路堤拓宽工程铆钉桩复合地基性能的研究

分类号：密级：UDC：编号：201321602024河北工业大学硕士学位论文路堤拓宽工程铆钉桩复合地基性能的研究论文作者：李钦学生类别：全日制学科门类：工学学科专业：结构工程指导教师：刘春原职称：教授 DissertationSubmittedtoHebeiUniversityofTechnologyforTheMasterDegreeofStructuralEngineeringRESEARCHONRIVETPILECOMPOSITEFOUNDATIONOFEMBANKMENTWIDENINGPROJECTbyLiQinSupervisor:Prof.LiuChunyuanMay2016 原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文不包含任何他人或集体已经发表的作品内容，也不包含本人为获得其他学位而使用过的材料。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人或集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。学位论文作者签名：日期：关于学位论文版权使用授权的说明本人完全了解河北工业大学关于收集、保存、使用学位论文的以下规定：学校有权采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供本学位论文全文或者部分内容的阅览服务；学校有权将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流；学校有权向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：`日期：导师签名：日期： 摘要软土地基上道路改扩建是现代公路发展中重要的一个课题，而复合地基是软基处理的一种地基处理方式。在拓宽工程中，新、老路基差异性沉降是不可避免的，为解决这个问题带来的工程危害，国内外大量工程技术人员进行了研究，取得了诸多宝贵的经验。但相关的理论还不成熟，没有系统的规范。在新、老路基差异研究方面研究也不是很全面，需要进一步研究。本文以曹妃甸沿海公路改扩建工程为背景，从软土地基实际的问题出发，利用大型有限元分析软件ABAQUS进行有限元模拟分析，对新老路堤的沉降特性进行了系统性的研究。其主要内容如下：1、对现场地质情况进行分析，通过钻孔采样，室内试验，得到试验段软土地质材料，老路基土层由于固结时间长，其孔隙比减小4.86%，先期固结压力有提高了2.82%。然后在现场采用了铆钉桩对现场工程试验段进行软土加固，通过沉降管监测，其最大值为54.21mm。2、通过有限元的模拟，从轴力、摩阻力的分布方面分析群桩复合地基中铆钉桩的荷载传递过程，得到填土堆载前后的沉降数据，与现场监测数据相对比，其沉降最大值为73.24mm，但其基本沉降趋势是一致的。3、分析了填土堆载后地基表面的附加沉降，以及水平附加位移。同时分析了桩帽大小、路堤填土高度对拓宽路堤沉降特性的影响。结果表明：在一定范围内，桩帽越大，复合地基沉降越小，但达到一定值后，沉降几乎不变，其桩帽边长为1m时最佳；随着路堤填土高度的增加，差异性沉降越大，路基越不稳定。关键词：复合地基，拓宽，沉降，软土，有限元数值分析 ABSTRACTHighwaywideningonsoftsoilfoundationisanewsubjectinhighwayengineering.Compositefoundationisakindoffoundationtreatmentmethodofsoftfoundationtreatment.Inwideningproject,thenewandoldembankmenthavedifferentialsettlement.Thedomesticandforeignengineeringtechnicalpersonnelhaveconductedalargenumberofengineeringpractice,tosolvethenegativeinfluenceofthedifferentialsettlementinengineering.Althoughwehasobtainedsomevaluableexperienceincompletedengineering，therelatedtheoreticalachievementsareless,nosystematicregulations,newandoldroadbedsettlementcharacteristicsunderstandalittle,andneedfurtherresearch.Inthispassage,theauthormakesystemresearchofthesettlementcharacteristicsofnewandoldembankment,itexampledbyCaofeidiancoastalhighwayexpansionprojectasthebackground,fromthepracticalproblemsonsoftsoilfoundation,andusesuppernumericalsimulationmethodbasedonABAQUS.Themaincontentsareasfollows:1,Analysisthefieldgeologicalsituation,Throughdrillingandsampling,indoortest,getthesoftsoilgeologicalmaterials.Duetothelongtimeofconsolidation,poreratioofoldroadbedsoildecreases4.86%,preconsolidationpressurehasbeensignificantlyimproved,2.82%.Then,thesoftsoilreinforcementwascarriedoutonthesiteofthefieldengineeringtestsection,bymeansofthesettlementtubemonitoring,Themaximumvalueis54.21mm.2,Throughthefiniteelementsimulation,analysistransferprocessofrivetpileloadingrouppilecompositefoundation,withregardtothedistributionoftheaxialforce,getthesettlementdatabeforeandafterfillingpileload.Comparedwiththefieldmonitoringdata,themaximumvalueofthesettlementis73.24mm,40.6%morethanthevalueofon-sitemonitoring.3,Theadditionalsettlementofthegroundsurfaceandtheadditionaldisplacement.Theinfluenceofthesizeofthepilecap,andtheheightofembankmentfillonthesettlementcharacteristicsofthewidenedembankmentareanalyzedatthesametime.Resultsshow:Thebiggerthepilecap,thesmallerthesettlementofcompositefoundation,withinacertainrange,However,afterreachingacertainvalue,thesettlementisalmostunchanged,thebestlengthofpilecapsideis1mt.Withtheincreaseoftheheightofembankmentfill,thegreaterthedifferenceis.KEYWORDS:compositefoundation,widening,settlement,softsoil,finiteelementnumericalanalysis 目录第一章绪论.........................................................................................................................................-1-1.1本课题研究目的与意义...........................................................................................................-1-1.2铆钉桩的研究现状....................................................................................................-3-1.3桩体复合地基研究现状............................................................................................-3-1.3.1桩体复合地基在路基拓宽工程的研究现状................................................-3-1.3.2桩基复合地基沉降计算方法的研究现状....................................................-5-1.3.3桩基复合地基ABAQUS数值模拟的研究现状...........................................-6-1.4路基拓宽工程中工后沉降研究的现状....................................................................-8-1.5本课题研究内容和技术路线....................................................................................-8-1.5.1本文主要研究内容........................................................................................-8-1.5.1本文技术路线................................................................................................-9-第二章拓宽路基工程概况及设计方案.....................................................................................-11-2.1工程概况...................................................................................................................-11-2.2工程特点...................................................................................................................-12-2.3工程地质条件...........................................................................................................-12-2.3.1地质分层.......................................................................................................-12-2.3.2工程地貌.......................................................................................................-13-2.3.3水文地质条件...............................................................................................-16-2.4铆钉桩试验段软土地区土层室内试验....................................................................-17-2.5铆钉桩试验区软土路基加固及沉降监测方案.......................................................-19-2.5.1铆钉桩试验区软土路基加固方案................................................................-19-2.5.2铆钉桩试验区软土路基沉降监测方案........................................................-21-2.6本章小结...................................................................................................................-22-第三章拓宽软土路基ABAQUS数值模拟分析..........................................................-23-3.1概述...........................................................................................................................