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酬WEST讓隱sm厕q義'1.:0m--.,输(蒙_硕士学位论文胃義MASTERDISSERTATION_r#,.:■參9论文题目:软弱土地区路堤加固新型结构试验研究学位类别“X程耻:“…:工程-学科专业:建筑与土木:_t年级:2012级:二1?—激?:指导老师:邓荣贵教授.:導
国内图书分类号:U213.1+4密级:公开国际图书分类号:西南交通大学研究生学位论文软弱土地区路堤加固新型结构试验研究年级2012级姓名高阳申请学位级别工程硕士专业建筑与土木工程指导教师邓荣贵教授二零一五年四月
ClassifiedIndex:TU46+3U:.D.CSouthwestJiaotonUniversitgyMasterDegreeThesisEXPERIMENTALSTUDYONNEWEMBANKMENTREINFORCEMENTINTHESOFTSOILAREAGrade:2012Candidate:GaoYangAcademicDereeAliedfor:MastergppSpeciality:ArchitectureandCivilEngineeringSuervisor:Prof.DenRonuipgggAril2015p,
西南交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1.保密□,在年解密后适用本授权书;2.不保密[^使用本授权书。学位论文作者签名;指导老师签名:>^日期:i^J^/i日期
西南交通大学硕士学位论文主要工作(贡献)声明本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下:一(1)分析了新型加固结构中对拉筋带的受力特点,在定的假设条件下,推导出拉筋在不同荷载作用下的变形方程。(2)利用抗滑桩的角变位法,并根据新型加固结构体系的实际受力特征,对角变位法进行改进,推导出连续桩板墙受力方程。同时,利用桩体的变形协调条件,对连续桩板墙的力学方程进行了修正。(3)运用迭代法,并结合抗滑桩与对拉筋带的位移协调条件,对整体新型加固结构进行了迭代求解。(4)对多层对拉结构的新型加固结构体系进行了室内模型试验,并根据试验数据的内力分布与理论推导计算的其内力分布进行比较,得出了试验和理论的相似性,以。及结合板墙结构的受力特征,提出板墙结构可以使用薄壁结构的可能性并为今后该新型加固结构体系在工程中的运用提供了一定的数据支持。本人郑重声明:所呈交的学位论文,是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体,均已在文中作了明确说明。本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。学位论文作者签名:日期满:j、{¥
西南交通大学硕士研究生学位论文第丨页摘要伴随着现如今国内经济的迅速腾飞,各个行业也得到了飞速发展。在软弱土地基处理的问题上,随着新型材料的出现以及更加先进的施工机械的运用等原因,致使曾今认为不可实现的处理技术焕发出新的荣光。从而也使得软弱土地基的处理技术也逐渐趋于成熟与完善。然而,传统的加固软弱土地基的工法,在加固方面往往存在工期长、施工难度大、工后易变形等各自不同的问题以及自身对不同软弱土处理、造价高的局限性一。就此,本文提出种力学上为闭合结构的加固新型结构体系。此体系为对、拉柔性拉筋结构和复合式桩板墙结构共同构成,能够有效的起到提高承载力维持路堤稳定性的作用。为研究该结构体系的受力特征及其可行性,本文主要做了以下的工作内容。(1)回顾了软弱土地基加固技术的发展与应用,并简要叙述了软弱土地区的路堤、修筑,包括软基加固原理的综述软基的固结理论和路堤病害研究。通过对现有工法的深层次的了解与研究,提出了加固新型结构体系,用以解决各个软基加固工法中存在的自身局限性和缺陷。(2)依托于结构力学等力学知识,结合加固新型结构的受力状况,以及运用MATLAB编程,推导出加固新型结构的位移变化方程和内力求解方程。同时,结合工程实例,对含有单层对拉结构的加固结构进行了分析,从结果可以看出,新型结构对结构的竖向和侧向位移都起到了良好的控制。特别是侧向位移的控制,使其最大位移只有0.02cm0(3)利用相似原理,进行了室内模型试验。通过试验所得数据分析,给出了结构的内侧所受土压力的分布规律以及其内力的分布趋势,得出了结构内侧的土压力符合经典库伦土压力理论。而后,运用试验与理论计算的相互印证,可以看出理论计算的内力变化趋势和试验所得的相似性。并利用理论分析,对比了无对拉筋带结构和有拉筋带结构对路堤的控制性,可以发现无对拉筋带的结构体系几乎没有起到对路堤稳定性的控制,侧面的验证了整体结构对路堤稳定性拥有的良好控制作用。关键字:软弱土加固结构结构复合被板墙;新型;对拉;
西南交通大学硕士研究生学位论文第丨丨页AbstractWiththeraidgrowthofthedomesticeconomy,eachindustryhasbeenrapidpdeveloment.OntheissueofsoftsoiltreatmentOncethouhtthatrocessintechnolop,gpggycannotbeachievednowfullofnewgloryduetotheemergenceofnewmaterialsandtheuseofmoreadvancedconstructionmachiner.Sothatthesoftsoiationtreatmentylfoundtechnologyisalsoraduallmatureanderfect.However,thereisstillsomeromblesandgypplmtattrentsosoiltreatmentforthetraditionalmethocsoftsoliiionsodiffeftdofreinforingifoundation.Forexample,itneedsalongduration,itcostsexpensiveanditiseasytodeformafterconstruction.Inthis,thispaperproposesaclosedmechanicsstructureforrenforcementofnewstructuresstem.Tssstemscomosedofossrenforcementiyhiyipcristructureandilewallstructureitcaneffectivelimrovethebearincaacitmaintainp,ypgpy,thestabilityofembankment.Inordertostudythemechanicalcharacteristicsandthefeasibtofthestructuresstemthisaermainldothefollowinworkcontents.iliyy,ppyg(1)Reviewedthedevelopmentandapplicationofsoftsoilfoundationreinforcementtechnuesandbriefldescribestheconstructionofembankmentinsoftsoilareaincludiniq,y,greviewofsoftfoundationreinforcementprinciple,softfoundationconsolidationtheoryandembankmentdiseaseresearch.Throughthedeepunderstandingandstudyofexistingmethodsthisaerutsforwardanewstructuresstem,inordertosolvetheirown,pppylimttstitinth.iationsanddefecofhesoftfoundationrenforcemeneresencep(2)Basedonmechanicalknowledgesuchasstructuralmechanics,combinedwiththeforceofnewreinforcementstructureandtheuseofMATLABroramminwededuces,pgg,thedisplacementchangeandinternalforcecomputationeuationsofthenewreinforcementqstructure.Atthesametimecombittthinedwhheenineerinexamlestoanalzee,ggp,yreinforcementstructureofasinlecrossstructureitcanbeseenfromtheresultsthenewg,,structurehavelaedaoodcontrolforverticalandlateraldislacement.Eseciallcontrolpygppythelatterthemaximumdislacementofwhichisonl0.02cm,,py(3)Basedonthesimilarityprinciple,weconductedtheindoormodeltest.Throughthetestdataanalsisiventhethedistributionreularofearthressureandthedistributiony,ggptrendofinternalforceinthestructureitisconcludedthattheearthressureinsideofthe,p'structureisinlinewiththeclassicalcoulombsearthpressuretheory.Andthenusethetestandtheoreticalconfirmationofeachother,itcanbeseenthatthetheoreticalcalculationoftheinternalforcechanetrendissimilartowhatisgotfromthetest.Andbyusingg
第■西南交通大学硕士研究生学位论文II页theoreticalanalsiscomarethecontroltoembankmentwiththeuncrossbeltstructureandy,pcrossstructurewecandiscoverthatthestructuralsstemofuncrosseobeltdidlittleto,ygcontrolthestabilitofembankmentindirectlverifiedthewholestructuretomaintainthey,ystabilityoftheembankment.Keywords:Softsoil;Newreinforcementstructure;Crossstructure;Compositepilewallstructure
西南交通大学硕士研究生学位论文第IV页目录第1章绪论11.1深厚软弱土加固新型结构试验研究的意义11.2国内外研究现状分析31.2.1软土地基加固技术研究现状31.2.2软弱土路基加固技术研究评述61.3主要研究内容及研究方法71.3.1主要研究内容71.3.2技术路线7第2章软弱土地区路堤修筑综述92.1软基工程特点92.1.1软土及软弱土特征92.1.2软基加固原理综述102.0.13软基处理技术概述12.2软基固结理论122.2.1土体固结理论简述122.2.2太沙基固结理论122.2.3比奥固结理论1426.3软弱土路堤工程特征及其病害研究12.3.1路堤工程病害简述;162.3.2路堤病害的几种模式162.4本章小结183第章深厚软弱土地区路堤加固新型结构分析203.1路堤加固新型结构及其作用原理2031.2路堤加固新型结构体系理论研究23.2.1拉结筋带理论分析223.2.1.1柔性结构不考虑土摩阻计算223.2.1.2柔性结构考虑土摩阻计算27
西南交通大学硕士研究生学位论文第V页3.2.1.3柔性结构影响因素分析293.2.2桩板墙理论分析313.2.2.1角变位法计算桩板墙内力313.2.2.2考虑受荷段下端变形的计算修正353.2.2.3考虑拉结筋带变形协调的计算修正363.2.3拉结筋带与桩板墙联立推导363.3结构实例383.3.1拉筋的受力与变形分析393.3.2刚性板桩墙的受力与位移分析403.4本章小结42第4章路堤加固新型结构模型试验434.1模型试验相似关系434.1.1相似理论434.1.2试验相似关系454.1.3擁材料46447.2试验方案设计44.2.1模型几何尺寸设计:74.2.2模型内力及位移测试设计484.2.3测试过程设计504.2.4土体参数测试试验及数据整理514.3模型试验数据整理及结果分析544.3.1路堤位移特性5443255..桩板墙所受土压力特性4.3.3桩板墙弯矩特性57459.4理论计算与试验结果比较分析4.459.1理论拉筋位移和试验对比4.4.2桩板墙内力与试验对比60462.5本章小结第5章结论与展望63
