减小了网上表面的平均应力，但由于网的拉膜效应使得桩与桩间土的沉降差异比桩复合地基中的要小，进而桩承式加筋路堤路堤中的剪应力有所减小，从而减小了路面的不均匀沉降，以及减小了网下桩间土的平均应力和增加了桩顶的应力。因此桩承式加筋路堤中的土拱效应、拉膜效应和应力集中是相互依存，不是单独出现的。根据以上的分析，桩承式加筋路堤的荷载传递模型如图4.1所示。§4.3路堤的荷载传递分析4.3.1路堤桩土应力比加筋垫层上方填土受力模型如图4.2所示。由于路堤等沉降面下方回填土的受力过程比较复杂，为了分析这部分回填土的荷载传递机理，根据实际情况，需做如下假定：(1)内外土柱刚度相同；(2)内外土柱的土为均质弹性材料，且土柱不发生横向变形，仅发生竖向变形；(3)内土柱侧面上的拖拽力(即侧摩阻力)在等沉面处几乎为0，在加筋垫层上表面处达到最大值[70]。填土表面等沉面zspt原网平面dzt内土柱pss+sptdpt外土柱tpshcHDsdde图4.2网上填土荷载传递模型Fig.4.2Modelforload-tranferofembankments-fillabovenet29 柔性桩承式加筋路堤的工作性状研究根据上面的假定，把内土柱看成柔性桩，则内土.柱侧.摩阻.力可.按桩复.合.地.基中柔性桩侧摩阻力一样.呈.线.性.分.布，则距.离.回填.土表面z处的内土.柱.侧.摩.阻.力.按.下式进行计算：t可psì0,ï=í-+zHhpscïhîcfKs,apa(0£z£H-h)c(H-h£z£H)ct(4.1)式中：t——为内外土柱界面上的摩阻力，kN/m2；psH——为回填土高度，即路堤高度，m；d——为桩体直径，m；hc——为等沉面所在的回填土高度，简称为路堤等沉面高度，m；f——为内外土柱界面摩擦系数，f=tanj；fKa——为静止土压力系数，Ka=1-sinjf；j——为回填土的内摩擦角，°；fs——为内土柱在加筋垫层上表面处的平均竖向应力，kPa。pa在内土柱z处.取一微.元.段dz进行.受.力分.析，竖.向.受.力.情.况如图4.2所示，根.据.竖.向.受力平衡条件，.可.得.微.段.内土.柱的受.力.平.衡.方.程：...Apspt+gApdz+tpsπddz=Ap(spt+dspt)(4.2)式中：Ap——为桩体截面积(m2)，Ap=πd2/4；s——为内土柱.在距.离填土表面深度z处的平均竖向应力(kPa)；pzg——为填土容重(kN/m3)；联立式(4.1)和式(4.2)，可得dspzdzìg,ï=í+-+zHhg4cfKs,ïpadhîc(0£z£H-h)c(H-h£z£H)c (4.3)则有：ìgz+C(0£z£H-h)1ïcs=í--2z4(Hh)z2pzgz+cfKs+Cïpa2(-££)îdhHhzHcc(4.4)式中：C1、C2为待定参数，由边界条件而定。我们不希望路.面有不.匀沉.降，因此填土高度H一定要.大于等.于等沉.面高.度hc(单位为m)，即.均H≥h0。在等沉.降面到.填土表面，土柱.与外.土柱.界.面就不存.在摩.阻力，则这两部分填土受到的垂直应力均为gz，也就是说当0≤z≤H.hc时，σpz=gz。则有z=H.hc时，σpz=g(H-h)，代入式(4.4)，可求得待c定参数C1和C2。则内土柱竖向应力沿路堤高度的分布为：30 河北工业大学工程硕士学位论文ìgïzss=ífKpzapa2gz+2(H-h-z)ïcdhîc(0