-23-3.2ABAQUS简单介绍及应用现状..................................................................................-23-3.2.1ABAQUS简介...................................................................................................-23-3.2.2ABAQUS软土地基模拟的应用现状...............................................................-24-3.3单元库及本构模型的选择.......................................................................................-25- 3.3.1单元库的选择................................................................................................-25-3.3.2本构模型的选择............................................................................................-26-3.4拓宽路基模拟基本理论...........................................................................................-26-3.4.1线弹性模型....................................................................................................-26-3.4.2Mohr-Coulomb模型......................................................................................-27-3.4.3复合地基荷载传递理论................................................................................-29-3.4.4复合地基荷载传递机理的影响因素............................................................-30-3.5数值分析方法...........................................................................................................-32-3.5.1假设条件........................................................................................................-32-3.5.2计算模型及边界条件....................................................................................-33-3.5.3加载历程........................................................................................................-34-3.5.4路基变形分析................................................................................................-35-3.5.5桩空间问题简化为平面问题........................................................................-35-3.6ABAQUS模拟中桩土参数的确定.........................................................................-36-3.7本章小结....................................................................................................................-37-第四章有限元模拟结果分析.........................................................................................-39-4.1监测结果...................................................................................................................-39-4.2地基变形形状分析...................................................................................................-40-4.2.1初始地应力场分析........................................................................................-40-4.2.2沉降变形分析................................................................................................-41-4.3复合地基荷载传递分析...........................................................................................-44-4.3.1桩土应力比分析............................................................................................-44-4.3.2桩身轴力分析................................................................................................-44-4.3.3桩身外侧摩阻力分析....................................................................................-45-4.3.4复合地基的附加应力变形............................................................................-46-4.4.1附加竖向沉降和水平位移分析....................................................................-47-4.4桩帽的影响分析........................................................................................................-48-4.4.1有无桩帽的影响分析....................................................................................-48-4.4.2桩帽大小的影响分析....................................................................................-49-4.5填土高度的影响分析................................................................................................-49-4.6本章小结...................................................................................................................-50-第五章结论与展望.........................................................................................................-53-5.1主要结论...................................................................................................................-53-5.2建议与展望...............................................................................................................-54- 参考文献...........................................................................................................................-55-致谢...................................................................................................................................-57-刘春原教授历届学生硕士学位论文一览表...................................................................-59- 河北工业大学硕士学位论文第一章绪论1.1本课题研究的目的与意义在邓小平实行改革开放以来，中国的经济迎来了一个翻天覆地的变化，国民经济的提升带动了公路运输的蓬勃发展。公路具有全国最大的运输网，而且其运量大，速度快，辐射远等特点，不仅带动了主要大城市的产品的出口和原材料的进口速度，也促进了周围的城市与全国的联系[1]。到2015年，中国公路的总里程已经超过450万公里，整个国家的高速公路形成一张大网覆盖在全中国，而其总里程也达到“十二五”的发展要求，超过了10.8万公里，已经在绝大部分20万以上城镇人口城市形直成通高速网。近年来农村公路蓬勃发展，已修建的区域覆盖中国大部分乡村，总里程超过了390万公里。国道和省道的总体设计、施工技术已经慢慢成熟稳定。在新世纪的到来，中国国民生活质量飞速得到发展，全中国各地区人民不管从物质上还是从精神上都有了明显的提升，继珠江三角洲、长江三角洲的发展，环渤海区域也正在蓬勃崛起。河北省委在第七次党代表大会上提出到2020年“全面建成沿海经济社会，发展强省”的宏伟发展目标，而沿海地区作为环渤海经济圈的重要组成部分，其开发和发展无疑对中国经济增长，特别是环渤海区域的发展起着非常重大的作用，也作为改变中国经济“南快北慢”的局面的重要因素，在未来中国经济平衡发展中具有重要的战略意义[2]。然而，有很大一部分公路在建造期间，当时我国经济水平有限，对未来发展的预测不够理想，其车道为双向四车道，满足不了我国现在这种高速运输的要求，迫切需要扩大道路的动输能力。提高高速公路的运输能力已经成为“十三五”建设的重要议题，而提高其通行能力，主要通过下面两个方面，第一，在新开发土地上建造公路和改扩建老的公路，第二，新建立一条高速公路。从经济因素来说，新建高速公路，耗费较大，占用土地较辽阔，没有充足利用原有公路的经济资原，重新修建一条高速公路，其工程量要远大于改扩建公路工程；从作用效果方面讲，老公路在其建造以后，其通行网络已经得到充分的使用，其交通网络在整个公路的作用性要大于新建高速公路。在河北沿海地区，大部分土层覆盖区域的地质情况不佳，土层的成因类型大多为海积土和湖相积土。土的分层及类别繁多，很大部分是淤泥、淤泥质粘土、淤泥质亚粘土，以及砂、土混合层。这种土的物理性能、力学性质比较差，其有含水率高、压缩性高、强度较低等特点。在工程实践中无法采用一般的地基处理技术来处理其软土结构，需要特殊情况特殊对待。而且，公路的拓宽工程与道路的新-1- 路堤拓宽工程铆钉桩复合地基性能的研究建又有明显的不同，它比后者更加复杂，需要思量的方面更加周全，特别是软土地基上的道路改扩建工程，新老路基在工期以及工后的沉降差、协调变形都难以精确控制，其主要表现在以下几个方面：1）在路基改扩建工程中，由于老路运营时间早，其基固结时间久，经过多年的上部荷载的作用，其土层已被基本压实，沉降变形已经几乎没有，而在新拓宽路基中，其路基需要固结稳定的时间比较长，加上新路基作为附加荷载对老路基施加的附加应力，新老路基容易发生不均匀沉降，这种不均匀的沉降变形容易导致地基上部结构的一系列的损坏[3]。2）已建成公路附近设施情况比较复杂，有比较完整的生活设备，所以路基拓宽工程的施工场地受到很大的限制，并且有些公路旁边是鱼塘或者水池，常年蓄水，对附近土层的地质有很大的影响。3）我国对路基拓宽这一块才刚起步不久，各项经验还不够丰富，对于其荷载传递分布规律、如何确定承载力的大小、附加应力如何分布给新老路基、附加沉降计算、复合地基的破坏模式等诸多方面都还没有一个完整的结论，可以用于工程实际借鉴的工程经验比较匮乏，其路基拓宽的指导规范也没有统一标准。在现阶段，软土地基加固处理常采用柔性桩（搅拌桩、碎石桩等）和刚性桩（预应力混凝土薄壁管桩、现浇混凝土薄壁管桩）复合地基法，比如周同和等[4]通过在现场对刚性桩复合地基进行载荷试验，对多桩型刚性长短桩复合地基桩–土应力比、荷载分担情况及其发展变化进行了研究。在地基处理中，柔性桩价格虽然低廉但是质量难以控制，而刚性桩虽然质量有保证但成本增加较大。并且现浇混凝土薄壁管桩存在，在浇筑时其质量不容易控制的缺陷。