西南交通大学硕士研究生学位论文第VI页##魏65致谢69攻读硕士学位期间发表论文70
西南交通大学硕士研究生学位论文第1页第1章绪论1.1深厚软弱土加固新型结构试验研究的意义43,软土[是指在湖泊、滨海、谷地、河滩等地由于重力原因引起的沉积作用而产生的,孔隙比大于,,且1液限低于其天然含水量具有高压缩性、流变性等工程特性的特殊质细粒土,。其中软弱土体又可细致的划分为游泥、泥炭、游泥质性土等类别。》GB50007-2002在《建筑地基基础设计规范之中,其根据天然孔隙比又将软土划分().为游泥质土和浓泥。并规定游泥质土为天然孔隙比e位于1.0到15范围之内的粉土或一15粘性土;种天然孔隙比e大于等于.的粘性土体,齡泥则为。同时根据软土中含有的有机质的比例将软土又划分为泥炭和泥炭质土,含有有机质的比例在百分之十到百分之六十之间的软土被称为泥炭质土;有机质的含量大于百分之六十的软土被称为-泥炭《》(JTJ01796)中规定,由于缺氧等因。公路软土地基路堤设计与施工技术规范一素微生物对水生植物遗体分解进行的非常缓慢,而这种缓慢的分解会形成层覆盖层,这层覆盖层被称为泥炭,。泥炭形成多在内陆湖沼等地土体中有机质含量大于百分之五十且其绝大部分都未被微生物完全分解,土层呈现纤维状,进过测试泥炭的天然孔5隙比大多数都大于;与之相反,土体中有机质含量大于百分之五十且大部分己经被微生物完全分解的软土层被称为腐殖质土一般为黑泥状的闻着有臭味的细。腐殖质土而在静流或缓流环境中沉积而成的细颗粒的土,粒土,且含有有机质这种细颗粒的;土称为有机质土。在有机质土中,拥有5%到50%之间的有机含量,且其孔隙比又不1-.5》GB500212008小于的非中粗粒土被称为齡泥,。而在《岩土工程勘察规范()中软土又被定义为其液限小于天然含水量,并且天然孔隙比不小于1.0的细颗粒的土。一而在实际的道路工程之中,而物理各项指,时常会遇见种力学性能较软土而言更好46[]标又与软土相宜的土体,我们称之为软弱土。软土的压缩模量高于软弱土、其抗剪,但软弱土同样具有较大的压缩性以及较高的含水率,强度低于软弱土。所以在实际的工程中,施工时仍需要对软弱土地基进行排水,在《、加固等处理措施。然而德国地基基础规范》(DIN4084)中对软土却没有明确的给明其准确定义,只是含糊的认为“”“”拥有高柔软度土或,能四散而出的土都被定义为软土用手掌对其加力时。这种概念看起来很是模糊不清,,没有像国内规范中对其的物理力学参数进行准确的规定一但这样的概念却将软土和软弱土划分为同类别。目前,行业对于软弱土的判定还没一有明确的标准,而些已有的判定标准又很难将所有工程中所遇软弱土完全的概括其中,所以本文借鉴前人所总结出来的经验,将软弱土体也归类为软土的范畴并对其进行相应的处理一。相较于德国规范,国内的规范文本中对软土的判定给出了其定的判
西南交通大学硕士研究生学位论文第2页断标准-。如《公路工程地质勘查规范》(JTGC202011)中所述,在静流或缓流中沉积,_且具有液限不小于天然含水率l、天然孔隙比6^1、压缩系数c^〉0.5Ma、标准贯。_.l。2p入试验锤击数N<3、静力触探比贯入阻力PsS750KPa以及十字板抗剪强度C?<35kPa等特性中占绝大多数特征,且土体呈现出软塑状或流塑状,并拥有强度低、高压缩、高灵敏度、透水性差等特性的黏性土体,皆对其的勘查设计按软土地基对待。《工-在程地质手册》之中,详细的给出了软土的标准分类表,见表11。国内主-2所示要软土的类型及主要类型的特征可见表1。-表11软土分类标准土的名称划分标准备注^卜天然空隙比泥质1.0<e<1.5,l<lL—=圭II液性撤泥炭Wu〉6o%W—u°>泥炭质土60/<^W?10%表-21软土类型及特征类型厚度特征宵湖相沉细颗粒结构,较大的空隙比,低强度,常夹杂着泥炭质薄至有些可达P积层。60m-水率高空隙大,结构疏松,分布范围窄。滨,含釈f湾海相沉>60m可达所覆盖的面积又广又深,时常在土层中夹杂着有粉砂质薄沉积150m透镜体,且空隙很大。积三角洲相-m分选性差,结构不稳定,多粉砂薄层,交错层理,不规则5?60ni沉积尖灭层及透镜体夹层,结构疏松。湖粉土颗粒成分高,呈放射状分布,层理均匀清晰,表层分湖相沉积<20m盆布擁壳。山岭谷地呈片状、带状分布,靠山边浅,谷中间深,具有较大的横^^相沉积坡,颗粒由山前到谷中心逐渐变细。河河漫滩相滩一成层情况较均,以游泥与软黏土为主沉积,含中、细砂交错<沉牛轭湖相层,呈透镜体状分布。沉积沼胃沼泽相沉多伴以泥炭,常出露于地表,下部分布有游泥层或底部与沉■积泥炭层互层积
西南交通大学硕士研究生学位论文第3页根据综上所述的软土特征,有时施,在实际软弱土地基上修建道路的工程施工中工时软弱土便会发生严重沉降,有时沉降现象在修筑完成后数年或者更长的时间段仍在不断的产生,,。因而在选线的时候大多数情况下都会选择尽可能的规避软弱土地区但仍然会有少数情况不能有效的避让软弱土地基区域,。那么在这样的土体地基上修筑道路,特别是那些要求严格的高等级公路,在其勘察,、设计、施工期间以及延生一到养护阶段,其施工难度都会要比般性土体地基上修建道路更加困难,需要对道路修筑的影响因素更多的考虑与研究。近些年在公路修筑中,软弱土地区路堤的修筑已备受关注,并在其上筑路已然引起了国内外学者的高度重视,同时对于软弱土地基的处理情况的好坏严重的影响着高等级公路的工期、造价成本和运营回收率。要想在处理软土地区路堤问题得到完美的解决方案,其关键点在于是否能够正确而客观的认识到软弱土地基的性质与所产生的危害,因地,。并能够结合实际情况制宜在能够保证质量的前提下,选择合适的处理技术,且做到尽可能的减少造价成本。目前,,:(1(,对于软弱土地基加固的措施归纳起来大致可分为)复合法2);固结法一。然而不论是复合法还是固结法都存在着其定的不足和局限性。为解决软土4_5一些不足[]加固措施的,本课题提出软弱土高路堤新型加固方法,并对其力学性能进行试验研究一一,积累定的试验资料。可以为其以后成为种可行性软弱土路基加固工法提供一定的数据支持,对其可行性的研究具有重要的意义。此新型加固法采用对拉筋带与似连续桩板墙相组合而成的整体闭合结构体系,并通过结构与路堤、软弱土层的相互作用,,形成力学封闭性良好的结构体系。似连续桩板墙结构为刚性结构釆用软土层以上为连续桩板墙结构,、以下为带翼板的间隔桩结构此等结构不仅仅能够有利于施工,而且能够有效的限制路堤横断面方向的侧向位移并达到维持地基稳定的目的;对拉式筋带为柔性结构,不仅能起到对拉路堤两侧的似连续桩板墙结构并维持整体结构体系的稳定性的目的,,而且能与路堤填土和软弱土层共同作用形成复合增强整体,起到了增强土体强度,、增加路堤稳定性、共同承担路堤与车辆的荷载的目的实现了高效、经济等特点。1.2国内外研究现状分析1.2.1软土地基加固技术研究现状关于地基加固处理,国内外均有丰富的经验,随着科技的进步,各种新型加固方法层出不穷。不论在加速地基土的排水固结还是在改良地基土的性质,又或者采用新型材料等方面,,都有突破性创新。目前最常用的处理方法有置换预压法、排水固结6[]等法、复合地基法。主要包括真空预压、CFG桩柱网复合结构、换填置换法、强穷法、深层水泥搅拌法等。
西南交通大学硕士研究生学位论文第4页1952真空预压法,于年在麻省理工学院召开的加固土会议中提出。这种由瑞典教7WK[]),授杰尔曼(.ellman首次提出来的加固软土的可行性方法由于受到那时候的抽j真空设备、密封技术、气水分离等关键性技术所局限,并没有能够得到很好的推广与8[】运用。直到20世纪70年代以后才被广泛的运用于软土地基处理中,并取得了良好的9[]社会与经济效益。我国早在50年代便开始对其进行研究。1988年高志义、张美艳等10[]研究人员对真空预压加固机理通过离心机对其进行了模型试验研究。1989年高志义提出真空预压的加固实质,他认为真空预压的实质其实是在降低边界上。在文章中(砂一u垫层和砂井视为加固体的边界的部分值而造成边界与土体间(势)分布的不平衡从而引起土体的固结。2000年高志义、张美燕等研究人员又在实验室中通过真空预压和电渗法的联合使用,对电渗法与真空预压联合法进行了模型试验。但单纯的釆用真,,沉降速率难控制空预压法处理软土地基时也会存在排水固结时间相对较长,固结深度有限等问题,工。为解决这些问题程技术人员又把真空预压法与其他软弱土地基12[]处理技术相结合进行地基处理,如真空电渗法、真空堆载联合预压法真空井1516[】[]点降水法、搏裂真空法等。_80?0桩[171],又称水泥粉煤灰碎石桩。自20世纪80年代末由中建院地基所首次提出可以采用CFG桩来对软弱土地基进行处理以来,该项技术于1992年被国家建设部鉴定为国际领先水平19941995。而后又在年被国家建设部进行了全国性的重点推广。年,该工法又被国家科学委员会进行了全国重点推广。又在1997年,被评定为国家级别的施工工法。CFG桩是在粉煤灰、碎石等填料中加入水泥通过成柱机制成的可变强CFG一度桩。CFG桩可通过水泥参量及其配比度来调节桩体的强度。同时,桩方面与一桩间土体及褥垫层共同构成的复合地基,另方面又与桩间土及加筋垫层共同构成桩网复合地基结构。不论是复合地基法,还是桩网复合地基法,他们的实质都是让被(网)土协同作用、共同来承担上部荷载,以达到增加地基承载能力的目的。但复合地一,需要对其进行进步试验研究基的桩土协调作用的机制目前尚不十分明了。在此基19]础上CFG[,国内有很多研究人员对桩(网)土进行了试验研究。如邓荣贵、任鹏等2。[];杨生彬研究人员对CFG桩受力性在川北高层建筑进行的现场测试研究、邵卫信等21[]状进行的三维数值模拟;李海勤对高速公路软土地基的研究等等。换填置换法,将基础下面需要处理的土层换填成砂、碎石等材料作为持力层并同时以人工或机械的方法分层压密垫层的地基处理方法一。只适用于般深度不超过5m的浅层软基。换土垫层与原状土相比较,拥有高承载力、大刚度、小变形等优点。随着,换填垫层也不仅仅只限于砂,现代材料技术的发展、碎石、煤渣等自然换填材料也22-2324[]][出现了气泡混合轻质材料、EPS等人工合成材料。25[]强夯法,亦称动力固结法,于1969年由法国梅那(Menard技术公司研究开)发,现已在国内广泛应用。强夯技术固结理论模型是由于饱和粘性土受冲击荷载后会
西南交通大学硕士研究生学位论文第5页L产生瞬变的缘故而被.Menard首先提出。L.Menard认为可以用活塞来反映孔隙水压力的滞后现象,用有机分解产生的气泡反映瞬间压缩的问题,用不定刚度的弹簧反映土体的强度,用变孔径的排水孔反映孔隙水的排出问题,从而得到动力固结模型。在“”“”26[〗软弱地基中使用强夯法,,其突出表现为橡皮土现象。对于橡皮土现象郑颖人认为现行强穷工艺不适应软粘土的特性的原因造成。同时,郑颖人通过了大量现场试“一1),,验,提出了自己的套全新的工艺指导。(单击夯能应选取为先轻后重逐级加能”“”(2)轻重适度的原则。对与软粘土地基,强穷加固法采用的夯击方式应为少击多遍。并且每遍穷击都需要严格控制穷击次数,通过分多次数的夯击,逐步加大夯击能来完成软基加固。(3)满夯与信息化施工。满夯对表层土的密实度和均勻度有极大的增益效,可根据不同工况的地质与具体工程情况果,因时因地的对施工进行调整。。在夯击时“”27_28橡皮土现象进行治理[]基于而其他技术人员又联合其他地基处理技术对。如周健动力固结机理和饱和粘性土的动力特性对强夯联合井点降水技术的研究。29[深层水泥搅伴法],对于饱和软粘土的加固能起到良好的效果。该工法主要是利用深层搅拌机,将水泥固化剂强行在软基深部进行拌合。通过水泥在软土层中的凝固而形成的增强体从而提高地基强度。深层水泥搅拌法又可细分为水泥系搅拌法、石灰系搅拌法。水泥系搅拌法始于美国,在20世纪70年代在日本投入实际使用。而中国在70年代末80年代初才投入实际应用。1967年瑞典人提出石灰系搅拌法,国外早在70年代就已将该工法投入了工程实践之中,而在80年代初国内才开始对其进行研究并投入实际,,,深层揽拌法技。时至今日随着国民经济的提升国内对软弱土处理技术的重视一一术水平在近20年间得到了大跨步的发展,设备由从前单的钻头发展到了机六头的地步。并广泛运用于公路、铁路、建筑、水利等领域。经过水泥加固后的软基,是由水泥土桩体与天然土体共同承担上部荷载,其承载力有着明显的提高,同时地基沉降3[W大幅度减小。32_33[]一桩承式加筋路堤-(桩网复合地基法),作为种新型的软基处理法,具有填筑迅速、短工期、无需对软基加压排水、能有效得控制软基沉降和侧向位移、造价成一本便宜等突出优点,为在软弱地基上建筑路堤、堤坝、挡土墙等提供了种经济有效的解决方案,其应用范围和领域正在不断扩大。自20世纪80年代以来,特别是近10年以内,国内外学者都已经对桩承式的作用原理进行了非常详细的研究。通过研究表明,桩承式的作用原理是由于桩土之间的不均匀沉降导致的土拱效应以及水平加筋层--的拉膜效应,而桩筋料土之间的相互作用则决定了桩土对上部荷载的分担和加筋作“”“”,(用效果。目前国内外对桩承式的研究主要集中在土拱效应和膜或究提)效应。34][194T对于土拱效应的研究,3年由erzagh对桩承式的平面土拱进行了研究探讨,并利用活动门试验证明土拱的存在并总结出其存在条件。Terzagh认为之所以会出现土拱是因为土体之间在上部荷载的作用下会产生不均匀变形或相对形变以及拱脚的存