刘春原发明一种新型地基处理技术——铆钉桩，此发明使用普通混凝土管桩替代预应力混凝土管桩和现浇混凝土薄壁管桩，控制桩帽的大小，用普通混凝土管桩作为增强体，既具有达到提高地基承载力，达到公路的模量要求，同时又利用桩帽和土工格栅以及垫层的整体作用，将上部荷载均匀地分部在地基上，充分发挥桩间土的承载力，这样不仅可以降低成本，而且具有加工容易，施工简单，成本低廉，应用范围广等特点。本文以唐山曹妃甸沿海公路拓宽工程为依托，借用刘春原发明的新技术—铆钉桩，针对沿海软土地基的特点，进行路基拓宽工程的研究。在其现场工地试验段采用铆钉桩对软土加固，形成桩土复合地基，以减少此沿海公路拓宽的地基沉降。并对其工期、工后沉降进行一定次数的测量，形成一组可以用于计算该类型拓宽工程的数据。并利用ABAQUS进行仿真模拟，对其复合地基性能进行研究,并通过对数值模型结果进行详细分析研究，探讨了铆钉桩在复合地基所起的作用以及应当注意的要点。研究成果将对高速公路拓宽工程提供一种新型技术，提高软土路基拓宽设计水平，提高在处理加宽工程的经济效益，具有积极的理论意义和实际工程借鉴意义。-2- 河北工业大学硕士学位论文1.2铆钉桩的研究现状铆钉桩是刘春原提出的一种以刚性桩（预应力混凝土薄壁管桩）为基础，使用普通混凝土管桩替代预应力混凝土管桩，使用预制铆钉形混凝土桩帽代替现浇混凝土桩帽并且控制桩帽大小，而其桩间距按普通桩桩径比确定，从而所形成的一种适合铆钉桩的施工方法，用这种施工方法来进行地基处理，它具有施工容易简单，施工的周期短，施工成本较低廉，且能在多种工况下应用等特点。在国外，预应力管桩已经被日本和许多欧美国家应用于很多建设方面，一直到20世纪80年代，由于广东省等沿海城市的一些特殊地质情况，中国才开始使用预应力管桩，由于该桩型在软土、粉土、粘性土等方面的应用有着明显的优势，预应力管桩得到飞速的发展，在软土地基处理技术上取得了很大的进步，但因为预应力混凝土管桩的造价较一般工程常用的水泥土桩要高，在一些特定的地基处理上造成了不必要的经济负担，铆钉桩就明显地避免了这一点。1.3桩体复合地基研究现状1.3.1桩体复合地基在路堤拓宽工程中的研究现状在土木工程中，地基是直接传递上部荷载到地层的直接作用层，但在一些沿海地区的软土地基，一般的传统加固方法都不能满足高速公路或者一级公路的负载要求，多半会采用桩体加固来提高软土地区的承载力，以此形成复合地基。复合地基的定义最早在20世纪60年代，由一位日本的学者提出来的。刘润，闫澍旺[5]引进“减沉桩”的概念，通过在现场试验，测试桩反力和土的反力，对桩土荷载分担机理有了个初步的分析，认为适当地增加桩距，采用少数桩和土组成复合地基来增加整体刚度，其筏沉降也可以减小到现实所要达到的目标。因为近年来沿海软土地区的公路快速发展，其桩土复合地基理论也迅速得到重视与发展。在1992年，由龚晓南[6]提出了比较完整的定义，提出了复合地基的理论框架，指出用增强体将部分土体进行置换达到提高地基整体承载力。1999年，美国的RichardJ等人[7]研究分析了路基拓宽工程的经典案例，对其路段的拓宽方案进行比较，从路基沉降、稳定性、静载期间的变形以及不均匀沉降特性来分析，提出了在设计路基拓宽工程中的指南和施工期间的一般步骤，并且以此对相应的设计规范进行了修正调整。2004年贾宁，陈仁朋等[8]认为，对拓宽路堤的分析应该把应力分析作为切入点，通过对路堤的沉降变形问题进行探讨研究，以新、老路基的沉降规律符合基本准则为-3- 路堤拓宽工程铆钉桩复合地基性能的研究基础，其控制标准则从软土路基上新建路堤的工后整体沉降转变为新、老路基的工后沉降差。同年，王斌等[9]重点针对在处理深厚软土地基方面常用的传统水泥土搅拌桩法的不足，研究了预应力管桩在高速公路拓宽工程中的应用，介绍了在设计刚性桩复合地基时采用的方法，以及在沉桩时其土体挤压对老路基产生的影响，在软土加固方案上采用了预应力疏桩复合地基，将理论计算成果和现场实际工程监测数据进行对比分析，指出：在利用复合地基疏桩加固方案对拓宽工程进行处理时效果明显，质量保证，经济效益高。2010年钱劲松等[10]在研究新老公路的路基拓宽工程中，针对老路基修建情况的差异、新老路基的沉降变形特点和变形引起的路面结构的变形进行了探讨，建立了有限元二维非线性模型来模拟软土地区公路拓宽，详细比较了老路基和新建复合地基在加固过程的受力情况。其研究结果表明：拓宽路基的附加荷载可导致地基发生明显的二次沉降，另一方面在路基顶面的不均匀变形从新拓宽路基时的“盆形”慢慢下凹，其拼接处沉降逐渐增大。而且基层顶面逐渐受到较大的拉应力，从而导致在路基拓宽工程中发生破坏，在基层顶面出现开裂。在工程应用中，我国已经成功地完成多次高级公路拓宽改建工程，表1.1总结了我国主要的高速公路拓宽改建工程[11-17]。在国外的拓宽技术工程应用中，美国Holman[18]、Ortega[19]、Yelm[20]高速公路也都是经典的公路拓宽工程。结合现在路基拓宽工程可以知道，软土地区的路基扩建已经广泛地采用了复合地基加固技术，并且很多高速公路加固工程部分已经通车运营，然而从目前路面路基观测结果来看，有很大一部分不够理想，甚至表现出更加严重的路基开裂现象。而且在软土地区的复合地基加固的设计中没有一个比较成熟的经验可以参考，所以就复合地基在路基的改扩建研究是具有现实意义的。-4- 河北工业大学硕士学位论文表1.1中国主要的几条高速公路拓宽工程简介拓宽路段路基处工程名称拓宽形式软土土层条件理方法山间河谷型淤泥、河流冲积砂土、三粉喷桩复合地基+广佛高速两侧拓宽角洲沉积砂土，厚砂垫层度为1.1-6.8m淤泥质粘土或淤沈大高速两侧拓宽塑料排水板固结泥质亚粘土灰色淤泥质亚粘土，局部土层含粉塑料排水板预压+沪杭甬高速两侧拓宽砂，大部分路段厚粉喷桩+土工格栅度超过20m塑料排水板、超载杭宁高速二期中间带预留拓宽淤泥质亚粘土预压+粉喷桩、土工布+土工格栅双层软土，上层淤泥质粉质粘土夹粉砂，下层局部淤粉（湿）喷桩，PTC沪宁高速两侧拓宽泥质粉质粘土，间桩，EPS路堤夹硬塑性粘土、亚粘土淤泥或者淤泥质粉喷桩（原为塑料海南环岛东线单侧拓宽粘土排水板）双层软土夹砂层，粉（湿）喷桩，PCC南京绕城高速两侧拓宽上下层均为淤泥桩，CFG桩+透水质亚粘土土工布1.3.2桩基复合地基沉降计算方法的研究现状2003年，池跃君等[21]对计算桩基复合地基的规范法进行了讨论研究，分析了其优-5- 路堤拓宽工程铆钉桩复合地基性能的研究缺点，指出在假设应力场条件以及选取加固区复合模量时的局限性，并以此为基础，提出一种新的理论—双层应力法。双层应力法主要是在应力场的假定计算上，因为在桩端平面中应力的突增，提出计算应力的经验公式，再动用分层总和法计算沉降。2009年，杨光华等[22]从原状土切线模量法出发，提出一种新的复合地基计算方法。它结合荷载传递的机理，采用切线模量法计算，假定桩和土是相对独立的两个体系，先把土体看成没有桩的形式，对土体部分进行沉降计算，得出基础荷载–沉降曲线，同理计算出单桩沉降曲线，对群桩再加以等效的换算，根据该曲线可以得到复合地基的沉降。这种计算方法在一定程度上较好地把桩、土共同作用性质和沉降的非线性考虑在内，并且其计算精度较高，提供一种新的计算刚性桩复合地基的沉降理念。2010年，赵明华等[23]研究了刚性桩复合地基在柔性基础（路堤荷载）下桩、土、垫层相互作用特点。由于桩土模量差距比较大，在受到上部荷载时，桩土可能发生相对滑移，桩身产生负摩阻力，其现在存在的桩土复合地基计算公式已不能再应用，由此提出了两个针对性的问题，一是桩土应力的分配，二是在受载后桩体发生刺入后沉降计算方法。通过考虑桩体在实际工程中发生向上刺入，以及对桩侧摩阻力变化规律和桩土相对位移变形的形式作一定程度的简化，建立了复合地基桩、土、垫层共用体系的计算方法。2011年，何宁、娄炎[24]在针对路堤下刚性复合地基的桩土发生不均匀沉降导致的拱土效应，以杭州湾跨海大桥南岸接线工程中路堤下刚性桩复合地基为依托，对现有阶段已有复合地基的桩、土压力分担，桩身荷载传递理论进行总结分析，建立可分析荷载传递过程的模型，对荷载的传递和分布规律进行了研究，提出路堤荷载下刚性桩复合地基的设计计算方法，对刚性复合地基的沉降计算和工后沉降方法加以完善。在2012年的《建筑地基处理技术规范》[25]的有关规定中，复合地基的沉降应采取分层总和法来进行计算，将加固土层视为均质土，其土层模量乘以倍，为加固后的地基承载力与天然条件下基础底层下面地基承载力的比值，加以采用Boussinesq解计算应力场。2015年，赵明华等[26]对路堤荷载下的复合地基加固区计算提出新的理念，基于在路堤荷载作用下复合地基的两个现象，一是桩顶部容易发生明显的应力集中，二是在实际工程中，土层大多数为层状地基土。同时考虑复合地基加固区桩周土体的变形和上部路堤填土的土拱效应，得到了路堤荷载下计算复合地基桩土复合区桩间土压缩变形大小的表达式，对其在均质地基土下的加固区沉降变化规律加以分析，表明在实际工程计算中考虑地基土的成层性会提高复合地基安全性以及得到更精确的控制沉降。1.3.3数值模拟在公路拓宽方面的国内外研究现状在计算机的快速发展的新时代，有限元数值模拟方法在土木工程中越来越得到研-6- 河北工业大学硕士学位论文究人员的应用。陈磊，刘汉龙等[27]利用PLAXIS软件，依托杭—金—衢公路拓宽工程实际，分析了排水板加固效果，分析结果表明：在通过复合地基的排水固结后，新拓宽路基的工后沉降和差异沉降有显著的减小。采取复合地基处理新路基，能有效地减少新、老路基的不均匀沉降。周恒[28]采用有限元分析法对软土路基的道路新建—使用—加宽进行了数值模拟分析，将其土体设为理想的摩尔库仑弹塑性模型，对其路基沉降、地基应力场和土体水平位移进行分析，阐述了路基拓宽时，其新填土荷载对老路路基、路面以及地基土体的影响。周恒指出：在新路基填土荷载的作用下，以老路中心为基准，其附近的路基沉降慢慢减小，相应的老路的水平位移也很大程度上地减小，而远离基准的老路路肩处的路面沉降慢慢增大；另外，在对一些典型的软基处理方法、计算分析对比后，提出了一种可适应公路拓宽工程的地基处理设计理念。张军辉等[29]利用有限元大型分析软件ABAQUS，对两侧加宽路基拓宽工程进行模拟，分析了新路基填土作为附加荷载对老路基影响，研究表明：在拓宽路基荷载下，施工期间老路堤沉降分布形状表出倒钟形，其土体水平变形方向也指向新建道路的外侧；另外，在路基加宽后新路基沉降要大于老路基。袁志林等[30]采用ABAQUS有限元软件对在水平载荷下条件下，导管架平台下桩土之间的共同作用进行了分析，重点研究了不同载荷下的桩基横向承载力和水平位移之间的关系，通过计算得到水平载荷下的p-y曲线，并将计算结果与API规范计算结果进行对比。结果表明：采纳该软件进行桩土共同作用分析是可行的。冯亮亮等[31]在对研究刚性桩复合地基进行时，分别利用Duncan—Chang双曲线非线性模型和Drucker—Prager线性模型对其进行数值模拟，同时为了达到模拟出桩、桩侧土之间的接触分析，采用了接触面单元分析，以有限元分析软件ABAQUS为基础，进行软件二次开发，同时建立了相对应的有限元分析模型来进行数值计算，并分析了复合地基的竖向沉降变形、桩土应力分担、桩体向上刺入垫层的特性、以及随时间的增长地基沉降变形特性，综合讨论了刚性桩复合地基的荷载传递性能，为以后设计刚性桩复合地基时提供可参考的依据。宋小娟等[32]采取有限元模型计算的方法，以复合地基刚度为可变因子，探讨了复合地基的竖向沉降分布规律和土体变形影响范围。其研究结果表明：根据上部荷载的分布规律，在荷载比较大，沉降要求比较高的地区布置较多的桩体，而在荷载较小，沉降要求比较小的地段布置较少的桩体，可以充分发挥桩的承载力，能有效地减少地基沉降值，同时大工程用桩的数量也大大减少，其经济效益指数明显提高。Sa等[33]采用FLAC数值模拟软件，以有没有桩帽作为可变因子，对柔性复合地-7- 路堤拓宽工程铆钉桩复合地基性能的研究基的荷载传递规律做了模拟分析，在分析中考虑平面应变条件下的线弹性模型，采用梁单元模拟桩体中的钢筋，根据实际工程施工方案，对模型施加分级堆载。Han和Gabr[34]利用有限元软件FLAC，分析了土工合成材料加筋垫层对路堤的性能影响，分析过程中，将每根桩简化为一个具有面的“有效的”等效圆，采用双曲线Drucker-Prager模型模拟地基土和路堤填土的特性，桩和土工合成材料加筋垫层均假设为线弹性材料，不考虑土工合成材料的蠕变，桩土相互接触面均假设为完全粘结。1.4路基拓宽工程中工后沉降研究的现状2006年林希鹤[35]通过对路基拓宽理论和软土地基处理方法的探讨，认为新老路基工后沉降差、路基整体性和抗裂性是软土地基拓宽工程中的关键技术，而新老路基结合部的协调变形又是其中的重点，为拓宽工程的设计提供了参考。2007年杨绍清[36]等以广东省某公路为依托，根据实测软土路基的沉降资料，采用双曲线配合法对这段软土路基的沉降进行预算，其计算结果再与现场实测数据相对比，从中分析可得：虽然通过双曲线配合法计算路基工后沉降值所得的数值较大于现场监测值，其相差不是很大，这种方法的预测还是较合理的。2009年欧湘萍[37]等综合前人研究的经验，对预测工后沉降提出了一种新方法，在分析路基工后沉降时，通过对回旋参数方程的计算来预算工后沉降量的大小，并且对回旋参数方程的参数进行了仔细研究。通过对比实际工程结果，表明利用回旋线特性的参数方程能够更加简单地计算地基工后沉降。2013年赵明华[38]等以深圳市滨海大道工程为依托，根据其软土特性分析了滨海公路地区软土路基的变形机理，以及路基表面沉降的发展规律，提出了可变权重因子组合S型的模型，对滨海公路工程的沉降进行了预测。且该成长模型得到的预测效果与实际情况比较相吻合，对软土地区路基工后沉降预测有一定的适应性，在工程沉降预测中有较好的实用价值。同年颜早璜等[39]通过监测某一高速公路拓宽工程中老路基的附加沉降，并将结果与双曲线拟合结果相对比，认为准确的监测数据是高速公路正常运营的保证。并用ABAQUS建立了路基三维本构模型，讨论了软土厚度、桩体模量、土体泊松比、粘聚力、摩擦角和路堤填土高度对路基工后沉降的影响。1.5本课题研究内容和技术路线1.5.1本文研究的主要内容通过对软土地基处理方法—铆钉桩加固的分析，本课题以曹妃甸现场铆钉桩试验-8- 河北工业大学硕士学位论文段的试验为依托，用有限元分析ABAQUS对实际工况模拟分析，本文主要的研究内容如下所示：1、结合曹妃甸沿海高速公路改建工程，分析其软土加固措施，验证铆钉桩处理软土地基的综合能力。2、利用现场试验段资料，取试验段原状土样进行室内土工试验，得到其土层地质资料，采用铆钉桩对K205+189～K205+489路段进行软土加固，并监测其工期及工后沉降。3、对在软土地基上铆钉桩加固过程进行ABAQUS的有限元模拟，分析拓宽工程路基沉降机理和降低差异性沉降的措施。并以模拟结果与实际测试数据进行对比，详细分析铆钉桩复合地基在软土地基处理的性能。4、对铆钉桩现场试验与数值模拟软件相结合与验证，对其改变桩帽大小进行数值模拟扩展，为实际工程提出建议。1.5.2本文技术路线本文从曹妃甸工程和理论文献两个方向同时切入研究，其基本路线图如图1.1。图1.1本文技术路线图-9- 路堤拓宽工程铆钉桩复合地基性能的研究-10- 河北工业大学硕士学位论文第二章拓宽路基工程概况及设计方案2.1工程概况曹妃甸区是河北省唐山市新开发区，所处位置在唐山南部沿海、渤海湾中地带，位于北纬39度、东经118度。其位置处于环渤海的中心区域、唐山市南部，与北京、天津两大城市相邻，与唐山市中心区相隔80km，与秦皇岛相隔170km，而且与北京和天津分别只相隔220km、120km。本项目属于老路改建项目，原沿海公路为三级公路标准，路基宽度为8.5m，路面宽度为7m，路拱横坡1.5%。K164+895～K217+050段为水泥混凝土路面，路面结构为：道路的面层为22cm厚的水泥混凝土，基层为2×15cm厚的石灰土。K217+050～K222+966段为沥青混凝土路面，路面结构为：面层为3cm厚的沥青混凝土+4cm厚的沥青混凝土，基层为18cm厚的二灰稳定碎石加上2×15cm厚的石灰土。道路现状路况极差，翻浆、网裂、坑洞等病害十分严重，路面破损较为严重，局部路段已裸露路基，对车辆通行影响较大，其走向主要为由东向西，然后由南向北，起于古柳公路与老沿海路顺接，沿老沿海路至唐海县东环路后偏离老路向南，沿唐海县规划区进行布线，通过迁曹公路后，于K188+700处路线向北，横跨双龙河，在孙家灶村东与老沿海公路相接，然后利用老路加宽，先后跨越唐曹高速公路、沿海高速公路后至唐津界，接着利用部分天津段汉南公路前行约9.68公里后，转向北沿汉沽管理区进行布线，分别经过皂甸东、汉沽农场十一队，与唐津高速公路进行正交跨越后终于205国道，路线全长约65.416km。路线经过的河流属于滦河流域的冀东沿海水系流域，自东向西有多条河流，例如新溯河、溯河、小青龙河、和沙河等。路线线型布设原则：第一，平、纵、横综合设计，使线型在视觉上保持连续、圆滑、顺势，合理利用地形、地物条件，符合周围环境的特性。第二，工程线位要与周围村庄、学校及重要建筑物保持一定的距离，尽量少占用村民的良田、鱼塘及果园。综合考虑桥涵、通道、道路交叉等构造物的布局，以及地方道路、城镇规划，地上附着物等多种因素，在工程造价以及工程条件的允许下，尽量提高工程的技术指标。第三，设计中对通道、分离式立交等控制路基高度的构造物进行合理布置，结合地形及水利设施，并适当考虑下挖，以最大限度降低路基填土高度，减少病害。该项目区域地基主要的不良地质是存在不少软弱土、盐渍土，沿线稳定地下水位-11- 路堤拓宽工程铆钉桩复合地基性能的研究埋深0～4.2米。环境类型为Ⅱ类，按干湿交替考虑，工程场地水和土对混凝土结构（比如桩体）有弱~中等腐蚀性，而对其中的钢筋更有中等腐蚀性。本试验段路标为K205+189～K205+489，其地质主要为粉砂和淤泥质粉质黏土，该类土层的特点较明显：含水量较高、孔隙比大、压缩模量小、且承载力低下，该层土体由于物理力学性质和透水性较差，在地震荷载的作用下可能发生震陷等不利情况。该试验段测边有较多鱼塘，基本长年积水严重，水位随季节和养殖阶段的不同而不同，鱼塘底部淤泥较深，水深一般在0.5～2.0m之间，底部淤泥厚度0.5～1.0m。2.2工程特点作为曹妃甸沿海公路拓宽，除了地区和地层的不同之外，基路基拓宽工程又具有以下不同的特点。1、全路段原路面不宽，加上施工期间还继续通车，其施工场地非常窄小，区别于其它路堤拓宽工程，在施工期间，只能半幅施工半幅通行。2、曹妃甸沿海公路改建路段大部分段处于软土地区。3、曹妃甸沿海公路其老路基的路堤沉降已经基本稳定。4、作为本工程试验段，铆钉桩复合地基首次作为拓宽改建工程应用，其经验可参考性可几乎没有。2.3工程地质条件2.3.1地质分层项目区海陆相交互沉积平原，区域内新生代第四系地层沉积较厚，根据区域地质资料，第四系地层厚度大约为1100～1200m。第四系全新统一般厚度大于100m，是对工程主要影响的地层，受河流泛滥和海洋运动影响，区域内浅部地层主要为第四系全新统海陆相交互沉积（Qmc）及河流冲4积（Qal+pl4）粉土、粉质黏土、淤泥质黏土、细砂，偶有中砂分布，多呈透镜体状。全新统以前的地层埋深均比较大，对本项目无直接影响。根据曹妃甸公路工程地质调查、钻探、室内土工试验以及原位测试等，对项目区工程地质地层总结如下：mc、Qal+pl（1）粉土（Q44）：广泛分布于项目区，一般为褐灰色，松散～密实，稍湿～饱和，土层含粉质粘土薄层，夹云母及贝壳碎屑，无光泽反应，摇震反应中等。孔隙比一般为0.5～0.8，单层厚度一般为1.0～5.0m。承载力基本容许值一般是上部较低，为100～120kPa，下部容许承载力较高，最高达到200kPa，压缩系数一般为0.1～-12- 河北工业大学硕士学位论文0.4。mc、Qal+pl（2）淤泥质粉质黏土（Q44）：在项目区均有分布，一般为灰黑色～深灰色，流塑～软塑，夹有粉土层和粉砂薄层，韧性好，干强度中等。K164+895（起点）～K207+335段，一般以单一形式的层状土存在，厚度大约为3.0～7.0m，厚度最大处为9.0m，一般分布在地表以下2.0m处，其周围鱼塘的水深大约为1.5m，鱼塘下的淤泥层厚度大约为1.0～1.5m；K207+335～K222+966.089及HK0+000～HK7+345+257段该层一般以2～3层形式存在，单层厚度一般为5.0～8.0m，一般分布在地表或地表以下1.0m处。该层含水量一般为36～46%，孔隙比在0.98～1.14，该层工程地质情况不佳，压缩模量大多数约为3.5Mpa，压缩系数平均为0.55~0.60。mc、Qal+pl（3）粉质黏土（Q44）：广泛分布于项目区，一般为褐黄～褐灰色，可塑～硬塑，局部土层为软土可塑，夹粉土薄层，含有姜石和少量贝壳碎屑，稍有光泽，无摇震反应。其土层单层厚度变化较大，一般为2.0～5.0m，含水量大约为20～35%，孔隙比0.5～1.1，性质变化较大，局部形成软弱土，工程性质总体一般，压缩系数平均约0.30。mc、Qal+pl（4）粉细砂（Q44）：广泛分布于项目区，局部表现形式为透镜体，褐黄色~褐灰色，中密～密实，饱和，其矿物主要成分以石英、长石，含少许云母，偶见贝壳碎屑，分选性较好，砂质较纯，地层厚度变化较大。K164+895（起点）～K201+685段粉砂、细砂层分布厚度较大，K201+685至终点段粉细砂层埋深较大。mc、Qal+pl（5）中砂（Q44）：一般呈透镜体状存在，中密～密实，分选性较好，砂质较单一，主要矿物成分为石英、长石。2.3.2工程地貌本项目地处华北平原东北部，地势总体开阔且平坦，无陡坡。因长期海陆相交互沉积，地貌较为简单。结合地貌与地层特征，路线经过范围内的地貌主要为低平地地貌类型。由于长期耕种，地貌人为改造强烈。结合不良地质和地质成因，沿线共分为8个不同的低平地地貌单元。（1）第一段：分场低平地一般路段（K164+895～K175+720，长10825m）地层主要为粉质黏土、淤泥质黏土、细砂，局部地层中夹有中砂和黏土透镜体，在埋深为0.80～3.00m普遍分布一层软土，流塑~软塑，深灰色，厚度大约为3.00～7.00m，静力触探锥头阻力绝大部分小于0.7MPa。粉土为褐黄~褐灰色，稍湿~饱和，稍密～中密，土质均匀，偶见贝壳碎屑，干强度低，韧性差。静力触探锥头阻力一般为2～5MPa。粉质黏土，软塑~硬塑，土质较均匀，干强度和韧性高，切面光滑，具锈染，含少量姜石。静力触探锥头阻力一般为1.2～2.0MPa。-13- 路堤拓宽工程铆钉桩复合地基性能的研究该段不存在盐渍土，总体工程地质条件较差，软土层具有含水量大、压缩模量小、承载力较低等特点，软土分布可能造成路基较大沉降，砂土层一般会发生中等~严重程度液化。小型桥涵地基埋深应大于软土层或进行适当处理。（2）第二段：分场低平地盐渍土路段（K175+720～K179+045，长3325m）地层主要为粉质黏土、淤泥质粉质黏土、粉土、粉细砂，偶尔夹杂中砂和黏土透镜体，在埋深为0.80～3.00m普遍分布一层软土，流塑~软塑，深灰色，厚度一般为4.00～7.00m，静力触探锥头阻力一般小于0.7MPa。粉土为褐黄~褐灰色，稍湿~饱和，稍密～中密，土质较为均匀，偶见贝壳碎屑，干强度低，韧性差。粉质黏土，软塑~硬塑，土质均匀，干强度高，韧性高，切面光滑，具锈染，含少量姜石。该段存在盐渍土，根据钻孔资料揭露，一般存在于地表以下5.0m处的粉土中，含盐量不大，一般不会发生盐胀危害，总体工程地质条件较差，软土层分布可能造成路基较大沉降，小型桥涵地基埋深应大于软土层或进行适当处理，由于盐渍土的存在，对钢筋混凝土存在弱腐蚀性。（3）第三段：唐海镇低平地盐渍土路段（K179+045～K192+800，长13755m）地层主要为粉质黏土、淤泥质粉质黏土、粉土、粉细砂，偶夹中砂透镜体，在埋深为0.80～3.00m普遍分布一层软土，局部地段淤泥质粉质黏土有所缺失，流塑~软塑，深灰色，压缩性大，厚度一般为4.00～7.00m，静力触探锥头阻力一般小于0.7Mpa；该段鱼塘及虾池遍布，水深一般为1.50m左右，池塘底部的淤泥质粉质黏土厚度在1.0m左右。粉土为褐黄~褐灰色，稍湿~饱和，稍密～中密，土质均匀，偶见贝壳碎屑，烘干后强度低，韧性差。粉质黏土，软塑~硬塑，土质均匀，干强度和韧性高，切面较光滑，具锈染，含少许姜石。该段基本存在盐渍土，含盐量较大，但一般不会发生盐胀危害，路基部分应注意毛细水的影响，总体工程地质条件较差，软土层分布可能造成路基较大沉降，压实性差。（4）第四段：十一农场低平地盐渍土路段（K192+800～K202+280，长9480m）地层主要为粉土、淤泥质黏土、粉质黏土、粉细砂，表层为2.0~2.5m左右的粉土层，其下普遍分布一层软土，流塑~软塑，深灰色，厚度一般为6.00～8.00m，静力触探锥头阻力一般小于0.7MPa。粉土为褐黄~褐灰色，稍湿~饱和，稍密～中密，土质均匀，偶见贝壳碎屑，干强度低，韧性差。粉质黏土，软塑~硬塑，土质均匀，干强度、韧性高，切面光滑，具锈染，含少量姜石。该段存在盐渍土，根据钻孔资料揭露，一般存在于淤泥质粉质黏土之下粉土中，表层粉土层中含盐量不大，一般不会发生盐胀危害，总体工程地质条件较差，软土层分布可能造成路基较大沉降，且压缩性大，小型桥涵地基埋深应大于软土层或进行适当处理，由于盐渍土的存在，对钢筋混凝土存在弱腐蚀性。-14- 河北工业大学硕士学位论文（5）第五段：南堡开发区低平地盐渍土路段（K202+280～K209+230，长6950m）在K202+800~K206+650段，淤泥质粉质黏土一般以单层的形式存在，表层有薄层的粉土层，一般厚度在0.5~2.0m不等，软土层厚度一般为8.0~10.0m，夹有粉土或粉砂透镜体；在K206+650~K208+550段，淤泥质粉质黏土一般以2~3层的形式存在，表层存在薄层的粉土，第一层软土的埋深一般在1.0~6.0m，第二层软土埋深一般在10.0~15.0m；主要为粉土和粉质黏土呈互层状分布，粉土为褐黄色，稍密～中密；粉质黏土一般黄褐色，可塑～硬塑。表层粉土压实性较差。淤泥质粉质黏土推荐基本承载力容许值一般为80kPa，压缩模量为3.3MPa，具有承载力低，压缩性强特征。根据地质调绘结果及钻孔资料揭露，表层粉土层即为盐渍土，含盐量较大，但一般不会发生盐胀危害，路基部分应注意毛细水的影响，总体工程地质条件较差，软土层分布可能造成路基较大沉降，且压缩性大，地基应进行适当处理，由于盐渍土的存在，对钢筋混凝土存在弱~中等腐蚀性。（6）第六段：陡河冲洪积低平地（K209+230～K219+330，长10100m）该段淤泥质粉质黏土一般以2~3层的形式存在，表层存在薄层的粉土，第一层软土的埋深一般在1.0~7.0m，第二层软土埋深一般在9.0~14.5m；主要为粉土和粉质黏土呈互层状分布，粉土为褐黄色，稍密～中密；粉质黏土一般黄褐色，可塑～硬塑。淤泥质粉质黏土推荐基本承载力容许值一般为80kPa，压缩模量为3.5MPa，压缩系数0.55Mpa-1，具有承载力低，压缩性强特征。根据地质调绘结果及钻孔资料揭露，表层即为盐渍土，含盐量较大，但一般不会发生盐胀危害，路基应注意毛细水的影响，总体工程地质条件较差，软土层分布可能造成路基较大沉降，且压缩性大，地基应进行适当处理，由于盐渍土的存在，对钢筋混凝土存在中等腐蚀性。（7）第七段：丰南沿海工业区低平地盐渍土路段（K219+330～K222+966.089，长3636.089m）该段淤泥质粉质黏土一般以2~3层的形式存在，表层存在薄层的粉土，第一层软土的埋深一般在1.0~5.0m，最大埋深为9.0m左右；第二层软土埋深一般在9.0~15.0m；主要为粉土和粉质黏土呈互层状分布，粉土为褐黄色，稍密～中密；粉质黏土一般黄褐色，可塑～硬塑。淤泥质粉质黏土推荐基本承载力容许值一般为80kPa，压缩模量为3.5MPa，压缩系数0.50Mpa-1，具有承载力低，压缩性强。根据地质调绘结果及钻孔资料揭露，表层即为盐渍土，含盐量较大，但一般不会发生盐胀危害，路基应注意毛细水的影响，总体工程地质条件较差，软土层分布可能造成路基较大沉降，且压缩性大，地基应进行适当处理，由于盐渍土的存在，对钢筋混凝土存在中等腐蚀性。-15- 路堤拓宽工程铆钉桩复合地基性能的研究（8）第八段：汉沽管理区低平地盐渍土路段（HK0+000～HK7+345.257，长7345.257m）该段淤泥质粉质黏土一般以2~3层的形式存在，表层存在薄层的粉土，第一层软土的埋深一般在1.0~10.0m；第二层软土埋深一般在11.0~14.0m；主要为粉土和粉质黏土呈互层状分布，粉土为褐黄色，稍密～中密；粉质黏土一般黄褐色，可塑～硬塑。淤泥质粉质黏土推荐基本承载力容许值一般为80kPa，压缩模量为3.5MPa，压缩系数0.50Mpa-1，具有承载力低，压缩性强特征。根据地质调绘结果及钻孔资料揭露，表层即为盐渍土，含盐量较大，但一般不会发生盐胀危害，路基应注意毛细水的影响，总体工程地质条件较差，软土层分布可能造成路基较大沉降，且压缩性大，地基应进行适当处理，由于盐渍土的存在，对钢筋混凝土存在中等腐蚀性。2.3.3水文地质条件项目区地处滨海平原咸水分布区，咸水底板埋深60～160m左右，冲积物由海陆相交而沉积形成的粉土、粉质黏土、淤泥质黏土、细砂等组成，属于滨海冲积海积低平原水文地质区。根据地下水赋存条件的不同，项目区及附近地下水可划分为第四系松散岩类孔隙浅水层及深层承压水。