西南交通大学硕士研究生学位论文第6页35T[]在erzah研究的基础之上,1990Giroud又针对桩承式路堤的应力重分布的。在g年表达式进行了详细的探讨与研究。而Hewlet则利用砂填料路堤模型试验的方法,桩体布置为正方形布置的条件下,对桩承式加筋路堤进行了分析。并得出桩顶压力、拱面压力、桩间土应力以及荷载分担比的计算公式。2004年,国内陈云敏、贾宁等研究人员在单桩处理有效范围的前提下,从路堤的平衡受力出发,对Hewlet的极限土拱分析法进行了改进,、。并针对桩体荷载分担比的影响就桩帽尺寸、填料物理参数38[l桩间距等因素进行了可行性研讨。对于水平放置的拉筋体的研究,Jones假定路堤荷载不直接作用于地基土之上的前提下,采用Marston公式来对桩帽直接承担竖向上部39[]荷载进行分析计算,同时假设剩余荷载由水平布置的加筋体承担。而Low则针对是否存在水平加筋体的情况,对填料为砂土的桩承式路堤在桩梁中的土拱效应发挥的影响效果进行了模型试验。试验结果表明,水平布置的拉筋体对荷载分担比的提高起到了明显的效果,能够明显的增加桩体所承受上部荷载的比例值。在国内也有很多学者-网复合地基的理论和工程应用进行了大量的研究工作,、和研究人员对桩。例如徐少曼洪昌华分析了水平加筋体为土工织物的桩承式堤坝的软基的非线形性;费康、陈毅等研究人员[41]则通过三维模型试验针对加筋形式的不同对桩承式工作性能的影响进43行了分析[]通过假设将网料和复垫层进行整体的考虑;饶卫国、江辉煌、候庆华,并利用薄板来模拟,同时将薄板变形理论和Wer,inkl弹性地基模型相结合在力学平衡-的基础上,计算出工程采用桩网复合地基的软土加固方法下,路基工后的沉降量。1.2.2软弱土路基加固技术研究评述软弱土路基因其承载能力低,工后沉降大等特点,需要在工程设计施工中格外注意。目前国内外的软基加固,通常都是通过在软弱土层中加入柔性或刚性结构体作为一增强体与软基共同作用,从而达到提高地基承载能力与抗变形的能力,或是通过定的方法手段来改善软弱土层的物理力学性质,。现如今路基加固技术层出不穷但各种处,需要根据工程地质条件理方法都有其自己的适用范围、局限性和优缺点、各个工程间地基条件以及具体工程对地基的要求来选择最佳的地基处理方法。但大部分工法需要较一长的施工工期,或者对于工后的沉降控制存在定的限制,又或者施工经费较昂贵。比如碾压及夯实法只适用于碎石、砂土、粉土、低饱和度的粘性土、染填土等。虽然穷实法拥有施工效率高,、施工速度快、节约加固材料、施工费用低等优点但该工法震动,且处理深度不深较大,且由于施工过程中各个地方的穷实度不均匀等原因在工后容易出现不均匀沉降等工程病害。为解决各个工法的适用性有限、工后易出现不同的病害等一问题,本课题对种新型的加固结构进行试验研究(此新型结构在力学上具有闭合性,板桩结构及拉筋带都可以工厂化预制生产,便于快速化施工),研究其在拟工程状态下一一的沉降变化及其受力特征,并对其可行性进行进步的探讨,同时收集定量的有用
西南交通大学硕士研究生学位论文第7页理施工工艺设计提供一。数据,对以后该工法的合定的参考和建议1.3主要研究内容及研究方法1.3.1主要研究内容本课题研究目标是对已有理论基础的路堤新型加固结构进行相应的模型试验,论证结构在理论上的准确性以及运用于实际工程中的可行性。为达成此目标,本课题以其结构体相应理论为依托,进行以下内容研究。一(1)软土地区路堤新型加固理论进步研究,分析其受力状况和稳定性因素等方面。查阅及搜集国内外关于软土路基加固的有关文献,对新型结构的力学性能及其作一用机理的进步研究。(2)试验前期,对路堤填料以其所取软弱土层的容重、内摩擦角、粘聚力等参数进行测试,并利用压缩仪对软弱土体进行高压固结试验。(3)对新型结构进行模型试验,检测复合桩板墙结构所受的土压力、内力以及测试路面、软土层等的竖向位移的变化。(4)运用相似理论对(3)得出来的数据进行拟合,对比拟合数据与理论推导所求的各个变化值。1.3.2技术路线本课题的技术路线如下:(1)收集国内外软土地基加固理论研究的相关资料。(2)收集国内外软土地基加固试验研究的相关资料。(3)了解新型加固结构的理论进展。(4)通过室内模型试验得到相关试验数据。(5)归纳分析试验数据与理论得到的数据的差异,验证理论结果的准确性。本课题采用的方法具体为:首先对已有理论进行研究,利用高等数学、弹性力学、结构力学等相关知识,对软弱土加一一,并对已有理论进行改进固新型结构体系进行进步的探讨与研究,提出套更加接近于实际工程情况的软弱土地基加固结构计算理论。同时对该结构进行模型一试验,测试相应的结构内力及变形数据。对整体结构体系方面从理论推导入手,推导出其比较贴近实际工程中的理论计算公式一方面,从模型试验入手,对该加固;另体系对软弱土地基的加固效果进行试验研究,并对所测得数据进行拟合分析,同时运用与理论相互印证比较的方法,来验证理论的正确性。-本课题的技术路线如图11所示。
西南交通大学硕士研究生学位论文第8页软弱土地基加固研究I士、试验前期准备新型软土加固结构理论研究IYI模型试验理论推导与分析I试验数据归纳II试验结果与理论结果对比论证新型结构的可行性和合理性-图11技术路线图
西南交通大学硕士研究生学位论文第9页第2章软弱土地区路堤修筑综述丨软土是指在静流和缓流环境中逐渐沉积而成的游泥或饱和的软弱點性土,并伴有微生物作用的近代沉积物,软土沉积广泛,。我国地域辽阔,地质条件复杂多变特别是在滨海、湖泊、河滩以及丘间谷地等地区。尽管软弱土的沉积原因、结构形态和饱和度都各不相同,但都具有高压缩性、低强度、透水性差、低抗剪、触变性和高含水率等共同特征,(土)。就软弱土地基加固而言目前针对软弱土层的处理主要运用换填垫层法、碾压及夯实法、预压法、水泥土揽拌法、CFG桩法等工法。这些常用工法在一其适用的范围内,都能对软弱土起到定的加固效果,主。归纳起来要分为固结法和复合法。其中,固结法的加固原理早在1925年就由太沙基(Terzaghi)建立,其后比奥(Biot)在Terzaghi的基础上进行了二维和三维的固结推导。2.1软基工程特点2.1.1软土及软弱土特征软土及软弱土的一般特征。(1)具有较高的天然含水量,空隙比通常也比较大。软弱土多呈软塑或半流塑状,一其天然含水量般在30%到80%之间。但有些山区软弱土的含水量甚至高达200%。,天然含水率大于液限且软弱土孔隙比不小于1。因此,软土地基具有低强度、大形变、不均勻沉降等特点。(2)高压缩性。软弱土空隙比大于1,因而具有高压缩性的特点。其压缩系数a,__i一52MP4】“般在0.到.0a之间,最大可达MPa到5MPa。且压缩性随液限的递增呈递增的趋势。3一()渗透性较差。软土的透水性较低,其渗透系数k般包含在-'=‘" ̄xmmi\QlS(il,2,39)之间,因而软弱土在自重荷载的作用下固结相当缓慢,微生物在分解这些,需要较长的固结时间。有些软弱土拥有较大的有机质含量一有机质的同时会产生定量的二氧化碳等气体气泡,,这些气泡易存留在软弱土层中从而导致渗流通道被堵塞严重致使其渗透性进一步降低。一(4)低抗剪强度。软弱土的抗剪强度般都很低,且与是否排水和其固结的程度量密切相关,,。经过大量的试验数据可知在剪切不排水时软弱土体的内摩擦角几乎0<20kPa一5kPa25kPa为,粘聚力c,C的变化范围般在到区间之间。在土体排水固结之后,软土的抗剪强度便能等到相应的提高。(5)触变性。软弱土为结构性沉积物,絮凝结构。当软弱土结构完整没遭到破坏
西南交通大学硕士研究生学位论文第10页一一经扰动时,软弱土在结构上具有定的强度,但,软弱土体的各项性能都会大打折扣,其承载能力会迅速降低。当结构强度遭受到破坏时,软弱土地基很容易失稳。特一旦出现轻微扰动别是滨海相软弱土体,出现破坏状态,土体强度,其絮状结构就会会呈现明显下降趋势,有些破坏严重的甚至会呈现流体状。(6)流变性。软土的明显流变性包括流变、应力松驰、螺变和长期强度等特性。在上部荷载为常量的情况下,随时间的发展而变化的变形是为螺变;跟随着应力的变化而变化的土体变形速率是为流动,土;变形条件为恒定的条件体所受应力的大小随着时间的发展而变小的过程是为应力松弛,土;在长期荷载的作用下的强度会随着时间的变化而保持不变是为长期强度,。当软弱土体受载且不排水时软弱土体在受剪应力作用时,将由于缓慢的剪切变形而导致抗剪强度逐渐减少,土。排水时体中孔隙水压力将会完全消散,土体继续固结沉降。(7)不均勻性。软弱土层中常夹带厚薄不等的粉土、粉砂、细沙等,由于不同厚薄性质各异的土层其承载力以及压缩模量的差异性,会致使在软弱土承受上部荷载的时候呈现不均匀的压缩性,致使软弱土层的不均匀沉降产生。2.1.2软基加固原理综述由于各个工程的水文地质条件、受荷载情况、上部结构特征、工程进度要求等影响软基处理因素的不同,因而对软基的处理方法也不尽相同。但其加固方法大体上可划分为固结、复合法两大类别。其加固原理也大体和以上两大类别相似。01[]其中,固结法加固原理可概括为土的固结原理。因施加外荷载使土体内各点产生Aw(不均等U增量)时,或边界上中性应力u降低,都能形成土体内与边界间U(势)分布的不平衡。而这时在边界上存在排水条件又或者存在能促使土体中水减少且U降’低的条件下,这种Aw(U的不平衡)可引起有效应力(7增加,从而土体被压密,导致土体的承载力增加。从孔隙水幵始排出且形成U(势)不平衡起,直至U(势)转化为与边界相适应的新平衡状态为止,至此地基得到的相应增强至工程所需承载程度。复合法加固原理大致可概括为通过一定的技术手段,在天然地基土层中加入增强体,此增强体可能是布设加筋材料或者现代技术处理下的特殊材料,又或者使用桩体结构来支撑上部荷载,又或者使用凝固剂材料促使软弱土体的凝固和固结,这些工法的最终目的都是使加固区的承载力由原本只由天然地基体承担转变为由基体和增强体共同承担。且共同承担体的承载能力远远大于原天然地基体。2.1.3软基处理技术概述一就国内近十几年的软基处理技术发展而言,国内工程界方面在不断的引进国外一较先进的软基处理加固技术,另方面又努力的逐步的发展符合国内工程地质状况的软基加固处理技术。例如,对国外的深层搅拌法、置换法、高压喷射注衆法、振冲法、
西南交通大学硕士研究生学位论文第11页强穷法、土工合成材料等许多地基基础加固技术进行了引进与发展。同时,国内也在通过自身对这些工法的应用与研究,对已经在国内广泛运用的技术也进行了相应的改进和革新,(如排水固结法、砂桩法等)。相较于不断的引进国外技术我国研究人员也在结合国内具体的工程实践中自主的发展出一些新兴的处理技术。例如铺杆静压桩法、低强度桩复合地基、刚性桩复合地基法等。,国内工程中对软弱土地基处理最常用的技术(土)目前,大致包括了换填塾层法、碾压及穷实法、预压法、水泥土搅拌法、CFG桩法以及加筋法。一一(换填(土)垫层法:将基础地面以下定范围内不太深的软弱土层挖去般处理深度不超过5m),回填拥有较高的强度、较好的力学性能、稳定性能高、抗侵烛性良好的砂、碎石、煤渣等建筑材料,并通过分层压实填筑进行的基础处理方法。其只适用于处理暗沟,、暗塘以及游泥、浓泥质土层等浅层地基范围却不能应对深厚软弱土层而造成的地基变形量对路堤的有害影响。一、,碾压及夯实法:利用压实原理,通过碾压夯实、振动的方法对软基表层定深度范围内进行充分的压实缜密,用以提高基础的承载能力,减小空隙比,增加其压一缩模量,种处理方式。就目前实际工,减小沉降的不均勻性并有效的消除湿陷性的程与试验所得经验数据而言,强夯技术在处理低饱和度的粘土或粉土等地基能起到良好处理的效果一,但对饱和粘性土质如游泥质土体等地基土的加固效果却不佳。般处理深度在10m范围以内。且只能适用于对变形控制要求不高的工程,而在修筑高速公路时,需要配合其他排水方法结合使用,不仅工期较长且得不到很良好的效果。、预压法:预压前期需要在天然地基土层中布设砂井塑料排水板等排水设施,而后才能开始预压加载(堆载预压、真空预压),使土体中含有的大量孔隙水通过排水设施排出土体一,以达到使土体固结的目的,从而使地基土强度得以提升的种地基处理法。此法对于重要工程,,需要对某些特殊地段进行预压试验通过漫长的试验,获得荷载-变形-时间的曲线关系-,孔隙水压力时间压力曲线关系,并利用这些关系推算出固结度等重要参数。至此,该工法不仅仅在先期试验需要耗费大量的时间,而且在开工后工期也同样会特别的漫长。30[]水泥土搅拌法(分成楽体搅拌法和粉体撹拌法):利用水泥、石灰等材料作为固化剂,并运用特制的搅拌机械,将软弱土与固化剂、裝液或粉体(其中装液适用于,粉体适用于粉体搅法,深层搅拌法,其中国内主要运用水泥衆体搅拌法而粉体搅拌一则要求土中含水量大于30%为宜)进行均勾搅拌,从而达到使软弱土硬结成具有定整体性一、水稳性和定强度的水泥加固地基土体的目的。同时与天然地基形成复合地基,,从而提高其承载能力和有效的控制器沉降以及可作为基坑的重力式挡土墙、防渗帷幕。CFG桩法:通过在碎石桩体中加入以水泥为主的胶结材料,同时加入粉煤灰用以