（1）浅层水含水层岩性主要为粉砂及细砂，沉积时代相当于第四纪全新世（Q4）及晚更新世（Q3）上段，水位埋深0.6～3.5m左右，浅层地下水均为咸水，水质类型Cl-Na型，矿化度大于7.7g/L，属潜水及微承压水，咸水层底板埋深60～80m左右，本层未开采。补给来源主要是大气降水和地表水体入渗，蒸发为浅层地下水的主要排泄方式。水位受海水湖汐作用影响，年变化幅度较小，为0.5～1.5m。单位涌水量10～30m3/h.m，含水层颗粒较细，地下水径流缓慢，地下水流向由西北向东南。（2）深层承压水含水层岩性主要为粉细砂及中砂，沉积时代为第四纪晚更新世下段及中更新世，埋藏深度160～560m，含水层厚度120～180m，水位埋深25.0～50.0m左右，主要接受侧向径流及越流补给，人工开采时本区地下水主要排泄方式。地下水水位年变化幅度6.0～12.0m，水化学类型为HCO3-Na型，矿化度小于0.5g/L。单位涌水量10～30m3/h.m，受唐海和曹庄子开采漏斗影响，本区深层地下水水位呈下降趋势，年下降速率0.5m左右。-16- 河北工业大学硕士学位论文2.4铆钉桩试验段软土地区土层室内试验本工程为路堤加宽工程，存在新老路基的土体参数不同，但其路线都存在厚的软质粘土，并且夹有砂层，其中在K202+265—K202+475，其工程土层性质主要特征是：天然含水量高，孔隙比大，压缩性高，强度低，渗透系数小。路线穿越区全线分布有冲洪积成因的软土、软弱土，厚度不等，天然含水量为24~32%，粘土层液性指数为0.41~0.76。通过试验段地质勘查和钻孔取原状土样进行室内土工试验，得出土层物理和力学参数，经过土层简化整理老路基参数如表2.1，新路基参数发表2.2，在取样过过程中，其施工图如图2.1。图2.1现场取土样施工图-17- 路堤拓宽工程铆钉桩复合地基性能的研究表2.1老路基土层参数土层含水率重度密度干密度饱和度孔隙度土层比重孔隙比深度ωγρρdSrn编号Ge（m）%kN/m3g/cm3g/cm3%10~318.818.31.831.412.7072.50.370.7823~928.519.51.941.492.72960.380.8039~1429.3619.51.951.492.72950.380.81415~2227.8420.02.011.612.71970.350.74液塑性固结试验土层土层液限塑限液性塑性指深度先期固结压力编号ωω指数数（m）LppII%%Lp10~332.2817.4012.030.3523~935.3221.7213.600.49179.9239~1436.3422.1414.200.51160.84414~2238.4025.5612.820.32151.16抗剪强度抗剪强度土层（UU)土层（CD）深度编号（m）粘聚力C内摩擦角Φ粘聚力C内摩擦角ΦkPa度kPa度10~312.4222.239.652923~915.2018.279.221.5139~1418.1810.076.6528.95414~2219.1513.1014.720.99-18- 河北工业大学硕士学位论文表2.2新路基土层参数土层含水率重度密度干密度饱和度孔隙度土层比重孔隙比深度ωγρρdSrn编号Ge（m）%kN/m3g/cm3g/cm3%10~320.0818.61.851.412.70750.370.8223~930.9719.01.911.402.72920.420.9039~1426.5219.71.951.552.72930.380.78415~2226.5819.71.981.512.71970.380.79液塑性固结试验土层土层液限塑限液性深度塑性指数先期固结压力编号ωω指数（m）LpIpp%%IL10~332.2817.4012.030.415142.3523~934.6423.1911.470.68154.8439~1433.4520.9512.480.45168.25414~2235.0822.0515.080.42148.50抗剪强度抗剪强度土层（UU)（CD）土层深度编号（m）粘聚力C内摩擦角Φ粘聚力C内摩擦角ΦkPa度kPa度10~312.4222.2310.2321.4523~915.9412.919.8522.1639~1412.8210.957.4829.38414~2223.6015.0913.7126.26从表2.1和表2.1对比可知，经过多年固结的土层，其参数发生了很大的变化，其孔隙比减小了4.86%，先期固结压力增大了2.82%，抗剪试验表明，地基表面以下14m内的粘聚力减小了7.47%，土体含水率、密度变化不大。2.5铆钉桩试验区软土路基加固及沉降监测方案2.5.1铆钉桩试验区软土路基加固方案本文试验段路基拓宽工程采用交通部颁发的标准《公路工程技术标准》[40]（JTG-19- 路堤拓宽工程铆钉桩复合地基性能的研究B01-2003）中一级公路路基横断面几何尺寸的规定以及本工程项目初步设计尺寸，此工程设计为一级公路，如图2.2，标准四车道，设计车辆速度80km/h。路基宽度为24.5m，中间为绿化分隔带，宽2.0m，左右两侧路缘带宽0.5m，其中行车道宽2×3.75m，硬路肩宽为2.50m，土路肩宽为0.75m，基本路堤如图2-1。在设计边坡坡率时采用的是：当路基填土高度小于等于6m时，边坡坡率采用1:1.5；路基填土高度大于6m时，其中上部6m边坡坡率采用1:1.5，而6m以下的部位边坡坡率采用1:1.75。边坡放坡采用折线放坡型式。图2.2路面总设计从曹妃甸沿海公路土质情况来看，属于沿海软土地质，含水量较大，孔隙比大，压缩性高，抗剪能力差，固结慢等特点。根据以上情况，为达到工程质量要求，减小新老路基沉降差，避免路面开裂，结合当地实际情况，在附加填土较高的试验段采用带帽的铆钉桩复合地基处理软土路基。在新拓宽路基方案如下图2.3、图2.4、图2.5：采用高强度混凝土管桩，桩径为50cm，壁厚为6cm，桩帽尺寸为100cm×100cm，桩帽厚度为25cm,混凝土管桩的桩壁采用C80的混凝土，管桩按梅花型布置，由基准线往外布置到新建路基的坡脚线，管桩中心间距2.4m，混凝土管桩桩尖伸入持力层不少于50cm，桩长为16m，采用两截式拼接而成，每节桩长为8m；桩顶上面铺设40cm厚度的砂石垫层，砂石顶部铺设土工格栅。图2.3曹妃甸沿海公路铆钉桩试验段复合地基处理方案-20- 河北工业大学硕士学位论文图2.4曹妃甸沿海公路铆钉桩试验段布桩方式图2.5铆钉桩试验段施工过程2.5.2铆钉桩试验区软土路基沉降监测方案在曹妃甸沿海公路铆钉桩试验段选取三个断面，埋设沉降管，在路堤填筑过程中定期测试基整个断面的沉降。其施工图如图2.6：图2.6曹妃甸沿海公路新路基沉降测试图沉降监测从2014年12月27日开始，至2015年9月6日止，试验一共观测了10-21- 路堤拓宽工程铆钉桩复合地基性能的研究次，全试验段共300米，设三个监测断面。2.6本章小结本文介绍了论文的工程背景，对曹妃甸沿海公路改扩建工程特点、地质土层资料做了详细的介绍。1、曹妃甸沿海公路工程分为8个区域段，大部分位于软土地区，主要是淤泥质土和粉质粘土，而且现场施工场地小，原道路还在运营，施工期间只能半幅施工半幅通行。2、针对铆钉桩复合地基试验段软土，对其地层进行钻孔取样，进行室内土工试验，得到土层地质资料。从地质资料中可以知道，老路基土层由于固结时间长，其孔隙比减小4.86%，先期固结压力有了明显的提升，提高了2.82%。-22- 河北工业大学硕士学位论文第三章拓宽软土路基的ABAQUS数值模拟3.1概述许多存于工程技术领域中的工程力学问题、应力场和位移场问题，它们大多可以归纳成这样的形式：在给定边界条件下解出其控制议程的问题。一般情况下，工程问题都能从实际简化中得到基本方程和相应的边界条件，但是其中只有少部分问题性质比较简单，而且边界比较规则，能够用数学解析法去解答的。然而在现实结构中，可能受分析体形状比较复杂或者地质条件比较繁琐，按正常的解析法是很难去得到答案的。对于这样的问题，目前一般采取下列两种方法：一是将复杂的问题简单化，采用假设，使其条件充分，能够用解析法正常来解答，然后得到一个比较接近的近似解。这种方法虽然简单，但很难与实际工程情况相吻合，误差较大。二是运用数值模拟技术，现代科学技术发展迅速，运用计算机进行模拟计算，建立反映实际工程问题或者物理问题的本质模型，再运用高效率和更加精确的计算方法来解答，得到一个相对来说满足工程要求的近似解[41-42]。数值模拟技术推动了现代工程仿真学的形成与发展。在土木工程行业的运用中，主要有有限元法，离散元法，边界元法等。正是由于有限元在土木工程中发展，在很多方面都有了比较好应用范例，所以本文采用的有限元法模拟计算新老路基的沉降变形。3.2ABAQUS简单介绍及应用现状3.2.1ABAQUS简介ABAQUS是由世界著名的有限元分析软件公司ABAQUS公司（原名HKS公司，2005年被法国达索公司收购，两年后更名为SIMULIA公司）在1978年推出的一款工程分析软件。它既可以完成单一的弹性单元有限元分析，也可以模拟规模庞大且繁琐的工程，解决其中比较复杂的非线性问题。ABAQUS包涵一个丰富的、可建立任意几何规则的单元库。并拥有多种多样的材料模型库，可以从中选取模型来模拟典型实际工程材料的力学性能，其中有代表性的金属材料、橡胶、新型高分子材料、复合材料、钢筋混凝土、化学泡沫材料以及土层地质材料、木材和岩石等地质材料[43]。-23- 路堤拓宽工程铆钉桩复合地基性能的研究ABAQUS不仅在静态和准态的分析、爆炸分析、断裂力学分析、疲劳特性和耐久性能分析等结构和热分析方面可行，而且能够分析流固耦合、压电和热固耦合、质量动量等。ABAQUS在应用方面非常广泛，比如机械工程、土木工程、水利水电、航天航空技术、船舶航海、电器、车辆工程等多个工程领域。而且，ABAQUS操作相对简便，对于建立复杂繁琐力学问题的模型具有一定的优势，在很多工程情况下的数值模拟，用户只需简单地提供分析体结构的几何尺寸、边界条件、材料性质、受力情况等工程数据。在分析非线性工程问题的时候，ABAQUS会自动选择恰当的分析步增量、荷载大小和收敛准则，在模拟分析过程中可以通过修改这些参数，以保证结果的准确性。3.2.2ABAQUS软土地基模拟的应用现状在国外，20世纪50年代末到60年代初，美国Hibbitt（即现在的SIMULIA）、Karlsson等公司吸取了最新的计算机技术，结合最新的各领域的理论，投资大量人力物力进行有限元分析软件ABAQUS的开发与应用，再加上经过二十多年的改进与完善，在国外ABAQUS软件已经被应用到广泛的领域，并且拥有世界上巨大的用于非线性力学分析用户群。近些年来，我国的ABAQUS用户也迅速增长，已经在各个行业得到全面的应用，其功能模块如图3.1。在土木工程中，ABAQUS拥有提供表现土体特性的本构模型，能够有效地模拟土体应力和孔压的改变，而且能够全面的处理一些接触分析，能够较准确地模拟土与其它结构之间的各种关系，比如脱开、滑移、挤压等。而且在一些特定的基坑开挖和填土中，可以较灵活、正确地表达其初始应力场和位移场，对岩土工程问题具有很强的适应性，主要体现在下面几个方面。1.ABAQUS拥有能够准确地反映土体力学性状的本构模型，例如摩尔库仑模型、剑桥模型、Druker-Prager模型等，可以真实反应土体大部分应力应变的特点，比如土体的屈服特性、剪胀特性等，其中修正剑桥模型是其它数值模拟软件都没有提供的，另外，还可以对ABAQUS进行二次开发，运用子程序，灵活定义变动的材料性质。2.土体是典型三相体的代表，国内外研究人员大多数认为土体的有效应力决定土体强度，而在计算土体有效应力方面，ABAQUS软件包括的孔压单元，能够分析饱和土和非饱和土的渗流特性以及土体固结，达到土体分析的要求。3.在加固软土地基工程中，加固体与土体经常会发生相互作用，而在ABAQUS软件中，可以利用设置接触对、定义接触条件，正确地模拟其工程接触特性，使其更准确地分析其受力情况。4.在数值模拟中，边界条件是不可以缺少的模拟因素，ABAQUS能够利用单元生死功能处理复杂边界、载荷条件的情况，特别是在模拟土体开挖和填土压实造成的-24- 河北工业大学硕士学位论文边界条件变化，并且在一定程度上还能采用无限元来模拟地基无穷远的边界条件。图3.1ABAQUS功能模块3.3单元库及本构模型的选择3.3.1单元库的选择ABAQUS有着丰富的单元库，根据其几何类型不同，可以分为八大类：立体单元、壳单元、梁单元、刚体单元、膜单元、无限单元、杆单元和一些特殊目的的单元，比如弹簧、粘壶、质量。而在岩工程中，一般都采用的是实体单元、杆单元、梁单元、孔压单元、无限元单元、管土相互作用单元。在本工程模拟中，采用实体单元的二维单元库，二维单元库的几何形状绝大部分是四边形或者三角形，也可以是一阶插值或者二阶插值，但必须在其平面内定义。根据处理的问题的不同，ABAQUS对路基模拟提供了如下几种二维单元：1)平面应变单元：假定ε=0；可以用来模拟长度方向比截面尽寸大很多的问33题，如路堤、挡土墙等。2)平面应力单元：假定σ=0。333)无扭曲的轴对称单元：这类单元适合于用来分析受轴对称载荷作用，又具有-25- 路堤拓宽工程铆钉桩复合地基性能的研究轴对称几何形状的结构，如单桩在竖直载荷作用下的性状研究等。3.3.2本构模型的选择由于土体的应力和应变的关系是多变的，通常具有弹塑性、剪胀性、非线性、各向同异性等。从研究土体开始，各国的学者们就努力尝试用一种全面的模型来诠释土的特性，但到现在为止，没有任何一个学者所提出的本构模型能够全面地、准确地表示出在任何荷载条件下，各种土体的力学性能，一般只能模拟在某一种特定的加载条件下土体的一些主要工程特性。而且在另一方面，土体参数的一些取舍对本构影响比较大，例如一个理论上比较完备的本构模型，由于土体材料参数的一些计算或者选取不当，模拟出来的结果可能达不到与实际相符合的程度，甚至得到相反的结论，而建立一些简单可靠的工程模型，因为其材料参数容易确定，边界条件简单，所以其模拟计算的结果可能更符合实际工程常理。因此，在选择模拟土体的本构模型时，通常要将精确性和可靠性都考虑在内，在他们之间找一个相对比较好的平衡点。以本论文所依托的曹妃甸沿海改扩建试验段为例，所用到的桩体刚性大，其变形小，采用线弹性模型；而路基上的土体都弹塑性材料特性，又是以控制路基沉降为主，采用摩尔库仑模型较为恰当。3.4拓宽路基模拟基本理论3.4.1线弹性模型线弹性模型由广义胡克定律推广而来，主要包括表现各向同性的弹性模型、各向异性模型和正交各向异性模型。在曹妃甸沿海公路试验段中，桩体所受应力应变为四周受力和挤压，采用各向同性弹性模型来模拟。各向同性弹性模型为线弹性模型中最简单的，其应力—应变关系表达式为：1−−νν000EEEσ11ε11−−νν1000σεEEE2222−−ννσ100033ε33EEE=σγ00010012（3.1）12Gσ13γ13000010σγG2323σ00000123G其中公式所涉及到的参数有两个，即弹性模型E和泊松比ν，而其中的剪切-26- 河北工业大学硕士学位论文模理可以用这两个参数表示：EG=（3.2）2(1+ν)3.4.2Mohr-Coulomb模型Mohr-Coulomb理论是Mohr在库仑定律的基础上，提出材料破坏是剪切破坏基础的理论，以材料破坏为破坏标准，而在ABAQUS中，适用于在单调荷载下的颗粒材料。1、模型特性（1）模拟服从摩尔库仑准则的材料。（2）允许材料进行各向同性变形。（3）在ABAQUS中，在运用Mohr-Coulomb模型时需要联合使用线弹性模型。（4）由于Mohr-Coulomb模型采用了非关联流动法则，因此必须采用非对称求解器。（5）Mohr-Coulomb模型没有考虑相关性。2、屈服准则摩尔库仑屈服准则假定：存在于材料中的某一个点所受到的剪应力大小在达到这个点的抗剪强度时，材料该点开始发生破坏，剪切强度与存在于该面的正应力表现出线性关系。摩尔库仑模型以材料刚好破坏状态下的应力莫尔圆为基础提出的，与莫尔圆相切的线就是该材料的破坏线。其强度准则为τσ=−ctan(3.3)φ其中：τ为剪切强度，σ为正应力，c材料的粘聚力，φ为材料的内摩擦角。-27- 路堤拓宽工程铆钉桩复合地基性能的研究图3.2Mohr-Coulomb破坏模型σσ−13式中：s=，为最大主应力和最小主应力的差值的一半，即最大剪应2力；σσ+13σ=，为最大主应力和最小主应力相加之后的一半；m2φ为摩擦角。从摩尔圆中可以得知：τ=scos(3.4)ϕσσσ=+sin(3.5)ϕm将τ和σw代入Mohr-Coulomb准则公式中：sc+−=σsinφφcos0(3.6)m由上式公式可知，Mohr-Coulomb模型假定偏应力与压应力之间呈线性关系，因此，该模型的线性关系与Drucker-Prager模型线性有一定的匹配度，但是与其不同的是，在Mohr-Coulomb屈服准则的假定条件中，材料的破坏和中主应力是没有关系的，而在一般的岩土材料在发生破坏时通常都会受到中主应力的影响，但是其影响作用不大，因此，对于大多数岩土材料模拟中，Mohr-Coulomb准则已经能够保证其工程精确度。其在π平面上的模型图形为等边的六边形，但其内角大小不一，且屈服面上存在尖角，不同于Drucker-Prager模型的圆形和Tresca模型的正六边形，如图3.3所示。-28- 河北工业大学硕士学位论文图3.3在π平面上屈服面在ABAQUS中，用来模拟计算本构模型的是Mohr-Coulomb扩展模型，但其屈服面依旧服从的是Mohr-Coulomb屈服函数，但是扩展模型屈服面不存在尖角，采取了连续光滑的椭圆函数作为塑性势面，以避免其塑性流动方向在尖角处不是唯一的[44]。3.4.3复合地基荷载传递理论在传统静载试验中，当桩顶慢慢受到竖向的荷载时，混凝土桩体受到向下的应力产生压缩变形，如果土体未受到竖向应力，相对于土来说，其桩体就发生的向下的位移，由于桩土之间存在摩擦，土体就会产生一个对桩向上的阻力（称为正摩阻力），以阻挡桩体向下继续变形，此时桩顶所受的荷载因为土体对桩身的摩阻力，其传递就转向土体一部分，因此桩身轴力和其压缩量随着桩深的增加而减小。如果此时桩顶上部所受荷载不大时，桩身的压缩变形就只会发生在桩的上部，而桩身上部所对应的土体的正摩阻力慢慢得到充分发挥。当桩顶荷载还在慢慢增加，桩身本身压缩变形变大，其桩体和土相对位移量随之增大，桩身下部分对应的土层对桩的正摩阻力慢慢发挥出来。继续增大桩顶荷载到一定程度时，桩身和相对应土体相对位移量超过桩土极限位移后，桩身上部对应的土体的摩阻力达到了最大值，桩土之间出现滑移，此时桩上部对应的土体的抗剪强度从最大值跌落为残余强度，桩身下部轴力变大，所对应用的土体摩阻力也逐渐增大，桩端阻力随之增大。在荷载继续增加时，上部荷载慢慢地由桩-29- 路堤拓宽工程铆钉桩复合地基性能的研究端阻力来承担。当桩顶所受荷载充分大时，桩端土体发生破坏，桩顶急剧下沉，此时桩已经发生破坏。而在软土地区的桩土复合地基中，其基本作用机理是桩、土共同分担上部荷载，即上部荷载通过桩体界面（包括桩身侧面和桩端底面）和桩间土界面两条路径传送给更深层的持力层，以达到减小复合地基沉降的效果，研究表明：带帽桩桩—土共同作用有如下一些特点。1）桩身刚性越大，承受的上部荷载比重随之增大，其桩土应力比越大；2）刚性桩帽迫使桩同步下沉，桩体的受力和刚性基础底面接触压力的分布形式一样，桩帽外边缘承受的的弯距较大；3）桩—土共同作用还应该考虑时间因素（例如固结、蠕变等）的问题。3.4.4复合地基荷载传递机理的影响因素影响复合地基的荷载传递机理的因素主要包括下面几个方面：基础填土的拱效应、刚性垫层效应、桩土模量不同产生的不同沉降差效应、土工格珊的“拉膜效应”等。1）基础填土的拱效应在桩土复合地基的荷载作用下，由于桩和土的弹性模量有较大的差异，桩间土的沉降要比桩顶的沉降要大，在桩间土上部分的填土相比较于桩顶上的填土产生向下的趋势，从而，形成剪应力来阻止这种趋势产生的不均匀沉降，这样，在上部荷载的作用下，桩顶上部填土将要分担一部分来自原桩间土上部填土应当分担的荷载，这样，桩顶应力就有所增大，而桩间土上的应力就所减少，即填土中产生拱效应。当路堤荷载均匀地作用在桩土复合地基上，由于桩的弹性模量远远大于桩间土的弹性模量，这样在桩上形成的压缩量远远小于桩间土的压缩量，从而形成沉降差，进而在桩间土上部填土和桩顶上填土形成相对滑动面，但是在土体之间，本身就存在内摩擦力，这样，桩间土所受的一部分作用力就通过这拖力转移到桩顶上。这种现象慢慢地形成了种好像架在桥墩上的桥拱，形成土拱效应。在土拱效应的作用下，随着桩顶上填土的增加，桩顶所受的应力相较于桩间土越来越大，桩顶的压缩量也慢慢和桩间土的压缩量慢慢接近，一直到他们的差距等于零，从而形成统一大小的沉降面，叫做“等沉面”，在“等沉面”以上，其复合地基同层所受到的荷载和沉降都相等。2）基础填土的垫层效应在复合地基中，其它因素条件一定时，复合地基采用刚度较大的垫层如加筋垫层、灰土垫层，以增大桩土荷载分担比，使桩体更好地发挥作用，减小桩间土承担的荷载以及桩顶与桩间土的差异沉降，从而改善复合地基的工作性状。土工格栅与土的相互作用可归纳为三种。-30- 河北工业大学硕士学位论文a.格栅表面与土体产生摩擦力的作用。b.格栅孔与土体的嵌入产生的咬合作用。c.土体对格栅产生的被动土抗力作用。通过这三种作用，一方面能够充分地约束土颗粒的横向位移，很大程度上增加土体的稳定性；另一方面由于土体与格栅的相互作用力存在，使复合地基在有土工格栅后所拥有的抗拉拔能力与整体效果更加明显。3)桩土间差异沉降引起的荷载传递在复合地基均匀荷载下，桩间土沉降量大于桩顶的沉降量，使得在桩顶下一定深度范围内桩间土对桩体产生向下滑动的趋势，从而在桩侧产生负摩阻力，桩间土也将部分荷载转移到了桩体，直到某深度处桩体与土体位移相等处，此时桩桩侧摩阻力为零，此点称为“中性点”。而在软土地基中，桩土弹性模量相差距大，在桩间土的沉降与桩顶沉降差软大时，位于桩周的欠固结软黏土产生固结，在桩侧土对桩产生向下的拖拽，产生负摩阻力，负摩阻力将对桩产生一个下拽荷载，相当于在桩顶荷载之处，又附加一个分布于桩侧表面的荷载。负摩阻力作用的结果是使桩身轴力不在桩顶处最大，而在中性点最大。图3.4负摩阻力分析原理图4)土工格珊的“拉膜效应”在上部荷载作用下，加筯垫层发生弯曲，土工格珊变形后的形状近似于圆弧形，在路堤荷载作用下的复合地基，土工合成材料均化地基应力，减小桩土差异沉降，保证桩分担更多的路堤荷载等作用，随着土工格珊产生的一定的拉伸变形，土工格珊呈现“拉膜效应”，可能承受一定的法向荷载，一部分荷载通过土工格珊拉力的垂直分量传递到桩体上，减少了软土顶面沉降及传递到路堤顶面的不均匀沉降，“拉膜效应”在一定桩间距范围内，能够起到增大了桩土应力比的作用。-31- 路堤拓宽工程铆钉桩复合地基性能的研究3.5数值分析方法3.5.1假设条件根据曹妃甸沿海公路改扩建工程的新老路基的边界条件、材料的弹塑性和受力状态的非线性，本文采用大型分析软件ABAQUS进行对路基断面进行有限元数值模拟计算，在软件计算中，对工程做如下假设：此工程中铆钉桩试验段均为平面应变问题，且跟现场试验相对应，本文采取二维建模，选取一断面进行有限元分析，由于新路基相比较于老路基，存在铆钉桩形成的复合地基，不符合边界条件对称，本文采取提取整个横断面进行数值模拟，为达到消除边界效应，减小甚至消除由于模型范围过小而产生不合实际的应力集中现象，整个模型尺寸不宜过小，基于此，本文模型的土体结构在沿土体深度方向上延伸2.5倍。沿水平宽度方向延伸2倍，路基模型尺寸为：宽度×深度为162.5m×40m，拼接台阶为1.5m×1.0m，其基本尺寸如图3-5所示。图3.5模型基本几何参数1）新老路堤填土、地基土体均采用Mohr-Coulomb弹塑性非线性模型，铆钉桩及其桩帽均采用弹性模型。2）因考虑在现场土质地下水位比较浅，为地下0.5米左右，考虑其固结，其模型选用Biot固结模型理论。3）路堤填土、地基土层、砂垫层等均为各向均质材料。4）在数值模拟计算过程中首先建立平衡的初始地应力场，再逐步采用生死单元施加路堤填土荷载和路面附加荷载。-32- 河北工业大学硕士学位论文3.5.2计算模型及边界条件为了避免在实际工程中同层位的新、老路基土体的随机性，模型采取相对简化计算，在计算分析时将工程问题转化为平面应变问题，而在模型单元网格划分时选取ABAQUS中的受控有规则的四边形网格（Quad)。软土地基土体部分选用的是CPE4P四结点平面应变四边形单元，路基填土部分选用CPE4R四结点双线性平面应变减缩积分四边形单元，铆钉桩及桩帽部分采用CPS4R四结点双线性平面应力四边形单元。在设立边界条件时，分别模型约束结构左右的水平位移，使土体边界能竖向移动；底部边界为横向和竖向双向约束，无水平与垂直位移，对于其网格划分时，尽量细化网格，提高模型的精确度，同时考虑模型计算效率的问题，模型网格单元划分不宜过多。建好的模型如下。图3.6老路基模型图3.7路基拓宽台阶开挖后土体模型局部图3.8复合地基铆钉桩模型图3.9加载后拓宽复合地基模型-33- 路堤拓宽工程铆钉桩复合地基性能的研究图3.10拓宽路基模型网格3.5.3加载历程在老路基的改建扩展中，本文作者在现场试验选取断面高度为6米，更切实际地模拟曹妃甸沿海公路实际工程，由于老路已经运营了多达10年以上，为了达到模拟老路基的先期固结的效果，路基拓宽时的初始应力状态应该就是老路基改扩建前固结完成后的地基的应力状态，然后再考虑加宽路基的施工和工后运营。在新路基扩建前，老路基的固结已经基本稳定，变形可能已经非常小，而且老路基的排水板作用因为年久老化，其通水能力已经可以忽略不计，因此在模拟计算过程中，假定老路基排水板已经不起作用，其土体渗透系数与自然土相同。在新路基模拟计算中，为了模拟出施工过程中路堤填土的分层填筑，其加载方式是设计为逐级加载，每加载一次，然后进行固结，然后再加载，如表3.1本文利用ABAQUS中“modelchange，remove，type=element”命令，在开始分析时把新建的路堤单元杀死，然后把模型激活部分（老路基+地基）进行初始地应力的平衡，等平衡完之后再用“modelchange，add，type=element”将新路堤逐级进行加载，如图3.11。表3.1路堤填筑加载历程加载级施工（天）预压（天）老路堤填高6m1803600填高1m30填高2m30填高3m30新路堤填高4m30填高5m30填高6m30-34- 河北工业大学硕士学位论文图3.11加载历程图3.5.4路基变形分析由于自然固结，加上交通流量的荷载，原有道路路基已经运营多年，沉降已经基本完成，新老路基拼接处采用宽高1.5:1的台阶式拼接，但是路堤新填土和道路运营后路面荷载肯定会造成路基的附加变形，特别是竖向沉降，路基横断面不同位置的附加竖向沉降会引起新老路基拼接处的变形性能，在附加沉降达到一定程度的时候，导致路面出现纵向裂缝，影响行车以及行人安全。因此对路基变形的控制是路基拓宽工程中的重点部分。3.5.5桩空间问题简化为平面问题复合地基有限元分析一般可以分为两种情况[45]：第一种情况就是桩土分离分析方法，就是桩土分别用不同类型的单元来模拟，同时为了更好地模拟出桩和土之间的接触作用，可以用桩土接触单元来模拟工程实际接触，即用桩体单元、界面接触单元、土体单元三者来模拟桩土复合地基。在上部荷载作用下，桩土接触面上受挤压产生变形，一般不设置接触或者过渡区的模拟单元，即采用桩单元+桩附近土体单元来对复合地基进行模拟。桩土分离分析法的优势在于能分析桩土在上部荷载作用下应力的传递机理，能够表述桩土之间的相互作用。然而在使用大量桩体的复合地基，因为其整体自由度庞大而使其计算量太大，一般采取相对简化处理。第二情况就是复合本构分析法，这种方法是整个群桩复合地基加固区（加固体和土体）视为一个等效整体，先将桩土加固区利用桩和土的弹性模量计算出复合模量，建立整体本构方程，进行模拟计算。在计算中不必考虑桩体的存在，将其化为桩土加固区单元+原土体单元的计算模型进行计算。这种方法在单独划分单元有较大优势，而且计算工作量不大，但对于-35- 路堤拓宽工程铆钉桩复合地基性能的研究桩土复合地基加固区内在应力和应变无法分析，比如桩—土间的相互作用。本文考虑到要研究桩土复合地基的相互作用，同时尽量保持和实际工程的一致性，采取的是第一种分析方法，具体模拟桩—土分析作用。3.6ABAQUS模拟中桩土参数的确定因为此工程模拟是路基加宽，所以在曹妃甸沿海公路拓宽工程中存在新老路基的不同，在经过老路基的长时间运营后，其土体固结时间的不同，经现场打孔取样、室内试验，表3.2、表3.3、表3.4分别为桩体线弹性模型参数和新、老路基土层Mohr-Coulomb参数。表3.2线弹性模型参数材料名称弹性模量E（Mpa）泊松比u铆钉桩38000.2表3.3Mohr-Coulomb老路基模型参数土层名称厚度重度弹性模量泊松比粘聚力内摩擦角(m)（kNm3)（Mpa)uc(kPa)（ο）路堤填土619180.20840表层土3-120.3515.6529淤质粘土6-6.670.389.221.15淤质粘土5-12.20.389.1919.94夹砂层6-280.306.6528.95密实粘土20-11.070.3614.720.99表3.4Mohr-Coulomb新路基模型参数土层名称厚度重度弹性模量泊松比粘聚力内摩擦角(m)（KNm3)（Mpa)uc(kPa)（ο）路堤填土618.5180.2840表层土3-100.3515.6521.45淤质粘土6-5.320.389.1722.29淤质粘土5-9.860.389.5321.75夹砂层6-250.3615.4819.38密实粘土20-10.280.3613.7126.26-36- 河北工业大学硕士学位论文3.7本章小结本章简要地介绍了大型软件ABAQUS在土木工程的应用，阐述了在本文工程实例中，桩用线弹性模型模拟和土体用弹塑性模型模拟，分析土体模拟选取的本构模型—摩尔库仑模型，推导了其在ABAQUS中屈服面。