西南交通大学硕士研究生学位论文第12页增加混合材料的和易性,另外还要添加适量的石屑以改善其级配,从而使桩体获得胶结强度一,从散体材料桩转化为具有高粘结强度桩,与桩间土、褥垫层起形成复合地一基的种处理方法。一一-桩网复合地基法:是通过在软基中在定间距内打入刚性桩,并在桩顶端设置定尺寸的桩帽(或者托板),同时在桩帽顶面铺设土工合成材料的加筋垫层,最后在此基础上填筑路堤。其体系结构主要由上部路堤、桩顶土工合成材料加筋垫层(水平加一。筋体),刚性桩以及桩帽,桩间土层和下卧持力层共同构成它是种通过刚性桩和水平加筋体联合处理软基的一种新型处理软基型式。2.2软基固结理论2.2.1土体固结理论简述土体固结理论早在1925年就由太沙基(Terzaghi)建立,但Terzaghi建立的只是单向固结基本方程一,并需在定的假设前提条件下,通过其边界条件和初使条件,求力解出了其解析解。此后的1948年,巴隆(Bamm)在研究Terzaghi固结理论的基础上,对土体的对称固结基本微分方程进行了推导并求解出其解析解。而在二维和三维48问题上[],1941年比奥(Biot)则较严格的从固结机理出发推导出土体的三维固结方程"真三维。此方程反映出土骨架的变形与孔隙压力的消散之间的相互关系,也被叫做"固结理论。2.2.2太沙基固结理论为了方便分析与求解,Terzaghi假设认为。(1)土是完全饱和、均质的理想弹性材料。(2)土颗粒和孔隙水不可压缩且只存在微小变形。(3)土体中孔隙水的流动服从达西定律,且渗透系数等于常数。一(4)荷载是次瞬时施加于土上,且荷载值始终不变,土体所受土应力不随时间变化。(5)土体中只在竖向方向上发生渗流和压缩。根据以上假设全饱和的情况下2-1,在土体完,如图所示。
西南交通大学硕士研究生学位论文第13页^1IA11^1i1u二0排才ji\/|'='^_■r/HIijLrH”不邊:ijSax-图21太沙基单项固结&=单元土体中dz=ct,,即体积压缩量变化量表面流量差值。¥dtdz^=^-dzdz(21)dtdzS—式中,体积应变;v—单位面积流量q。,其后又可根据达西定律,得--1q=土(22)式中一,K渗透系数;—水容重K;U空隙水压力。-2)代入式-将式(2(21),得&-与(23)dtdz总应力不会随着时间的改变而产生变化,故弹性土体单向压缩有化(2-4)dtdtdt—式中,s竖向正应变;:二体积压缩模量,/M1+e();y—压缩系数;e—孔隙比。将式--erza(23)代入式(24)中,得到Tghi单向固结的基本微分方程
西南交通大学硕士研究生学位论文第14页化=C(2-5)v与dtdz式中—,C固结系数,+,由图2-1所示的初始条件和边界条件分别为,="4=00=■-0(26)-七。^=0&:=H."式中0一,初始孔隙水压力;H压缩层厚度。在式-6(2)条件下,可得到太沙基单向固结基本微分方程解析解,'-Mruzt=sinsne-cfei27(,))()警警式中=,27—时间因素=,TCIH、;”J2.2.3比奥固结理论一只考虑土体只受到重力影响的情况下,在土体中取微分单元体,并且令应力以拉为负,,Z坐标轴向下为负,则三维平衡微分方程可表示为dxdydz-?=(28)0dxdydzdvdr^_2L_L_+二Ydxdydz根据有效应力原理’,且假设孔隙水不能承受剪应力,有效应力C7与孔隙压力11之和等于总应力c-8)可r,上式(2改写为££1+£!^+_^+生=0dxdydzdx2-?+!fl+?+生=(9)?dxdydzdy&+&+义+生=_,dxdydzdz
西南交通大学硕士研究生学位论文第15页""?式中,^、^、^为X、y、Z方向的单位渗透力。dxdydz-可根据本构方程将其中的应力转变为应变式(29)。且假定土骨架为线弹性体,服从广义胡克定律,则弹性矩阵D为[]<2-10)=2G-+'a{es)\^^^^=2G-+oes\{,)^^-l2v,式中,G剪切模量;V泊松比。在小变形假定下,其几何方程为dwdw^.-=-( ̄- ̄-£+,y)‘^dxdzdy-(211)e=-^y,产^过办dxdzdw,dwdw.,=-+?’言r广(言言)式中,W表示位移-11)-1(-将式(2带入式(20),再带入式29)中,得到弹性问题的平衡微分方程。G9.dwdwdu-??2^- ̄- ̄- ̄^GV一=+++0()l-2vdxdxdydzdx2-12)(_-_£_.±??:^=G▽、(0-\2vdydxdydzdyGddwdwdu?2^- ̄ ̄--一=-GV ̄+++r()1-2vdzdxdydzdz2一=___式中,甲拉普拉斯算子,▽^++。^^2^^dx办57由达西定律可知,通过微小土体X、y、Z面上的单位流量为'尤5?X=<lx-(213)yK^Kdu:了K
西南交通大学硕士研究生学位论文第16页 ̄X式中,Kx、Kz、K、、z方向的渗透系数;yy—水容重Yw。又由土体的连续性可得,=-一(214)dtdxdydz-入式-将式(214)代(213)可得:i-=(215)2,2zi,dtr/ac办Qz===如果假设土的渗透性各向相同2-(KxKKzK),式(15)可改写为以位移和孔y-隙压力表示的连续性方程(216)。dwdwd.dw,,.K2?<:'^i、— ̄i-+ ̄ ̄-+—Y\=0(2-16)()dt8xdydz--立起来将式(216)和式(212)联,就可得出比奥固结方程。2.3软弱土路堤工程特征及其病害研究2.3.1路堤工程病害简述目前所采用的对软弱土层的加固技术,由于工法和软弱土难处理等多方面的原因,会导致软弱土地基高路堤发生变形破坏。在工程中,其破坏主要表现为:路堤填土幵裂、路基整体刺入、局部沉降、路堤边坡滑塌、圆弧滑动以及路面结构破坏和软弱地基工后大沉降问题等。2.3.2路堤病害旳几种模式(1)路堤填土开裂图2-2下卧层厚度差异产生的裂缝由于下卧层厚度的不均勾性而导致高路堤填土在自重等荷载作用下,产生纵向裂缝一,这些裂缝般发生于路面边缘4m左右地段。裂缝形式分为纵向直线形和纵向弧
西南交通大学硕士研究生学位论文第17页一形。如果裂缝为纵向直线形,那么裂缝在般情况下,两端均未延伸至路堤边坡;如一-,2所。果裂缝为纵向弧形,那么般情况下裂缝两端将延伸至路堤边坡处如图2示(2)路基圆弧滑动工程实践已经证明。,,,均质土滑动破坏为圆弧滑动当软土比较均匀厚度较深时一。试验和实际工程中表现出的滑动面为个近视的圆柱面,并陷入软弱土地基之中而一当软土层厚度较浅又或者软土层中夹杂着弱土层时,滑动面会形成个不连续圆弧面,其不连续圆弧面为不同的圆弧和夹层形成的直线所组成的复合面。在软基上,都会引起软弱土,因路堤所受荷载的不均勻或路堤开边坡幵挖等原因地基的不均匀沉降而使路基幵裂,从而致使路堤随着路基的开裂处沿着圆弧面产生滑2-动,如图3所示。软土^土a)路堤中无牵引裂隙的复合滑动b)路堤中有牵引裂隙的圆弧滑动2-图3圆弧滑动破坏(3)刺入破坏路堤在软弱土层受到路堤自重荷载和路面动荷载的共同作用时,软弱土层在路基一的定范围内产生大沉降,,而导致路堤基础沉入软弱土层中同时由于上部荷载的挤2-压等原因,引起基底软土向两侧推挤或隆起,从而使路基发生刺入破坏,如图4所不。'Z00000-._----XXa00^图2-4刺入破坏(4)路堤边坡滑塌软弱土高路堤由于路堤高度过高,通,容易形成路堤边坡滑塌常滑塌可分为直线型滑塌和圆弧形滑塌。直线型滑塌,多以粗颗粒土体居多的路堤填土易发生;圆弧形2-5滑塌,多以细颗粒土体居多的路堤填土易发生。见图所示。高路堤填方体的坡率、填筑体由于施工不合理造成的强度不达标和运营时特大型车辆等产生的动荷载作用等问题,都能造成填筑体承受不住上部荷载的作用而失稳破坏。
西南交通大学硕士研究生学位论文第18页—■""“——-““—"W?■?mIfHIwmwzfc)路堤边坡直线型滑塌d)路堤边坡圆弧型滑塌2-图5路堤边坡滑塌(5)地基工后沉降由于软弱土体的流变性,软弱地基在路堤填土的自重作用下会发生缓慢的长期的变形而导致路堤的沉降。路堤沉降有可能由于软弱地基由于上部荷载作用导致的侧向隆起与竖向的下沉的联合作用的结果,也有可能因为路堤中心竖直嵌入软弱土体中引一起。沉降量通常可达数十厘米。而对于软厚的地基,沉降量有时可达到两米。并且竖向的位移大于水平的位移,中心的沉降大于两侧旳沉降。二者的比值取决于软土层厚度、上覆荷载的加载速率以及路堤的几何尺寸。而沉降的速率与软土的性质、厚度以及排水层有关。2.4本章小结本节主要对软弱土地区路堤进行了综合性阐述。主要针对软弱土的工程特征、现。有加固原理及技术,以及土体固结的相应理论同时对软弱土路堤常见病害进行了简明的阐述一,并对高速公路软弱土路堤的破坏模式有了定的了解。并简要叙述和分析了各个工法在处理软弱土地基时所存在的优缺点和使用范围,为下文引出软弱土地区新型加固结构进行了铺垫。根据路堤修筑综述,在此对新型加固结构的技术核心简要叙述,以引申出该路堤加固结构的特点。(1)对拉柔性结构与路堤填土、软弱土层可组成复合土体,增强土体对上部荷载的承载力;一(2)承受上部荷载会使对拉筋带产生定的变形,由于柔性结构和对拉的关系,此变形会产生对拉两侧桩板墙结构的拉力;(3)锚固于路堤两侧桩板墙上的对拉筋带,会将其变形所产生的拉力传递给桩板墙。而复合桩板结构则是主要承受深入土体中的桩周土抗力、对拉筋带拉力以及软基之上上部荷载所产生的侧向压力;(4)下部带翼板的结构主要目的是阻止路堤下方软弱土的向侧面的隆起,从而达到约束路堤侧向位移的作用,进而起到了维持路堤的整体稳定性的功能;一5一()如果给对拉筋带个预应力,会使两侧的桩板墙产生个向路堤内侧的变形,
西南交通大学硕士研究生学位论文第19页此内侧变形可改善或控制路堤沉降,并对铺固在其上的桩所受弯矩有改善作用。在几乎不改变软弱土体的特征的情况下,通过路堤新型加固结构体系各个部件之间的相互制约的作用,以达到对软弱地基上的路堤进行加固的目的,可谓是在新领域的一次探索和思索。
西南交通大学硕士研究生学位论文第20页第3章深厚软弱土地区路堤加固新型结构分析软土地基稳定加固措施一般可分为地面稳定和地下稳定一。地面稳定措施般常使一用铺设土工织物、放缓边坡、反压平台等。地下稳定措施般使用的有置换预压法、排水固结法、CFG桩法等。一目前,国内对于处理软弱土地基的技术已经日趋完善,常使用的工法如桩网复合地基法、真空预压排水固结法、CFG桩等在发展趋势和研究方向而言,已经达到了能够有效地解决以及治理软弱土地基存在的相应工程问题。但使用这些有效的处理措一施往往会面临着施工工期长、工程照价高等系列随之而来的问题。同时,对于这些软土加固措施而言,也只是解决了地基的承载力问题以及过大沉降或不均勻沉降等单一方面的工程问题。对于筑路的安全稳定长久而言,还需要进步考虑路堤边坡稳定性等地基基础之上的工程应用问题。一伴随着解决这系列问题,同时依托于现代化的先进的施工技术与层出不穷的新型材料的保障,以及实际工程中对于新加固技术的发展的需求,本文提出软弱土路堤新型加固结构体系用以加固在软弱土地基上修筑路堤。在基本上不改变软弱土的工程特性的条件下,依靠加固结构体系的整体有效的力学闭合性来起到控制路堤形变以及一增加软弱地基承载的能力,将是对传统的被动的加固软弱土地基方法的种全新的尝一一试性的改进,也是种对固有工法原理的种全新思考与丨全释。3.1路堤加固新型结构及其作用原理"""""""""iU-图31加固新型结构体系的基本构造图
西南交通大学硕士研究生学位论文第21页3-1所示加固新型结构体系的基本构造如图。软弱土地基所受上部荷载可由对拉筋带及其由筋带改良后的路堤填土、软弱土地基共同承担。对拉筋带在受到上部荷载一的作用下,由于两侧铺固于两侧柱板墙之上,因而将会在竖向方向上产生定的形变。这种形变的发生将会使对拉筋带由于变形而在其内部产生一个沿着对拉筋带方向上的拉力To,而这种拉力将会全部传递给两侧的桩板墙结构体,并通过桩板结构体中的桩土摩擦以及一定条件下的软弱土层下方的密实土层的承载力给予支持。而将上部荷载转化为水平荷载的对拉筋带又会使桩板墙产生向路堤内侧的位移或者约束桩板墙由于路堤边坡压力产生的路堤外侧的倾斜位移一。从而形成了个力学上闭合的整体结构加固体系。(1)新型结构体系对软弱地基的改良。一一加固新型结构体系中,柔性拉结筋带部分位于路堤填土下方,甚至于些直接位于软土地基中的不同深度处,并与路堤两侧的连续披板墙铰接。而深入软土地基中“”体的柔性拉结筋带以及铰接的两侧桩板墙与地基土共同构成类似于桩网复合地基“一一一系,连续桩板。总体来说新型加固体系对软弱土地基的改良是种由拉结筋带土”“”体协同作用、桩和加筋土体共同承载的人工地基:①。其作用原理可简述为拉结筋带与土。拉结筋带位于路堤填土或软弱土层之中,它们之间主要通过筋带的托举力和筋带与土体之间接触的界面所产生的似摩阻力来共同作用。筋带将上部填土的重量一以及外加荷载较为均匀的传递给铰接在起的连续桩体以及软弱土地基,使桩和土体共同承担上部荷载。同时,,位于土体之中的对拉筋带可以扩散土体应力提高土体的承载能力,减小地基沉降和不均匀沉降,限制柱板的侧向位移,从而达到增强土体的稳定性和整体性的目的。②桩板墙与土。主要通过有效桩长范围内柱板的侧摩阻力来承担荷载,同时位于两侧的桩板对于路堤又起到限制其侧向位移的作用。(2)新型加固结构对路堤的加固。“”一铰接在起的桩板墙结构与对拉筋带,可形成类似于互锚式拉结筋挡土墙的整体结构体系,通过筋带的变形以及与填土间的摩阻力有效的拉固桩板墙的侧向位移。而两侧的柱板墙又对内侧的土体起到了约束其位移、增强其整体性与稳定性的作用。一一同时方面能有效地减小诸如路堤圆弧滑动,、边坡滑塌等路堤病害另方面又能减少主路施工过程中的大量占地和拆迁情况,大大的节约了工程经费。3.2路堤加固新型结构体系理论研究-2所软弱土地区路堤加固新型结构体系几何模型如图3示。
西南交通大学硕士研究生学位论文第22页yb,b.,IIf,|h。/\5:q。Hi::H广iHHrm-r—*‘‘?…「>>///^一XKK-图32新型结构体系整体几何模型图由图3-2所示,路堤加固新型结构模型的整体受力情况比较复杂,需对其整体结构进行拆分,从局部开始分析。3.2.1拉结筋带理论分析假设结构体中,所有竖向力的方向都是向下为正向上为负,则对拉柔性筋带所受的竖向合力为:当时:-q=xI/+fK(3-1),r(,,),y(其中=--qhxK+YH(3-2),r^{)yy,办23一)其中,路堤填土平均重度(kN/m;3Kv—m)温克尔地基模型的地基系数(kN/;一拉结筋带的烧度y(m)。3.2.1.1柔性结构不考虑土摩阻计算柔性结构计算基本假设:(1)假定柔性拉结筋带不受土摩阻力作用;(2)筋带承受的土反力与筋带的竖向位移成正比,也就是满足Winkler假定;(3)假定柔性拉结筋在土中是成直线布置;(4)假定连续桩板墙无侧向移动,即拉结筋带锚固于桩板上。(1)上部受均布荷载-取单位米宽的筋带的微段分析,如图33所示。
西南交通大学硕士研究生学位论文第23页To■*1qodxITo.,r+^。丢去<5^-图33筋带微段受力图(不考虑土摩阻)由于假定筋带不受土摩阻作用,则筋带拉力的水平分力r不变,即F=7。因此。。i字ax可建立微分方程:-=r+rrfx-9((33<A。士。))字ax字axax字ax化简么-4)i(3'dxr。-34所示--由于上部受均布荷载,路堤结构如图,根据上式(31)、(32)所求,将&=-的方程改为#尤^9。7^>。^y-—^—Hii丨H丨m——‘XTJ112-4筋带上部受均布荷图3载路堤结构图因此控制方程式3-4()可变为-(35)2,由T7。;
西南交通大学硕士研究生学位论文第24页22i=l^:^令;1=,那么;L得TTko,y^iz=;e.ILx(3-6y)^dxk根据边界条件解得:=UWocosh叫(3.7)1叫KcoshAiy(o)==3-7)7。可根据经验先假定7式(解得的;中仍然含有未知常量孙,利;;;冲。/。用筋带的位移协调条件迭代求解7,也就是利用筋带的伸长量迭代求解。;一方面:对y进行曲线积分2y=s-2b_-Al+cfo:2A(38)j^Vyo一i=i=?N二包?另方面:根据材料力学知识可以知道,T及drdxds可得。dxEAEA=(3-9)d—。式中,r单位长度的筋带受拉力所产生的拉伸量='利用AS可得:2-1(30)S—上式求得的r与假定的7般情况下会不相等,但运用MATLAB经过若千次迭。;代求解,达到设定的求解精度。,能够让两者的差值不断的缩小(2)上部受任意荷载由于上部所受荷载为任意荷载形式,那么可以将其看成为作用于Winkler地基上抗弯刚度值极小的柔性梁进行求解。对于柔性拉结筋带而言,其扰度?与荷载q、地基压力P的关系为:-=-EIx(311)^qi)pax2—*m式中,EI对拉筋带截面的抗弯刚度,kN。引入winkler假设,js,即可得到winkler地基上筋带的烧曲微分方程:
西南交通大学硕士研究生学位论文第25页=-EIxko)(3-12{))^qdx-式312):(可改写为*d(ok.qx{) ̄-=+(3-13)'dxAEIEl令=4l(3-广p带入方程13)可得,\aei^dG).ax_4。…(),-^^"“=+4-/?<y(314)r'dxEI一=-基本微分方程式(314)为四阶常系数线性非齐次微分方程,如果令9000,则可得出相应的齐次方程。j4+=-g4,<o0(315)一那么非齐次方程3-(14)的通解则是由齐次方程的个通解於丈 ̄*^a=ecosxsinecos6x+Z)xAxsinP+B+C{fi)P)(;一=3-和非齐次方程的个特解?所组成。因而,方程(14)的通解可表示为:'-^'和=x+B-COeAcossnx+eCcosx+Dsinx+cox16)i(3{fifiPfi)()^i)一一-其中-,由式(316)可知,为次多项式,那么可以得到方程314的个特解为:c^(x)=^(3-17)k--=将上式(31)、(32)所求qo带入(》辟X)可得(当0SJC时,=氣-叫⑷(318)Jck=—^-19(3)kk、当扰度?求解出之后,对拉筋带中的任意截面的转角0弯矩M、剪力Q可由下式-、(-、(-。(320)321)322)的微分关系式求得
西南交通大学硕士研究生学位论文第26页-。对于转角0而言,其可以根据式(320)求得—=-9320)(dx:—工办-終-=—=x0cossnecos9xC8nxe(Aix)+Dp)si邱{)fi)^fipfi其中,—ByH扣办-A-+ecosxBnCcosDsnp(+sixSx+ix\^pP)和(j^)kb^-2对于弯矩M而言,其可以根据式(31)求得。=-—-=-MEIEI(321^)dxdx!*和一---xc其中xC\AesinxBeosx,{Dcos%mpppfi)dx(-22。对于剪力Q而言,可以根据式3)求得=一-El(322)dg"xdx其中,^]办坤叉=-)--2Ccosfo+_DcosCsin&x+ZsinySlesinfia:Besinx0fi{yjydx-她:和Aecos3x+Becos/根据简支端边界条件=(oQ)0)M6=0()'o=oe()0=0炉()即可求解出通解中的未知量A、B、C、D。-2根据边界条件,可以得到方程组(33)。—仲选C=Acossin3b+ecos3b+Dsin3b+0S6+5)()(yJjjk八H、--.pA+BC+D.ppfi巧23)(3k^-项柳-灿-C-=DB02ecosbsinb+Aesinbecos3b0{pfifi/)'^^^-=23AiC+l+IpB+pD0Jp
西南交通大学硕士研究生学位论文第27页仲=eA1=sm^bA2令并将方程组转化为矩阵形式,COSb=A3p=PAA__制A\AI^]「」[A1A1AkAAAA-AAAAB+HH.{),、.‘。=-r(324).,,门,^^-2A4A\A22A4A\A3?A0\A1D''''-2^42AA2J42^4。_」L_运用MATLAB编程对上式矩阵进行求解可解得A、B、C、D。由于上式解得的y中不含有To这个未知量,所以对于To的求解可以根据材料力学知识进行求解。=W由材料力学知识知:EA式中^,To对拉筋带所受水平拉力,kN;Smo对拉筋带原长,;EA^对拉筋带的抗拉刚度_m,]cN;A5—对拉筋带的水平位移,m。则可得PJ=—TAs-(325),?^0而A5可有对y进行曲线积分求得。=-=---Ass2b2l7dx2b(326)^^J^o—式中,S对拉筋带受拉力变形后的总长度,m。-325-将求得的对拉筋带所产生的竖向变形的表达式代入式()、(326)中,便可求解出拉筋内力To的表达式。3.2.1.2柔性结构考虑土摩阻计算柔性结构计算基本假设:(1)假定柔性拉结筋带受土摩阻力作用;(2)筋带承受的土反力与筋带的竖向位移成正比,也就是满足Winkler假定;(3)假定柔性拉结筋在土中是成直线布置;(4)假定连续桩板墙无侧向移动,即拉结筋带锚固于桩板上。-取单位米宽的筋带的微段分析,如图35所示。
西南交通大学硕士研究生学位论文第28页"^塞ToI_IT1odxIq;+?去!^^^;,丨<-图35筋带微段受力图(考虑土摩阻)其中dT根据拉结筋挡土墙中,对拉结筋带的摩阻的计算求得,r=2a-取rf的最大值Mdx。35所示可以建立如下微分,RdT因此,根据受力分析图方程组:=TdxT++TAdx,^q^,{ax^ax^oxax8T(3-27)7+必=7+,办;;dx=ndTIcrrdx其中,^f—G=-<7h单位面积上压力(上部土体和外部荷载),y,,,,r对拉筋带的半径(mm)。f土与柔性接触面的摩擦系数,称似摩擦系数。其值取《公路加筋土工程设计规范》(JTJ--01591)推荐采用的似摩擦系数值,如表31所示。3-表1填料与筋带之间的似摩擦系数f—填料类型似摩擦系数填料类型似摩擦系数 ̄ ̄中低液限粘性土0..250.40烁碎石土0.40050+0-砂件.350.45-根据上式-由于上部受均布荷载路堤结构如图34所示(327)所求,将o的方程,,q=H-K改为qGryy。(3-27因此控制方程组)可变为dxk(3-28)T+dx^T+^dx^^^dx根据边界条件解得:=Mo[)
西南交通大学硕士研究生学位论文第29页HcoshAjcy()_少_3-29)cosh2Z)((。)」T=o3.2.1.3柔性结构影响因素分析为阐述各个参数变化对柔性结构的影响分析,需先确定各个参数的基本值,如表-32所示。表3-2某工况计算参数基本值项目H。Hibob2KYE^^单位mmmmkN/mkN/mGPa数值05U0195^^3-2-,36所示根据表路堤基本参数可以得到相应的路堤参数图,如图。13__y丨|=5r19kN/m3.1IM111III—X软=土Kv500kN/m3层-图36路堤相关参数图(单位:m)如图3-7所示,可将拉结筋看成上部受均布荷载影响,运用上式解得公式可对路面沉降进行求解。=只改变路堤宽度即b5m、7m、10m、13m时,不同路堤宽度对沉降的影响如图3—7。。如图所示,可以看出路堤宽度的改变不会影响沉降量
西南交通大学硕士研究生学位论文第30页路捉宽度影响丨丨冬路圾宽丨im/-15-10-5051015TTTTTTfTT■-&-1。.0511fiJSS:^tS5m^Ij堤宽度7m;I\\t\Ii1I■ ̄"4O.IO6路堤宽度10m!i\\Xiitf—m雲JJJ0.20图3-7路堤宽度对柔性结构体系的影卩图=只改变路堤出露段高度即Hi5、7、9、11m时,不同路堤出露段高度对沉降的影-响,如图38所示。?''出ifa段A度彩响Id路宽度/m-15-10-5051015—0.00I■1111■1I010■--BH=^l5nn:=I-。-.3。j/^WBBSBSKSSSBB0S0^^咖丨1li_;iii___ii丫li_-图38出露段高度对柔性结构体系的影响图3=只改变软土层Winkler地基系数即k200、500、800、lOOOkN/m时,不同地基系-数对沉降的影响,如图39所示。
西南交通大学硕士研究生学位论文第31页地遥系数影响阁路宽丨-15--1050510151'0.1‘rI1110011fl1^I'^■VNftV<T——————■nB&aanao?—■B—Mt__wTJtiV^'^^^><<--=\>K)HnninTnnniiiiiimniiiiinmiiiiiiiiiniri*50yj]k0乏(j--=;e<zTl800,;^^j?-=100K0.30bTA^k0蜜l■0,40f^tiff0.50图3-9地基系数对柔性结构体系的影响图3.2.2桩板墙理论分析软弱土地基上的路堤变形破坏,在实际工程中主要表现为边坡滑塌、圆弧滑动、整体刺入或局部沉降、填土开裂等路堤常见病害问题。而其中圆弧滑动、填土开裂、路堤边坡滑塌都可以拟看成边坡的滑塌,桩板墙能有效的控制住高路堤。新型结构中上的这种破坏模式,其本质的原因在于桩板墙结构中的桩体可以拟看成在锚索力作用下的抗滑桩对滑坡的控制影响。从而在计算路堤加固新型结构的柱板内力时,可以利用滑坡体中抗滑桩内力计算方法对连续桩板墙体进行内力计算。从桩身的变形情况而言,抗滑柱可分为刚性桩和弹性桩两类。刚性桩截面较大,长度相对于弹性披较短,其刚度与柱周岩土相比为无穷大;而弹性桩相对刚度比较小。本文中,在软土地基上修筑的连续桩板墙结构根据其刚度远大于桩周土层,因而可用刚性抗滑桩来对其进行比拟计算。从桩的受力状态而言,抗滑桩又可分为全埋式、埋入式和悬臂式。本文中,结合-控制公路边坡的桩板墙的受力状态及其构造,如图31所示。因以悬臂式抗滑桩的结构分析来进行内力推导计算。综上所述,本文采用刚性桩的角变位法来对桩板墙中的桩所受内力情况进行分析。3.2.2.1角变位法计算被板墙内力连续桩板墙计算基本假设:(1)柔性拉结筋带直线布置,即不考虑拉结筋带的竖向拉力,只有水平拉力To;(2)不考虑桩板墙结构体竖向的侧摩阻;(3)桩板墙为刚性。当桩板墙埋入软土层中,在路堤边坡侧向土压力的作用下,桩板墙中的柱将绕地
西南交通大学硕士研究生学位论文第32页“”一面线以下yo处的0点旋转个(^角度,从而使得桩体周围的土体由于桩的旋转位3-移而受到压缩。其变形情况如图10所示。 ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄“/I路堤填土,/7\/—1aI地面线-^'55^1丄%_I_?Ca软土层丨软土层-^K ̄H/图3-10桩板墙计算简图-如图310所示,整体柱体结构可分为两部分计算。本文在推导中认为对拉结筋带作用于路堤与地基交汇处,桩板墙上所受路堤填土一侧向荷载为库伦主动土压力,且土压力按般库伦土压力分布形式进行计算,即分布强度沿桩体呈三角形分布。下面是具体推导过程。(1)地面以上部分假设连续桩板墙构造在地面线处为固定端。-1桩身所受土压力如图31所示。丨.?路堤填土E厂a-L-/地面线_柱权±舊软土层-图311连续桩板墙中杭身所受土压力图3-a由图11可以知道,桩板墙所受土压力在点处的强度