通过现场采样以及室内土工试验，确定了其土体参数，根据现场实际工况，建立了模拟复合地基数值计算的ABAQUS本构模型。模型长宽为162.5m×40m，桩长16m，每个断面布置6根桩，按梅花桩型布置，路堤高6m。采取逐级加载，每级堆载填土高度不2m。-37- 路堤拓宽工程铆钉桩复合地基性能的研究-38- 河北工业大学硕士学位论文第四章有限元模拟结果分析铆钉桩复合地基技术是带帽的预应力管桩加固软土的一种置换措施，并在桩帽上铺设一层砂石垫层，使其上部荷载大部分由桩承担，桩帽之间土体承担一部分，达到桩—土体系共同作用。而其砂石垫层能够起到把上部荷载良好地分配到土体，垫层上的一层或者多层的土工格栅，能够将上部大部分荷载通过桩体传递到深层土体，从而减小路堤沉降和不均匀沉降，而且能在一定程度上限制路堤水平变形。4.1监测结果根据曹妃甸沿海公路路堤拓宽试验段监测数据，铆钉桩复合地基测试断面的断面距离—沉降曲线如图4.1、4.2所示。以老路基坡脚处为坐标原点，可以从图中看出，随着时间的增长，路堤填土高度的增加，其沉降也慢慢增大，一直到路堤填筑结束。沉降值在20.41mm-54.21mm之间。而且到沉降稳定后，其中间的沉降要大于两侧，远离路中心的沉降最小。图4.1监测断面图100-102015.12015.22015.3-202015.4/mm2015.5-302015.12沉降值-40-50-600510152025离老路基加宽段起点的距离/m图4.2各时间段测试横断面的沉降曲线-39- 路堤拓宽工程铆钉桩复合地基性能的研究4.2地基变形形状分析4.2.1初始地应力场分析1）初始地应力场作为岩土工程类结构有限元分析的重要初始条件，其应力场是影响岩土工程的重要因素。理想的初始地应力平衡要求在历史应力场形成后，地基土体的变形量为零，在做初始地应力场平衡时需要满足下面两个要求。2）平衡条件：外荷载要和初始应力场形成的等效节点荷载相平衡，假如不能满足这个平衡条件，得到的初始位移场将不能达到一个接近于零的状态，此时所得到的初始应力场也不再是工程实际的初始应力场。2）屈服条件：假如把通过高斯分析得到高斯点的应力状态直接施加到初始应力场，会经常发现在屈服面之外仍存在某些高斯点的情况。虽然这些在屈服面之外的应力会通过软件调整，在后面的模型计算步中转移调整回屈服面内，但这从理论上毕竟是行不通的。如果应力超出屈服面的高斯点较多时，其应力转移过程要经过软件多次迭代才能调整，甚至很有可能出现模型计算不收敛的情况。综合考虑上述两个条件，路基最平常采用平衡初始地应力方法是：在模型的第一步，只将施加土体重力荷载，以及跟工程实际情况相符合的边界条件，通过软件计算得到只有重力荷载条件下的应力场，下一步把得到的应力场作为初始应力场，在荷载步上加上重力荷载，共同作用于已建好完整的有限元模型，由此可以达到建立一个满足平衡条件和屈服条件的初始应力场，可以保证各节点的初始位移近似于零。图4.3、4.4为本文试验段数值模型地应力平衡后的初始位移场与初始应力场，从图中可以看出，经过地应力平衡后，地基土体保留了其历史应力，土体应力呈层状分布，最大竖向应力为38KPa，且竖向位移很小，最大达到10-5m，基本能够满足此次分析所需的计算要求。图4.3初始地应力地基竖向位移场-40- 河北工业大学硕士学位论文图4.4初始地应力地基竖向应力场4.2.2沉降变形分析软土地基在打入铆钉桩后，进行路堤加载，路基表面发生沉降，图4.5、4.6为路基加宽后，地基沉降随路堤填高的变化曲线，从图中可以看出，从路基填土开始，到路基施工完成，整个路基沉降趋势不变，一直增大，另一方面，不仅在加宽路基的新路基产生沉降，而且在老路基也发生了一定的沉降。随着路堤填土的填筑，可以看出其最大沉降位置逐渐向老路基靠近。图4.5路基断面图横断面位置/m-30-20-100102030400.00-0.02填土高1m填土高2m填土高3m/m-0.04填土高4m沉降填土高5m填土高6m-0.06-0.08-41- 路堤拓宽工程铆钉桩复合地基性能的研究图4.6地基表面沉降随便填筑高度曲线拓宽路基表面土体沉降模拟值和现场监测值对比曲线如图4.7所示，数值模拟的最大沉降值为73.24mm，而施工现场测试的最大沉降值为54.21mm，软件模拟计算沉降量与现场监测值存在一定程度的偏差，ABAQUS模拟值较现场监测值略大，但两者的对比曲线发展趋势是一致的，因为在软件模拟分析中，每一层土的填筑和固结在理论的基础上得到了充分的固结，沉降值较大；而且受地层厚度不均匀性和土层实验参数的精确度所影响，实际施工过程与计算的加载过程也不可能完全一样，因此这些因素也使数值模拟计算值与实际监测值存在一定误差。但是从曲线的发展趋势上看，数值模拟还是能很好地体现铆钉桩复合路基拓宽的实际工况。离老路基右边坡脚距离/m005101520-20模拟数据监测数据/mm-40沉降-60-80图4.7模拟值与现场监测值对比曲线在桩土复合地基中，在荷载的作用下，桩和桩间土都发生沉降，但从图4.8可以看出，铆钉桩复合地基在地表位置，桩顶的沉降量与桩间土顶面之间的沉降量不相等，桩顶沉降量要小于桩间土体沉降量，两者之差与填筑的荷载大小成正比，就是随着路堤的筑高，桩体本身发生的向上“刺入”越明显，而桩体本身主要起传递荷载的作用。-42- 河北工业大学硕士学位论文荷载/KN00100200300桩间土沉降曲线桩沉降曲线-20/mm-40沉降-60-80图4.8桩、土随路堤填筑高度沉降曲线对比以老路基的坡脚处、新路基的中点和坡脚处为监测点，从图4.9、4.10可以看出，复合地基土层的沉降变形主要发生在地基上层和桩端以下的土体内，主要是因为上层土体直接受到上部荷载，而桩主要起了荷载传递作用，其桩间土的沉降变形比较小。图4.9监测点位置图土层沉降/m0.000-0.002-0.004-0.006-0.008-0.010-0.012-0.0140510老路基右边坡脚处15新路基中间处新路基右边坡脚处/m20深度25303540图4.10土层随深度竖向变形曲线-43- 路堤拓宽工程铆钉桩复合地基性能的研究4.3复合地基荷载传递分析4.3.1桩土应力比分析复合地基中横断面不同位置的桩顶处和桩间土顶端的桩土应力比与荷载的关系曲线如图4.11所示，本文作者把离老路基由近到远的桩依次定义桩1到桩6，由图可知,离老路基越近的桩桩土应力比越大，由于越靠近路基拓宽台阶的单桩，其所受的荷载要大于远离台阶处桩所受的荷载，所以在复合地基中，上部荷载越大，其桩土应力比越大，其向上刺入地越明显。6.56.05.5桩15.0桩24.5桩34.0桩4桩53.5桩63.0应力比2.52.01.51.00.50.00100200300荷载/kN图4.11横断面不同位置的桩土应力比4.3.2桩身轴力分析复合地基横断面的桩身轴力如图4.12所示，带帽桩与不带帽桩桩身所受的轴力由于桩侧摩阻力的作用，大体趋势随深度的增加而减小；在相同的路堤荷载下，带帽桩桩身轴力要大于不带帽桩的桩身轴力，其桩身轴力得到充分发挥。从图中可知，带帽桩都不带帽桩有一个共同的特点：即桩身轴力最大处所在桩的位置，与室内单桩试验不同的是，单桩复合地基桩身轴力的峰值发生在桩顶部，而群桩复合地基桩身最大应力发生桩顶下面10倍桩径处（5m处左右），桩身轴力随深度增加是表现出一个先增加后减小的趋势，原因是在群桩复合地基中，新路基原为软土地层，土层属于一个欠固结状态，受到上部荷载时，在桩身上部分5米左右附近的土体压缩较大，对桩产生负摩阻力，从而桩身轴力最大处不在桩顶面处。从选取横断面左、中、右三根桩为代表，分别为桩、桩、桩，可以看出，无论是带帽桩还是不带帽桩，由于离老路-44- 河北工业大学硕士学位论文基的桩所受的上部荷载最大，其桩身轴力也最大，而最靠近新路基坡脚处的桩的桩身轴力最小。轴力/kN轴力/kN0-20-40-60-80-100-120-140-160-180-2000-20-40-60-80-100-120-140-160-180-20000224440KN40KN80KN680KN6120KN120KN160KN8160KN8/m/m200KN200KN240KN深度10240KN深度10121214141616(a)不带帽桩桩轴力(b)不带帽桩桩轴力轴力/kN轴力/kN0-20-40-60-80-100-120-140-160-180-2000-50-100-150-200-250-30000224440KN80KN6640KN120KN160KN80KN88120KN/m200KN/m240KN160KN深度10深度10200KN240KN121214141616(c)不带帽桩桩轴力(d)带帽桩桩轴力轴力/kN轴力/kN0-50-100-150-200-250-3000-50-100-150-200-250-300002244640KN640KN80KN80KN8120KN8120KN/m/m160KN160KN深度10200KN深度10200KN240KN240KN121214141616(e)带帽桩桩轴力(f)带帽桩桩轴力图4.12桩身轴力在不同深度曲线图4.3.3桩身外侧摩阻力分析桩侧摩阻力随路堤填土高度变化如图4.13。由图4.13可知，路堤下复合地基桩侧摩阻力有中性点的存在，即正负摩阻力相交点，随着堆载的增加，其正负摩阻力都增加，中性点的位置也稍微的往下移，但其位置一直在桩身的5米处左右，这是因为在产生负摩阻力时，桩身周围的土体对桩产生的竖向应力是向下的，同时，桩侧的正摩-45- 路堤拓宽工程铆钉桩复合地基性能的研究阻力也与堆土的高度成正比。在桩侧的正摩阻力区间，摩阻力大小一直随着桩深是增加的，但最大值不在桩端处，而是在桩端上面附近的位置，因为桩端的土体变形近似一致，其摩阻力减小。桩侧摩阻力/kpa-10-505101520253002填土高度1m4填土高度2m6填土高度3m填土高度4m/m8填土高度5m填土高度6m10桩体深度12141618图4.13桩侧摩阻力随荷载增加曲线图4.3.4复合路基的附加应力变形分析图4.14可知，当路基填土到6米后，路基土体内应力产生不同的变化，路基顶部由于桩体的存在，比较杂乱，路基底部比较缓和，且其应力比较大，呈小山峰的形状。从图4.15中可以看出，随着上部荷载的往下传递，其荷载大小慢慢向两边扩散。图4.14路基Mises应力云图-46- 河北工业大学硕士学位论文路基断面位置-20020400-20/kpa-403m深土体竖向应力14m深-60图4.15横断面土层竖向应力图4.3.5附加竖向沉降和水平位移分析图4.16为路基竖向位移变形云图，从图中可知，由于新老路基不同步的竖向沉降变形，而且新路基填土作为附加荷载，给老路基以附加竖向应力，使其最大竖向沉降位移不在新路基中央处，而在新老路基交合处附近。图4.17为路基水平位移变形云图，可以看出，铆钉桩是挤入桩，桩的底部土由于受到压缩，使得桩端下面的土体有明显的向侧向挤压的趋势，也可以表明采用铆钉桩复合地基加固方案可以达到减沉的目的。图4.16路基竖向位移变形云图-47- 路堤拓宽工程铆钉桩复合地基性能的研究图4.17路基水平位移变形云图4.4桩帽的影响分析4.4.1有无桩帽的影响分析图4.18是在其它条件相同的情况下，复合地基工期完工后有无桩帽的路基表面竖向沉降位移对比图，从图中可以看出，有桩帽的复合地基表面沉降位移远小于无桩帽的复合地基表面沉降位移，说明在复合地基拓宽工程中减小新老路基的沉降方面，桩帽作用还是比较明显的，有利于达到“减沉”的效果，主要原因是一方面桩帽有一定的刚度，能够承受部分荷载，另一方面，桩帽有扩散应力的作用，使路基受力较均匀。离老路基左边坡脚的距离/m0102030400.00-0.05/m-0.10-0.15竖向沉降位移无桩帽有桩帽-0.20-0.25图4.18施工完成后地基表面竖向沉降位移-48- 河北工业大学硕士学位论文4.4.2桩帽大小的影响分析图4.19是现场工程完工后复合地基表面竖向沉降位移，由图可知在桩帽边长为1米以下，随着桩帽边长的减小，其路基表面施工完成后的竖向沉降位移呈快速增大的趋势，其中在桩帽边长为0.8m时这种趋势尤其明显，已经接近于无桩帽的情况。而在桩帽边长大小于1.0m后，其竖向沉降位移变化不大，其“减沉”改善效果并不明显，而增加桩帽的边长，不仅增加了桩帽边缘的最大弯距，加大了使用成本，而且没有充分利用桩间土体的荷载传递，将绝大部分荷载传递给桩体本身，而忽略了桩间土的承载作用。路基宽度/m0.000102030-0.05-0.10/m-0.15竖向沉降桩帽边长为0.8m桩帽边长为0.9m-0.20桩帽边长为1.0m桩帽边长为1.1m-0.25图4.19施工完成后表面竖向沉降位移4.5填土高度的影响分析在公路工程中，由于地势不同，不同路段的路基填土高度是有区别的。在拓宽工程中，路基填土越高，其稳定性越差，而且容易造成不均匀沉降以及大水平位移，因此，研究路基拓宽工程中，不同填土高度对路基沉降的影响分析是有必要的。在此模拟分析中，选取相同模型，其它各因数也都相同，取可变因子路堤填土高度为2m、4m、6m。分别计算施工完成后拓宽工程路基表面沉降和新路堤坡脚的水平位移。如图4.20、4.21所示，从图中4.20可以看出，拓宽路基的沉降与路基填土的趋势一样，随之增大，且路基填土高度越小，复合路基表面沉降曲线越平缓。-49- 路堤拓宽工程铆钉桩复合地基性能的研究离老路基左边坡脚的距离/m0102030400.00-0.01-0.02-0.03-0.04/m-0.05沉降-0.06-0.07-0.08填土高2m填土高4m-0.09填土高6m-0.10图4.20拓宽路基表面沉降水平位移/m0.0000.0050.0100.0150.0200.0250.030010填土高2m填土高4m填土高6m/m20深度3040图4.21新路基坡脚处水平位移图4.21为新路基坡脚处在填土高度分别为2m、4m、6m时，不同深度的土体的水平位移，从图中可以看出，随着填土高度的增加，其也增加了新路基坡脚的水平位移，由于最大的水平位移在路基表面处，过大填土的高度会导致过大的水平位移，导致路堤的稳定性下降。4.6本章小结本章对铆钉桩复合地基加宽工程的有限元模拟数据进行了分析，考虑了有无桩帽、桩帽大小等因素对复合地基加宽工程的影响，其结论如下：1、通过现场监测，其工期完成后的最大沉降为54.21mm，而试验模拟结果的最-50- 河北工业大学硕士学位论文大值为76.24mm，有限元模拟沉降要比现场监测沉降数据大，但其基本趋势相，且其设计安全性较高，而且随着时间的增加，其沉降值都变大，且沉降最大值不在新路基中间，而在新老路基结合处。2、通过ABAQUS软件模拟，分析了铆钉桩复合地基中的荷载传递过程，符合荷载传递方程，其桩体承受大部分的荷载传递，其复合地基桩身最大应力发生桩顶下面10倍桩径处。3、分析了在其它条件相同的情况下，有无桩帽、桩帽大小对复合地基工后沉降的影响，有桩帽的复合地基在提高减沉效果上提高了57%。4、通过不同桩帽大小对复合地基的影响，综合考虑减小差异性沉降和提高经济效益，桩帽边长为1m时最佳。5、不同填土高度对同一种状态下的复合地基模拟，得到了随填土高度的增加，地基附加沉降和水平位移的增长规律，表明填土高度越高，其路其越不稳定，应该适当控制好路堤高度。-51- 路堤拓宽工程铆钉桩复合地基性能的研究-52- 河北工业大学硕士学位论文第五章结论与展望5.1主要结论本文以曹妃甸沿海公路改扩建工程为背景，从软土地基的实际问题出发，利用大型有限元分析软件ABAQUS进行有限元模拟分析。首先，对现场地质情况进行分析，通过钻孔采样，室内试验，得到试验段软土地质材料；然后在现场采用了铆钉桩对现场工程试验段进行软土加固，通过沉降管监测，得到拓宽工程填土过程中和施工完成后的地基表层沉降数据；接着通过有限元的模拟计算，从轴力、摩阻力的分布方面分析群桩复合地基中铆钉桩的荷载传递过程，得到填土堆载前后的沉降数据，与现场监测数据相对比，验证其可行性。最后以软件模拟结果为基础，分析填土堆载后地基表面的工后沉降，以及水平附加位移，阐述了填土高度对路堤的稳定性影响，另外分析了在相同条件下，不同桩帽的复合地基的沉降特性。具体结论如下：1、针对铆钉桩复合地基试验段软土，对其地层进行钻孔取样，进行室内土工试验，结果表明老路基土层由于固结时间长，其孔隙比减小4.86%，先期固结压力有了明显的提升，提高了2.82%。2、通过现场试验段沉降数据监测，得到路堤加载后路基表面沉降，工期完工后的最大沉降为54.21mm，通过软件模拟的对比，有限元模拟沉降为76.24mm，比现场监测沉降数据稍大，但其综合沉降变化趋势基本一致，表明采用铆钉桩复合地基能够有效地达到工程沉降要求，铆钉桩复合地基对拓宽工程软土地基的加固是可行的。3、通过ABAQUS软件模拟计算得出：公路扩建的路基变形与新建路基变形不一样，在路基拓宽工程中，新路基的施工对老路基产生附加荷载，产生不均匀沉降变形，路基表面的最大附加沉降位移发生在新老路基结合处附近，路基表面最大水平位移发生在新路基坡脚处，大小为31.25mm。4、通过分析桩土应力比，在加宽路基的内侧的桩土应力比要明显大于加宽路基外侧的桩土应力比，其发生的“刺入”也就更加明显。在分析桩身轴力和桩外侧摩阻力后，桩体的最大轴力发生桩顶下10倍桩径处，而不是在桩顶位置。5、桩帽尺寸是复合地基“减沉”效果的重要影响因素，在一定程度内，桩帽越大，复合地基减小沉降效果越好，但有一个临界值，突破了这个临界值，其减小沉降-53- 路堤拓宽工程铆钉桩复合地基性能的研究效果已经不再明显，反而增加了桩帽边缘的受力和施工成本，综合考虑以上因素，正方形桩帽边长为1m时最佳。6、随着路基填土高度的增加，其附加沉降位移和附加水平位移都是增大的。路基填土高度是路基稳定性一个重要的影响因素，路基填土越高，基稳定性越不好，因此，在路堤较高的拓宽路基中，尤其要控制好路基表面的稳定性，在此工程中，填土堆高为6m，其路基稳定性符合要求。5.2建议与展望软土地区拓宽复合地基理论成果很少，还有很多方面值得研究，由于时间和精力的原因，本文仍有很多不正确的地方和有待提高的方面。从今后的研究方向趋势和方法来看，本文作者认为下面这些问题值得进一步的研究讨论。1、由于带帽管桩用于软土拓宽地基处理的经验还不够丰富，可以从更多现场试验和模型试验（特别是离心机模拟试验）得到较全面的试验资料，并结合软件模拟分析其带帽管桩复合地基应力性能，更好地把带帽管桩应用于更多的软土加固工程中。2、本文进行的有限元模拟的精度还有待提高，比如考虑到土体材料的徐变、格栅的作用，以及路面的动荷载等，使模拟更接近于现场工况。3、由于铆钉桩是新提出的一种带帽桩，其各向影响因素还不是特别完善，现场模拟中，可以考虑改变桩的其它因素来模拟分析铆钉桩复合地基对软土地基的“减沉”效果，比如说桩长、桩间距。4、对于铆钉桩，应该在进行一些单桩试验、单桩复合地基试验的时候，测试其桩土压力，与软件模拟相对比，更好地完善其荷载传递机理。-54- 河北工业大学硕士学位论文参考文献[1]何哲亮.软土地基上高速公路加宽工程路基变形特性分析与研究[D].华南理工大学2010.[2]刘春原,母焕胜.软土路基刚性桩复合地基应用及新进展[M].北京：人民交通出版社，2013.[3]范黎明.高速公路拓宽软土路基差异沉降分析理论与工程实践现状[J].城市道桥与防洪，2015，05（05）:43-47.[4]周同和，王非，赵宏，高广运.多桩型刚性承台下刚性长短桩复合地基载荷试验分析[J].岩土工程学报，2015,(01):105-111.[5]刘润等.带褥垫层减沉桩作用机理及现场实验研究[J].建筑结构学报，2000,08:76-80.[6]龚晓南.复合地基[M].杭州:浙江大学出版社，1992.[7]RichardJ.Deschamps,ChristopherS.Hynes,PhilippeBourdeau,Embankmentwideningdesignguidelinesandconstructionprocedures,ResearchProjectFinalReport:PurdueUniversity,1999.[8]贾宁，陈仁朋，陈云敏.杭甬高速公路拓宽工程理论分析及监测[J].岩土工程学报，2004,26（06）:755-760.[9]王斌,徐泽中.预应力管桩在高速公路拼接工程软基处理中的设计方法[J].公路，2004（2）:85-88.[10]钱劲松,凌建明.软土地区公路拓宽工程的力学响应分析[J].地下空间与工程报，2010,06（06）:481-486.[11]陈海珊，胡水深.广佛高速公路加宽工程的软基处理[J].广东公路交通，1998,55（3）:47-50.[12]桂炎德，徐立新.沪杭甬高速公路（红垦至沽渚段）拓宽工程设计方法[J].施工技术，2001,133（1）:3-6.[13]郭志边，余佳，徐泽中.高速公路拼接段地基处理方法的探讨[J].施工技术，2002,31(01):45-56.[14]陈建荣.杭宁二期工程路基、排水及防护设计[J].华东公路，2001,133(1):28-31.[15]中交第二公路勘察设计研究院.南京绕城高速公路刘村至马群段扩建工程施工图设计.软基处理设计[R]，2003:3-7.[16]何通海.高速公路改扩建工程软土地基段新旧路基间的衔接技术[D].大连理工大学，2003.[17]刘保健，谢永利.海南东线高速公路软基处理现场试验研究[J].西安公路交通大学，1998,48（4）:214-217.[18]Finalenvironmentalimpactreport.[R].stateofCaliforniaDepartmentofTransportation:2008-7.[19]SR-74(OrtegaHighway)WideningProjectSupplementalTrafficStudy.[R].California.2007:6-27[20]YelmHighwayWideningTrafficAnalysis.[R].Olympia:2005-1[21]池跃君，宋二祥，金淮，高文新.刚性桩复合地基应力场分布的试验研究[J].岩土力学，2003,24(06):339-343.[22]杨光华，苏卜坤，乔有梁.刚性桩复合地基沉降计算方法[J].岩石力学与工程学报，2009,28(11)：2193-2200.[23]赵明华，何腊平，张玲.柔性基础下刚性桩复合地基沉降计算[J].公路交通科技，2010,27(05):72-77.[24]何宁，娄炎.路堤下刚性桩复合地基的设计计算方法研究[J].岩土工程学报,2011,33-55- 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河北工业大学硕士学位论文致谢遥想初来时，正值初夏季节，莘莘学子，工学并举，意气风发。而今毕业际，感慨万千。研究生期间的学习和生活即结束，回首这三年的时间，我得到了很多关怀和帮助，也收获了很多经历和回忆。特别感谢我的导师刘春原教授，本课题在刘老师的精心指导下才得以完成的。他渊博的学识、严谨的治学给我树立了榜样，“传道、授业、解惑”，每次报告会的研讨都使我受益匪浅。他平易近人、和蔼可亲的品质令我终生难忘，“授人以鱼不如授人以渔”，每次的交流和指点都让我铭记于心。刘老师交给我的不只是学术知识，更是一种生活态度和为人处事的道理。而这些教诲不仅影响着研究生生涯，更是我人生的宝贵财富。感谢刘明泉、朱楠师兄在课题上对我的耐心指导，在生活上对我的无微关怀。感谢同门范嘉慧、闫虎成、薛少博给予的极大帮助和支持。同时，感谢我的宿舍好友在论文理论分析过程中给予的宝贵建议。最后，我要感谢我的家人，感谢我的父亲、母亲。是他们的支持与鼓励促使我走到了现在。在我的学习生涯中，他们给予了我很大的帮助。待我长大自立后一定好好回报二老。我深刻地明白，这篇硕士论文的完成意味着学习生涯的结束，同时也是学生生涯的开始。答辩结束表示我的研究生生涯即将告一段落，也表示我即将走向社会，开始一段新的征程。-57- 路堤拓宽工程铆钉桩复合地基性能的研究-58- 河北工业大学硕士学位论文刘春原教授历届学生硕士学位论文一览表序号作者论文题目答辩日期1马清珍土钉支护的三维应力状态分析2001.032钟文华粘土参数随机场特性及最优估计研究2002.033李晓璐基于粘土参数随机场的地理信息系统的研制与开发2003.034杨书燕高液限粘土微结构分析与强度机理的研究2003.035孙即超工程地质量化分区及岩土工程勘察信息管理系统的研制2004.036王丽基于岩土参数随机场的钻孔灌注桩基础的可靠性研究2004.037韩世芹基于BP神经网络的石家庄市工程环境地质综合评价2005.038徐鹏逍基于BP神经网络的的岩土参数预测专家系统的研究2005.039刘明泉伞状桁架+地锚静载试验机工作性能研究2006.0310谢晓莉夯实水泥土桩复合地基可靠度分析2006.0311曹宁夯实水泥土桩复合地基可靠度的随机有限元分析2006.1212许柏山天津市大港区水库大坝爆破振动效应分析2006.1213王坤路堤荷载作用下刚性桩复合地基的模型试验研究2006.1214王瑞新秦皇岛市地下渗流场及地面变形控制2006.1215侯正纲复杂应力状态混凝土强度研究2006.1216韩占永广义Mindlin与Boussinesq联合求解法计算复合地基沉降2006.1217赵志斌天津港煤炭码头翻车机房圆形地下连续墙变形研究2007.1218杨非非土工隔栅在刚性桩复合地基中的作用2007.1219张鹏既有钢筋混凝土框架结构加固体系可靠度分析2008.1220蔡伟红城市隧道基坑工程现场实测研究与数值分析2008.12-59- 路堤拓宽工程铆钉桩复合地基性能的研究21田新卫薄壁管桩瞬态响应分析2008.1222李晓颖软土路基沉降的非概率可靠性分析2009.1223时金娜夯实水泥土桩复合地基优化设计2009.1224赵磊基于强度折减法的路基边坡稳定可靠分析2009.1225宋海超高速公路改扩建工程软土地基变形性状研究2011.0526张军其路基边坡稳定的非概率可靠性分析2011.0527龚攀基于盲数测度理论的高速公路路基设计参数研究2011.0528刘程炜滨海大道路基稳定性的非概率可靠度分析2012.0629韩明峰基于预应力砼管桩振动台试验的抗震性能数值模拟研究2012.0630孙东坤预应力管桩(PHC)桩基础承载能力的可靠性分析2012.0631王专软土路基安全性评价专家系统研究2012.0632李光类土质边坡失稳机制及安全判据分析2012.0633靳莎莎类土质边坡Z_soil失稳判据及加固稳定性分析2012.0634郭玉莲类土质边坡失稳分析及加固稳定性分析2012.0635丁杰类土质边坡失稳机理的UDEC模拟与分析2012.0636陈晓红滨海大道路基沉降的非概率可靠性分析2012.0637李明哲公路BT项目全寿命风险评估2012.1238曹伟伟深大基坑开挖引起附近地层动态变形的研究2013.0639李曼深大基坑开挖对邻近历史风貌建筑基础变形的影响2013.0640韩笑历史风貌建筑在差异沉降下的结构安全可靠性评估2013.0641李尧基于数字化的城市地层标准化的相关研究2013.0642谷是萌基于数字化特征的城市地下空间建模技术的研究2013.0643孙建筑基于GIS的石家庄市建设用地适宜性评价2013.0644岳志辉石家庄城市地下空间开发及利用适宜性灰色综合评价2013.0645杨建青风积沙处理河套地区软弱地基的技术研究2013.0646方小强邢汾高速路堑边坡坡率优化设计评估2014.0547刘汉强邢汾高速高边坡优化设计研究2014.0548李兵预应力混凝土管桩水平承载力可靠度分析2014.0549申松湿地湖泊相软土路基用真空堆载联合预压法代替水泥搅拌桩法的可靠性研究2014.0550李光宏基于软土地基建筑物迫降纠倾的数值分析与应用研究2014.0551王曼邢汾高速类土质边坡经两次削坡对比分析2014.0552李杰邢衡高速软弱土微观结构特征研究2014.0553张鹏超湿地湖泊相软土加固离心模型试验研究和对比2014.05-60- 河北工业大学硕士学位论文54赵越基于碱渣地质聚合物的化学成分研究2014.1255张晓晓碱渣土路用性能研究与微观结构分析2014.1256李镶涧邢衡高速路基软土的微结构本构模型2014.1257刘寒宇真空堆载预压的流固耦合分析2015.0558刘默弟既有建筑隔震加固的可靠性分析2015.0559秦川阳采用减能消能抗震技术对既有建筑进行抗震加固的方法2015.0560张青邢衡高速软土地基处理方案对比研究2015.1261范嘉慧河北省公路隧道地质灾害影响因素研究2016.0562李钦路堤拓宽工程铆钉桩复合地基性能的研究2016.0563闫虎成建（构）筑物掏土纠偏数值分析与应用研究2016.0564薛少博装配式异形柱框架预制节点拼接缝对节点抗震性能的弱化影响研究2016.05-61-