西南交通大学硕士研究生学位论文第33页=-cTKry(330)^^式中K—,a库伦主动土压力系数;—填土重度N/m、Y,k一那么,根据般静力学可解的a点处的桩板墙内力。(3-31)(3-32)6—a式中,Q点处所受剪力值,kN;aMaN-点处所受弯矩值,km。a(2)地面下以下部分将地面以上部分所受总体的荷载转化为作用于错固段顶端的弯矩Mo和剪力Qo。-2所示则连续桩板墙地面以下部分带翼板的间隔桩所受荷载,如图31。oJf地面线软土层I」i^min""""^max、3-2图1带翼板的间隔桩体受力情况图--根据上式(330)和式(331)可得M=Kh(3-33),\j^0(3-34)设在上覆土压力的作用下,间隔桩的桩身绕0轴旋转0角,深度y处水平位移为AxAx=-/an《tan,而角很小,t,:,则O>)0於《於则得该土的侧应力为。--=-=-m(ybxC{yy^(335)^^)y^
西南交通大学硕士研究生学位论文第34页在桩体埋置总深度h上的侧向土应力之和。h1—-?-R二故y=3>'(y汝2h336)(oJ)持(h7o)60对滑面c处的力矩为:=-=-MBmiy\yyBmh43h3-37)^\y)()^j,^,^1*^0桩底面的压应力:=-±cd<>3-38,l()\A2=<T+-=则桩底所受合力NCTdB{^)Nk\^对桩底截面中心的弯矩为:==-<^339(max()1|桩身的静力平衡方程为:=-=--=2xm-B<>h22h3400QRh0j\y)0(),0\,6"^=---=SM=-0M+MM+Bm+h43/?EC>d0341c。c。p(7。)J()士^联立方程组可解得:Bmh\m,+3Q,h)+6Q,C,dWBmh\3Mo+2QJi)123+2e/(o03.43,()Bmh+\%CdW\,-^地面以上连续桩上所受总荷载对桩面处中心旳力矩m其中,Mo,kN;Qo地面以上连续桩上所受总荷载对桩面处的剪力,kN;—桩底截面模量=LW,WBcf,6N—桩身自重,kN;2AA=B.dm桩底截面积,,;d—横向桩宽,m;B—侧向桩宽,m;3C"一,kN/mo桩底竖向地基系数;
西南交通大学硕士研究生学位论文第35页m^地基系数随深度变化的比例系数;3C—桩侧侧向地基系数,kN/m;y根据式-(342)、(343)可以得到,=--(J(344)yOo ̄-=Bm32(3-45y)Q,Qo^y\,y)=--M+Bm(-My,2y346)^,Q,^/i,y)^3.2.2.2考虑受荷段下端变形的计算修正一整体结构桩板墙本来为,只是为了便于计算才将其分为地面以上和地面以下两部分来进行内力计算。从假设出发,对于地面以上受荷段计算时,计算是将地面线处视为固定端。然而,当桩绕y点旋转时,上部连续桩板墙中桩身部分也将会作为桩身;。整体的一部分跟着发生转动一。这样,地面以上受力部分的下端实际上会产生个水平位移Ax=^。y,与上部假设矛盾,所以需进行。^修正。假设地面线处受到力Fp的作用,可以利用结构力学中得虚功原理对进行求解。由于桩板墙为刚性抗滑桩结构,其间各微段不产生任何变形,故变形虚功只需求解外力虚功tjr"那么,可以算得3^A1_-F==47(3)^Ax,yo^Ax—式中,土压力作用处桩板墙的桩体侧向位移;。t—sX地面处桩板墙中的桩体侧向位移;c=-F7-(-。(、则可将Q,带入式(340)、341)解得由于直接再次把jp;。5^。进行理论推算,其最后得到<结果太过复杂,不易进行工程计算那么可以直^’^、;、、接利用上式中求解出来的>’将为已知条件,然后进行计算解出。?;。於作7。但这样求解出来的结果和实际求解的结果会产生微小误差。)Bmhm^^h)+6CdW,\,Q,a,_。Bmh\3M^+2Q,h)
西南交通大学硕士研究生学位论文第36页123((3.49严)'Bmh--\\%CdW^’’一-^--可求得桩板墙的第将少、带入式(344)、(345)、(346)次修正内力。。《‘?=--(T>(350)y(joyWm,-0/=a ̄Bmry\^y-2力(351),oM= ̄3-2M+Bm2y(5);,ay,fy\,y)3.2.2.3考虑拉结筋带变形协调的计算修正-50--式(3)、(351)、(352)中桩板墙内力分布没有考虑到柔性拉结筋在随着桩板墙的一,@’|==-Ax^侧向位移变化时,会产生定的拉力增量AF>^#,因而需要对上式(。LL方程进行再次的修正。“=-=^AF3-根据上面分析,2,MMI将其带入平衡方程式40、341中,解得、QQi2()()一'^、、、。r(>0?y。与上面假设致,令其为已知量进行求解)'Bmh4M+3;t+V6Cc/f(,Q,)Q,?一⑴))0Bmh\3M^+2Q2h)123+(2卿)-54)?(3*Bmh+\SCdW^"---二次修正内将V、(350)、(351)、(352)中,可以求得披板墙的第:。f带入式力。“”“=--CTJm(355)(oy)命yy"'”=--Bm2-56(3)QQryOy,y)yo\,o“=-Lm-M+QB2(357)。^y^ry\y,j)3.2.3拉结筋带与被板墙联立推导软土路堤新型加固结构体系本是通过柔性结构与刚性结构共同作用来起到对路堤的加固作用。在工程实践与现实受力情况下,柔性拉结筋带和连续桩板墙应该是共同承受上部荷载以及共同控制路堤侧向位移。然后由于其受力形式太过复杂,本文将其
西南交通大学硕士研究生学位论文第37页分为柔性结构和刚性结构两个独立的系统进行局部的推导求解,虽能够得出两个部分一一,的些推导,但从新型加固结构体系整体出发由于两部分其间的些假设与实际不符,从而需要对其两部分进行合并求解推导出其整体的内力分布特征。从柔性结构体系计算假设出发,,该假设中在柔性结构受力中假定连续桩板墙无侧向移动,即拉结筋带铺固于桩板上。但实际情况却是连续桩板墙结构由于受到主动土压力的作用。,,有向外侧位移的趋势然而柔性假设中是假定其铺固点无位移与实一际情况不符,所以需要对其进行进步改进。由于连续桩板墙的侧向位移导致的拉结筋带所受拉力To的增加,,而导致柔性结构会由于To的增加而改变其结构的整体变化同时如果完全放开柔性结构计算基本假设中的第四点假设,那么其边界条件将会成为一>^个不定式,增大求解难度。而且对于桩板墙的侧丨』位移相对于拉结筋带整体长度而言属于小变形。整体加固结构体系计算基本假设:(1)柔性拉结筋带不受土摩阻力作用;(2)筋带承受的土反力与筋带的竖向位移成正比,也就是满足Winkler假定;(3)柔性拉结筋带直线布置,即连续柱板墙计算拉结筋对其的拉力时,不考虑拉结筋带的竖向拉力,只有水平拉力To;(4)在计算柔性结构边界条件时,与连续桩板墙错固的拉结筋带无竖向位移,即=y(b)0;(5)不考虑桩板墙竖向的侧摩阻;(6)桩板墙为刚性;(7)新型加固结构体系整体服从胡克定律。取新型加固结构体系中,桩与猫固于桩身上的柔性拉结筋带进行分析,其整体变-形趋势如图313所示。f^\{i\tltt_—瓜s一X丄一灰q--卡-\I3-图13结构整体形变图、加固结构体系中,解得披板墙的侧向位移yo0以及柔性拉结筋带的y中都含有未知量T==o。那么可根据经验先假定7^?^1),利用桩板墙的位移协调条件迭代求;冲。。
西南交通大学硕士研究生学位论文第38页解To,即利用筋带的伸长量与桩板墙的侧向位移迭代求解。一方面:筋带的变形量可得:'',^‘=-=-As526+少2(-yl+dxlb+358)。办yo,。1jjoVo一=另方面:根据材料力学知识及办办可得:dxEAEA-(359)b-利用iSAj可得:\j-(360)5—上式求得的r与假定的7般情况下会不相等,但运用MATLAB经过若干次迭。;。代求解,能够让两者的差值不断的缩小,达到设定的求解精度3.3结构实例某软土地区高速公路某段为双向四车道设计,设计的时速为120km,路基宽度为26.5m,行车道宽3.75m,中央分隔带宽2m,左右半幅的路肩宽度都为1.5m,紧急停车带宽2m。该段软土属牛轭湖相沉积地层。其土层的分层情况如下:一第层:平均厚度为9.0m,泥炭质點土,掲灰色,软塑状39.8%,天然含水量为,3°湿重度为18.3kN/m。粘聚力等于0.012MPa,内摩擦角等于1.5。二土一第层:.0m平均厚度为1,极细颗粒的砂,并夹杂低液限的點性,湿重度般3°为19.6kN/m。粘聚力等于0.002MPa.。,内摩擦角等于205第三层:平均厚度为9m,泥炭质中液限勸土、泥炭质高液限粘土和泥炭层混合3层,灰黑色,压缩性高,有机质含量高,湿重度大约在16.8kN/m左右。點聚力等于°1O.ODMPa,内摩擦角为.2。34第四层==x:中等风化泥岩,天然重度Y30.3kN/mE5.8l0MPa。,变形模量-结合上述工程背景,可做出新型加固结构横断面简图314所示。路堤填土,如图3°的==P====m=m=Y18.7kN/m14ka(30H2.5mHi4.5mb1.b,c,,。,,H218,25,ol1.75m,p?3^=x=^各天然土层的基床系数如下:Kvi0.6l(ykN/m、Kv21.43xl0kN/m、^=xKv30.58l0kN/ni^
西南交通大学硕士研究生学位论文第39页J11.251.5-—-y ̄^/^XZ1了003-图14路堤横断面设计简图(单位:m)3-依据本章第.2节理论的推导与本小节工况的实际情况相结合,可得出如表33所示的路堤相关几何参数。-表33路堤几何参数表?d项目HoHiH2bo^单位mmmmmmm数值^^1811.751.5233-14如图所示,拉结筋带布置于与路面平行的位置,其下的软弱土层为表面游泥433=x质的粘土层,winkler地基系数可取为Kv0.6l0kN/ni,路堤填土的重度取18.7kN/m。“”=侧向地基系数计算利用M法求解,假设其与土层深度成正比,即Knv。根据表y443-4,m0.4xl0kN/m。所示取-表34非岩石地基系数随深度变化的比例系数m(水平)和mo(竖向)"编号土的名称m和IP。(kN/m) ̄1流,300塑粘性土Ii^l游泥(>5000土 ̄2软塑粘性10.5,粉砂5000100001^30 ̄硬塑粘性土.5>Il>0,细沙,中砂10000200004半坚硬的粘性土20000-30000、粗砂 ̄5研、砂3000080000、角烁砂、碌石土、卵石土块石土-6、漂石土800001200003.3.1拉筋的受力与变形分析运用MATLAB编程对拉结筋的变形协调条件进行迭代,可以求得本工况中To的=取值T131.333kN。将该工况中的数据带入上式方程中,可绘出拉筋的竖向变形图,()-如图315所示。
西南交通大学硕士研究生学位论文第40页路捉宽度/m-12-8-404812— ̄? ̄:!‘iF^1111ITI11!1;10;GOI!001ja2.00:?t4.00i“8.00-图315拉筋竖向变形图3.3.2刚性板被墙的受力与位移分析通过本文第三章第3.2.2节的理论推导,并结合本工况具体的参数值,可求解出刚一性桩体的任截面的侧向位移量。由角变位法的修正公式便可求解出板桩墙的整体桩身的内力分布。依据理论的推导与本章中某工况具体实际相结合,最先需要对连续桩板墙所受的主动土压力进行求解。在有倾斜面的路堤填土作用下,板桩墙中桩体所受土压力为库伦主动土压力,其土压力系数Ka按照库伦主动土压力系数进行求解。cos-(^Q;k()K:as_+sin?2外(r/)2cos?.c_+视+:]j-a?]cos+Scosa3()()jj-由图314即路堤横断面设计简图可知:。。。。====^=30a0S30515识y2=那么可求得,Ka0.776库伦主动土压力强度:?根据实际工况的基本参数值可以计算出刚性板桩墙的各个所需计算的参数值。如表-5所3示。表3-5被板墙计算参数表项目HoihhBdm^^''单位mmmmmmmkN/m251数值181.75\5234000.^_项目KaToQoMoCoWA^kNkNkN.mkNm单位/0\\]7200036数值.77636^--可以求得将上面参数带入式(341)、(342)中:,
西南交通大学硕士研究生学位论文第41页BM-都傅)鄉0==25.4067.°Bmh\3M,+2Qoh)l23M+2h(?Q,)二=00QQ00O585*Bmh+l8CCiWo3-47-4将上式带入其修正公式()、(38)内,可求得3脑4M+3/0+6C-’(,QQ。==25.597.“Bmh\3M,+2Q,h)123M+2gA(),,=__6635'Bmh+l8CdlV,-50-5将修正后的>v、f代入公式(3)、(31)中可求得桩板墙所受内力,可绘制成披板墙的水平位移图、弯矩图和剪力图。—2桩板墙10cm丨则向位移/0..000.501.001.50200— ̄"■■丨-■,-0!=11!.00rI500-^10-.00^00;1..0-20.00L25,003-图16被板墙水平位移图前力位ZkN--"--2001000100200300400-500-600700“ ̄ ̄- ̄-"———?■“? ̄"TS1f1i^‘1n1r11T1i:0v09i500-g-15.00运-20.00 ̄□」25.00_____________^______-图317板被墙所受剪力图
西南交通大学硕士研究生学位论文第42页?-;n.i--0-1000-2000-3000-40005000-50007000"O!T.OQ:1g11^5.00[)IHJ.0.00g-20.00"""""-25.00图3-18被板墙弯矩图3.4本章小结在施工技术日益发展、工程材料不断改进及其施工工法日趋成熟的今天,对于软弱土地区路堤新型加固结构在工程中的实际应用也将变成可能。因而,需要在理论计算方面验证该结构体系和工法的合理性与优越性,并通过力学上分析与推导以及结构实例的运用得出了如下结论。(1)分析了结构整体体系对软土地基上筑路的优势。(2)在路堤自重和Winkler地基模型的地基土竖向抗力作用下,推导出对拉柔性拉结筋带的竖向位移方程,并探讨了对竖向位移方程的影响因素,得出路堤填土高度Ho、软弱土层的地基系数Kv对路堤的沉降有较大的影响。(3)按刚性柱角变位法推导了刚性板柱墙的侧向位移方程,并根据刚性桩的侧向一步推导出连续桩板墙的内力表达式位移进。(4)结合工程实例,计算出拉结筋带的竖向变形和连续桩板墙的侧向位移以及沿桩长剪力和弯矩。通过计算表明,,单层拉结筋带对整体加固体系的影响有限因而在以后的工程中,应该在新型加固结构中加入对多层拉式拉结筋带。而且板桩墙需嵌固在坚硬的土层中,,这样能较好地控制板柱墙出现过大的弯矩更能充分体现本新型结构的工程应用价值。
西南交通大学硕士研究生学位论文第43页第4章路堤加固新型结构模型试验通过室内物理试验,研究路堤加固新型结构体内力性状、受力后软土地基的沉降。试验主要研究对象为连续桩板墙结构所受应力及侧向位移土压力以及柔性拉结筋带的扰度即结构体系沉降。试验拟自行设计软土地区路堤模型,研究在路堤自重及车辆静载作用下对新型结构的影响。在板桩的顶部布设位移计,测试板桩的竖向位移情况;通过粘贴于板桩各部位的应力片,测试桩身受力下的弯矩变化规律;釆用土压力盒测试在填筑以及填筑完成后受上部荷载中桩板各部所受土压力的分布状况。4.1模型试验相似关系4.1.1相似理论若两个系统在弹性范围内是力学相似的,则原型和模型都应满足弹性力学的平衡-1)---方程式(4、相容方程式(42)、物理方程式(43)、几何方程式(44)和边界条-件式(45)。担+⑷+jr=o^办-(41)d(cy)dix)-^+-^+r=odydx■++=04-2()()^?=^-.-(1J(43)^[21+/(/)du'=1&=—s-4(4)^dudv
西南交通大学硕士研究生学位论文第44页=-X<jcosahrsinor‘、^-_(45)-=70sincir+Tcosa,^?y^.-5a为边界面的法线与X轴所成的角式(1),。用P和m表示原型和模型的物理量,C表示相似比,将各物理量之间的相似比进行定义。i=几何相似比:c,十应力相似比:应变相似:=i位移相似比:C广¥0^tn弹性模量相似比:c,上E?&泊松比相似比:C,Mm边界力相似比=:体积力相似比:容重相似比:=lYm?4--把以上各相似比带入式(1)式(44),可求出各相似比之间的关系式。C=CC。ix=Cl-6(4),=Q1C-=Co-;fJ相似第二定理(相似定理)弹性力学模型相关参数表达式为,
西南交通大学硕士研究生学位论文第45页=-;?."4冗07/0,,,()12p)-n=k=式47中8,基本量纲2,选出体力X和长度1作为基本量纲的物理量,量()一纲分别为F和L:,根据量纲至少出现次的原则,有-^― ̄——=71-,=(48)==要使成为无量纲参数,则必须al,pl。故=IT-,(49)1X-l同理可得,n=-e^E=n-x3X-L4-(10)^X7t=.‘XL5TV=—.6L根据力的相似准则(力场的几何相似准则)则有,i=lCCl/x-^=1C厂Xc=l,4-11/()1W=1C-^=1CCxi^=1C丨4.1.2试验相似关系本实验拟在研究新型加固结构体系在自重及车辆静载的作用下,研究体系的位移=和所受内力的变化趋势。依据试验模型槽的装置的尺寸,试验的几何相似比Q20、=容重相似比C1以及无量纲的物理量如应变、泊松比、内摩察角相似比等于1为基y础的相似比,实现在弹性范围内各控制性物理力学参数的全相似性。
西南交通大学硕士研究生学位论文第46页4f=3.0><10MPa(取值根据试验条件及试验操作的可行性,桩板墙弹性模量取p参考抗滑桩弹性模量取值),模型试验中桩板墙拟用木材,木材弹性模量参考值为^=i=E?x。1.510A^a,则板桩墙与木材的弹性模量相似常数C20?£综上所述,并结合相似准则推得各物理力学参数原型值与模型值的相似比如下所一示。=几何相似比Ci20;=容重相似比cvi;泊松比、应变、摩擦角相似比分别等于1;强度、应力、凝聚力、弹性模量相似比分别等于20。根据上述的相似关系,试验模型的主要力学参数如下:(1)路堤填土:粘聚力C、内摩擦角9、容重(2)软土地基层:压缩模量E、粘聚力C、内摩擦角cp、容重Y、;(3)桩板墙:弹性模量E;(4)柔性拉结筋带:等效刚度EA。4..13相似材料(1)路堤模型及材料拟用砂土模拟路堤填料,并采用分层压实法对路堤进行填筑。软土层拟用饱和粘一次性填筑、内摩擦角、土(现场采样)模拟,采用。并通过试验确定各个土层的容重粘聚力等力学参数。(2)桩板墙模型及其材料桩板墙设计釆用抗滑桩的结构设计法,拟用极限状态法,按《混凝土结构设计规》-范(GB500102002)的有关条文设计。设计的连续桩截面采用0.8X1.2m,相互桩体之间的间距为4m。因而模型中桩板墙拟釆用40X60mm的木桩,间距为200mm。(3)柔性拉结筋带模型及材料试验釆用其直径为2mm的细钢丝来模拟对拉式拉结筋带,用环氧树脂作为胶结剂,并通过原型与模型等效抗拉刚度EA法,采用预连接法而后埋入设计位置的方法来模拟整体体系中柔性结构。仏上=48000
西南交通大学硕士研究生学位论文第47页4.2试验方案设计4.2.1模型几何尺寸设计一一般为般道路工程中,四车道的高速公路路基的宽度24.5m,六车道的高速公一一325?路的路基宽度.0ni高度般为12m。本实验设计模型按照路基宽度般为;路基29.0m11m的高速公路,按照几何相似比C产20制作模型,模型宽度1450mm,,路堤高度高度550mm,连续桩板墙中柱体的入土深度为200mm。根据试验需要,需自行设计和制作可供试验的试验模型槽,,为保证试验的相似性模型槽的大小也根据几何相似=比进行设计。路面模拟长度20ni,软土地基宽度50m。那么根据几何相似比Ci20制x2m-14---4作的模型槽就为1的砖砲模型槽。具体设计尺寸如图4、2、43、4所示。255^ZZ2j^0!0i0noIT^uHi獨?“‘ ̄—"‘“TWTwinT?1■■‘“"“‘‘'丨‘S402502502404-图1试验模型断面图(单位:_)240270250i250270240r17TTTr1T''‘I!tlft111丨iI||If]|丨I司I丨2III1i!!i丨!j1!I,,丄一串丨宇申申券__,|__培‘‘i-iiII1III—..一一—...—II1hTTiilii,[丨-I;mfIII_f‘■■_■—■f\",—IIf_I‘II220r220220SIIi220I丨j丨丨'I‘f^^I'1III""“”""4040404Q"“ ̄_‘'_'‘'Ir1111r|raio2101210210-图42试验模型纵断面图:mm)(单位
西南交通大学硕士研究生学位论文第48页25Z^^"|I/\Ii_n丨■I|」II丨I丨IIII丨IIIII丨I丨丨[j丨二/-=一二==一二-==-=_=一二二:i'a'I丨、人i————————_\y_3_Z_r^Vi早III--“Ii1"I^J^丨-rIaIIII-<b-I[^I-G£>--II1IISIIIIII ̄ ̄ ̄^rt^nnfTTTrrfrnn^r]4-3图试验模型俯视图(单位:mm)840lgolgo7S67IgDlEO240.,i,i,■^■...■IjI1^广!) ̄-1IIIIiIIInIi§^^“—^““^nf.1111I!111uIIIIiIIIV:|^]ai'''''''''''IIIIi11IIIII;————*—^————^—"——^——^——^——^———^—*———^ ̄ahn^IiIIIIIIII1ha^II1iII[IIIII!II1IIiiIIIIIIIII;{II1IIIIIIIIIIII1-a—图44a剖面图:mm)试验模型(单位4.2.2模型内力及位移测试设计(1)土压力测试设计在填筑和加载的过程中,利用土压力盒可测试作用于桩板墙上的土压力的大小,#?3#柱之间的连接墙体-测试桩为2#桩和3桩,以及2#。土压力盒埋设详图如图45所示。
西南交通大学硕士研究生学位论文第49页“r1[[1I'— ̄—^**Sii1^Ii4fi回回[^回I|jf回IIII(.IOJ」:丨II令回回1回1回i回II<=>I‘‘‘mj,,^⑴1[1][‘■I11t*1g6i林'丨I-1r1III!0II_I_1I_m,,一,,回I曾曾回t個—3#?_9林^■■-图45土压力盒布置详图(单位:mm)(2)位移测试设计新型加固结构体系的位移测试包括单桩的位移测试、整体路面的位移测试以及软土地基层的位移测试。单桩位移测试主要测试两侧4#桩的竖向位移变化。整体路面位移测试主要是测试路面三个角及其一侧路面中心点的竖向位移。而软土地基的位移测试则主要测试整体结构体系两侧土体的竖向位移变化。由于测试位移都只是沿重力方向上的位移变化-,所以可以从图46百分表布置详图中直观的表示出来。其布置如图4-6所示。nIU/MMMMMNMMMMMjzzn;^/\I—K/UUIIIy—II‘???IIL1I25#6#-JL-^^-GE>-IIII?-CEE>-?II7#1#IIII3#IIE>-IIIII^-"“r4#-—^ ̄||p" ̄"“ ̄"I=T ̄="“rnf===丨K\i|^r|||]|TTV-K乂-V-riHHHHHHHHHr^图4-6百分表安放详图(3)桩板墙应变测试、对于桩板墙结构,需要测试桩墙沿土压力作用方向上的应变值,并通过桩、墙两侧测试的应变值,从而计算出桩、墙在所受的在填筑、静止以及加载过程中弯矩的
西南交通大学硕士研究生学位论文第50页趋势和变化规律。因而,对于桩、墙上的应变得到的数据越多则对其趋势以及变化规律了解的越详细。在粘贴应变得时候,采用密集布点的形式2#,对1#桩、桩、3桩#-以及1#桩和2#桩之间、2#桩与3#桩之间的墙体进行两侧布设。其布设详图如图47-所示。试验中粘贴应变片的形式如图48所示。IIIII■■mil!!Ilrj||■————■1i+命如1+^iiiiiiiililliiiiiilljll■‘ ̄-TTi!Tl!!!1|![]+1命j|..‘■Aiiillili_._il_.^lijI!I!!!!Ij||十丨十ggP£20I220OII..l..._i.gg.|||||IilIfLlfLUliIIIII4-图7应变片布置详图(单位:mm)?-1%II£,】,?:K::‘*‘丨'‘iII:l111;;1:ij。:4:|讀1I!:w隱\麽:癖w戶_r图4-8应变片粘贴情况图4.2.3测试过程设计(1)在试验前期。对土体的各个参数进行测试,包括天然含水量,天然容重,而后配置成试验用土。在此其间,对其加水容重进行测试,并利用剪切试验仪对填土、软土进行直剪试验,根据直剪试验的数据可拟合出土样的粘聚力和内摩擦角的值。利-可用高压固结试验仪对软土进行高压固结试验,并根据试验所得数据做出的ep曲线以求解出试验土体的压缩模量。
西南交通大学硕士研究生学位论文第51页2一(2)试验测试阶段。路堤填土采用分层夯实,每隔00mm夯实次。由于新型加固结构釆用预制,所以在填土时就可以对其应变和所受土压力进行测试。路堤的填土填筑完成之后,对其进行静止和加载的测试试验。加载釆用堆载,堆载2次,每次440k一堆载g。同时,判定软土地基是否已经稳定并开始进行下阶段的试验的方法为当整体百分表在2小时内的沉降量小于百分表的最小量程(即O.Olmm)时,判定软-土地基己经趋于稳定,并按图46所示安放百分表。(3)试验测试全部完成后对实验所得数据进行综合整理和归纳分析。4.2.4土体参数测试试验及数据整理高压固结试验为测定模型试验中软土地基层在固结状态下的压缩模量和固结系数的响应特征,-釆用YSI型压缩仪,测定试样在刚性侧限、轴向排水条件下的时间与应变的关系。试验仪器如图4-9所-示,试验所需样品如图410所示。试样总共制备3组,主要物理指4-161820mm125kPa25标见表所示。试验环刀直径.mm,.、kPa、,高加载等级分为50kPa、lOOkPa、200kPa、400kPa6级加载。测记试验压缩量按、6s、1530、,Os、Imin、2min、4min、6min、9min、2min、16min、20niin、30min、50min、Ih、2h、13h、6h、24h,至稳定来进行记录。國^4-4-图9高压固结试验仪图10试验样本制作4-表1试样物理性质指标—.3-初始孔隙比试样编号含水量颗粒密度/gcmeo1#35.232.280.612#34.842.350.57M35^^^-e--?图411为试样曲线图,表42给出了在100200kPa土体压缩模量和压缩系数p。
西南交通大学硕士研究生学位论文第52页_i-压缩系数均大于05MPa由表42可知.,,试样属于高压缩性土;孔隙比随荷载的增大而减小,并与荷载几乎呈线性关系。0-.710.5-B--.4e2#:0.3#IIQIIIIIII(20100200300400500kPap/--图411ep关系图表4-2?100200kPa固结试验参数试样编号1#M^e0.初始孔隙比o.610.57060-压缩系数io/MPa0.6510.6780.622压缩模量E/MPa2.4752.2702.577直剪试验利用GeocompShearTracn应变控制式直剪仪,对填土试验和软弱土试验进行了2组共—8个固结快剪,竖向应力大小从lOOkPa直加载到400kPa,固结变形的稳定性-O/rnin,。标准取为每小时变形量不超过.Olmm,剪切速率为0.9mm试验方案见表43,环刀直径为6120mm,使用环刀制作土体样本.8rnm,高度制作过程中测定试样的基本物理指标。表4-3直剪试验方案试样编号试样类别竖向应力/kPa1-400软弱土1、200、300、400^100、200、300、400^一--1241图4、图3为两类别试样剪应力剪切位移关系图,抗剪强度取剪应力的峰值或其最终稳定的值,当未发现峰值时,取剪切位移为5_处相对应的剪应力的大小。
西南交通大学硕士研究生学位论文第53页1000、I'900丨1I=11=:^^:^:800^::^700^1—之6001竖向压力S--111—S300竖简压力_—200一體髮力^100/'lOOkra\Q….———.—Z'-AO00^H?^?Hrsjtir0*d^?H4D①O*i00r"0 ̄?t?々0①<^00守O£><N00U>?H卜m*-?-dOOi<nfNrk00j威iibf^l<00身Z-一图412填土剪应力剪切位移图140120…■100?”—S.竖向压力之80lOOkPa-R—竖向压力_60街I200Pka寐-"40foSS力=:■''*'...,‘..**..'.■*^0VVV、.>‘<'^?<0'A.?5%"PJ前l份孩/mm4-一图13软弱土剪应力剪切位移图-4-4根据图413,可绘制出抗剪强度与竖向压力之间的关系拟合线图,如图1所示。直线在纵轴线上的截距为粘聚力C,且拟合线的倾角为内摩擦角9。120r400「?▲=+y0.197x30?100h=^0724x+44.5?[y./_oo-r吴80f:。。■t;域00^20广1iiQ..1ii:Qi211i5015025035045050150250350450fel^APa竖向压力/kPa_____—^_a)填土关系曲线图b)软弱土关系曲线图-一图414抗剪强度竖向压力关系图°-=根据图414中拟合曲线,可以得出填土的點聚力c44.5kPa,内摩擦角(p36;°c=^30kPa=11。而软弱土的點聚力,内摩擦角9
西南交通大学硕士研究生学位论文第54页4.3模型试验数据整理及结果分析试验中,所得数据包括位移变化数据、连续桩板墙体的应变数据和由土压力盒所得的应变数据。通过位移变化数据可分析加固结构体系对软弱土地基上的路堤加固效果;土;连续桩板墙应变数据可分析连续桩板墙的弯矩的变化曲线压力盒应变数据可分析上覆路堤填土对桩板墙所施加的主动土压力值。4.3.1路堤位移特性一--图416和图4-17分别为路堤放置阶段和路基加载阶段沉降时间关系15。图4为路堤二次加载试验阶段图-。表44为各个阶段位移统计结果。4-二图15路堤第次加载图8*^-05a32441今296120144.3—-*-4#_^6#——1#—B—A3#4-6图1路堤静置阶段
西南交通大学硕士研究生学位论文第55页""”“时间t-./h0.1r时间t/h?040487296120144168Ii、■一_-0.2I__*0°e/1\7i\96120144^^"0.6a0.4^X^"''?^Ti!It:+2样+3#+4#Lt-0.8A5#H*7‘0.5^p7”一二次加a)路堤第次加载b)路堤第载4-图17路堤加载位移图--图415、图417可以看出,地基软弱土在上覆荷载的作用下,中间软弱土体有向两侧隆起的现象,其根本原因在于连续桩板墙的板墙结构入土深度不够导致。由此可一知,连续桩板墙结构的入土深度能够对路堤下软弱土体起到定的限制作用,有可能一定的影响-17对提高软弱土体的承载力有。而在上覆大荷载作用下,图4b表明,如果桩身入土深度不够,也会受到软土体由于路堤荷载作用向两侧隆起的影响,出现负沉降。根据相似理论,位移相似比与模型几何的相似比Cr20相等,那么路堤的最终全部沉降量小于-10cm。根据《公路路基设计规范》JTGD302004中,路基沉降计算,3E=244MPa=21取高压固结试验得出的平均压缩模量s.,p.3g/cm,利用分层总和法计算公式简算出土体沉降量约为18mm,及原型沉降达到36cm左右。而试验路堤总体沉降小于5min,原型沉降小于10cm,可知软土地区路堤加固新型结构体系对路堤的沉降起到了良好的控制作用。表4-3各个阶段各个百分表位移最终统计表一静置期第次力口载第二次力口载口分弄竖向位移/mm-1#2.510.20.952#3.040.60.283#0.250.350.334#3.170.455#0.0906#1.920.10.401#^^4.3.2桩板墙所受土压力特性土压力盒本质为应变式的传感器,利用静态的电阻应变仪进行测试。通过测试出-(1。来的土压力盒的应变值,利用公式42)进行计算求得土压力='4-12)pSK(
西南交通大学硕士研究生学位论文第56页式中—土压力kPa,P,;S—土压力盒所测得应变值;K一各个土压力盒的率定系数。-根据图4-5和图4-6所布设的土压力盒盒号4,与其相对应的率定系数K如表4所示。表4-4土压力盒率定参数K表土压力盒号1#2#3#4#5#6#7#8#9#—2率定系数0)6.9206.9207.3696.5798.4108.8117.3266.9255.882(1---?根据公式(412),可绘制出土压力与桩板墙位置关系图。如图418420所示。-?-图418420分别为填筑完成后土压力沿深度分布图和上部荷载对连续桩板墙结构的压力影响图。土压力土压力/IcPaI---0.012340.5115r00>111>?1IIIII1IJ'。:广./2::\f}Itf‘『:/i)\塵:”/卜\?700h700:J/800800L+第一次加栽+第二次加拔 ̄-N-6 ̄■2sa碰间板3;披^--图418填筑完成土压力分布图图419加载对2#桩的压力影响图土压力:t压Pa01,J4。,2‘.rIIII_■--一賺,■0II0,II_;:V\|r:)?如0?/;^/7■//500■‘.、://700VO600一一—一一一 ̄*一第次加栽一e—第二次加栽?第次加裁》第二次加载图4--#20加载对板墙的压力影响图图421加载对3桩的压力影响图-图418可以看出,在地基面以上(距路面深度600min以上),连续桩板墙所受土压力,随深度的增加而增加,呈三角形分布。而且在连续桩板墙结构中,所受土压力主要是依靠结构中的桩来受力,板墙所分到的土压力相对较小,从而使结构中的刚度
西南交通大学硕士研究生学位论文第57页一较大的柱体起到了定的分担侧向土压力的作用。地基以下(距路面深度600inni),所受抗力由于缺乏数据一,根据700mm处的点大致的看出土体抗力在定的范围内有增加的趋势-。图219,土压力盒所得数据都为负值,其主要原因是由于制作模型的过程中,对拉结构没能固定牢固,2#桩与板墙连接处水平向不平顺,在上部荷载的作用2#一下,对拉柔性结构出现松动,桩向外侧出现定量的倾斜,导致其附近土体出现类-。似临空面,而使其土压力盒所受的力在原有力的基础下变小从而形成负值根据图418分析可知,桩板墙结构中,板墙所受的压力会被两侧桩体分担,从而使板墙受力减小。一---另方面,图419、420、421的曲线变化,说明上部荷载对桩体的侧向压力会随深一度的增加而呈曲线变化。在定范围内,上部荷载的影响随深度增加而增大,随后随深度的增加而降低。4.3.3桩板墙弯矩特性--22如图4、图423所示为所测得的各个阶段桩所受弯矩沿深度的变化趋势图。图4-24为2#板墙结构所受弯矩沿深度的变化趋势图。各个阶段稳定后,桩板墙所受的最终弯矩的最大值及其发生位置如表4-5所示。^^^---30000200001000^6Itfioo200003000。"^OOOO-200004000060000 ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄‘‘'‘‘‘‘?I0‘?LI■.■i(I200ir200石iIiiIL?800800I—一——一一—一一一自重作用一B—第次加飲—第二次加裁e第次加栽曰第二次加栽A自重作用I4-22-图1#被各阶段弯矩图图4233#被各阶段弯矩图'"'"-8000-6000-40of^i8o020004000III>II111I0IIIi^1/一一d—自重作用一一第次加栽一—第二次加载图4-242#板墙各阶段弯矩图
西南交通大学硕士研究生学位论文第58页-224-23可知根据图4、图,多层柔性结构的布置对连续桩板墙结构中的桩所受弯一3一矩起到了定的控制作用.3层拉结筋带所受,与第3章第节中,理论推导出来的的弯矩值的变化趋势相比较一,多层拉结筋带所受的弯矩值明显得到了控制。方面,由于多层拉结筋带一,对连续桩板墙的侧向位移起到了定的控制作用,从而使得桩板墙在软基中的一y、0值减小。另方面,对拉结构减少了来自作用于桩体上的上部荷载的侧向压力。对于桩间板墙结构,由于其所受土压力被分担,所受弯矩就桩而言相对较小,但其变化和常规静力学所得弯矩变化却不相同,其变化还会受到桩身所带给它的影响。由于模拟材料为木材,桩板墙为拼接结构,且由于模型中2料4的拼接问题,致使这种影响更显明显。4-表5(a)自重作用下桩板墙最大弯矩表板桩号最大正弯矩位置(mm)最大负弯矩位置(mm)-3.m模型(10N)9530200125727601#被.—m)1524—原型(kN.82011.52模型(lOlShn)716412048607603#桩-——原型(kNm)1146.24777.6模型168544023542802# ̄3#桩间板.m——原型(kN)269.28376.72-45b一表()第次加载下桩板墙最大弯矩表板桩号最大正弯矩位置(mm)最大负弯矩位置(mm)-3.模型(10Nm)丨801868016392560#I桩kN.8288—2622—原型(.7m)28.2-3.模型(10Nm)35312680130867603#桩k.—2093—原型(Nm)5649.92.76-30N.m模型(1)207036031472802# ̄3#桩间板—.33—原型(kNm)1.2502.56表4-5c二()第次加载下桩板墙最大弯矩表板桩号最大正弯矩位置(nun)最大负弯矩位置(mm)-30N.n模型(1i)22630680251147601#披-(kN——原型tn)3620.84018.24-^0N-m模型(1)58606680203404403#桩-——原型(kNra)9376.963254.4-'模型.(lONm)661.53607005.55202# ̄3#桩间板.m——原型(kN)105.81120.88
西南交通大学硕士研究生学位论文第59页4.4理论计算与试验结果比较分析4-25结合模型试验工程背景,可画出新型加固结构的横断面简图,如图所示。根3/m44.5kPa,据试验所得,3.0kN,點聚力为,运用相似理论可知路堤填土的平均重度为2。===H==内摩擦角为36,HoOm,Hillm,25m,b20m,bi14.5m,路基软土层地基系数43“”=>cM法取值为Kv0.4l0kN/m,侧向地基系数利用,假设其随深度成正比例增加,即4_=-0xl。Kmy。根据表34所示,m值取.30\N/m14.5■|丨XTII填土11r^丄‘’十,=T5Kv4000kN/m3软土层丄—y+4-m图25模型试验工况简图(单位:)-4-25所示给出了断面设计图46如图,而其他几何参数可参看表所示。,只表4-6模型试验模拟工况参数表?d项目Ho^^量纲mmmmmmm数值0n5023^4.4.1理论拉筋位移和试验对比通过第3章中33(.2.1节的理论推导,假设层拉结筋带共同承担填土自重荷载即==MATLAB编所承受的荷载相同),且拉筋内力均认为相同(即TTT。运用程计i23)===N-7中算,可以解得TTT97.59k。将试验工况中的数据带入式3,可绘出拉筋的i23-26竖向变形图,如图4所示。路堤宽度/m-15-10-5051015"4I?p&10.98J_ITf1n::J^^OOOIOKM3I0I0K盥東真東真東1IMMMMMMMMKMXXXtOK^L2.5图4-26拉筋在路堤自重作用下的竖向变形图
西南交通大学硕士研究生学位论文第60页-3由表4可知,在路堤自重的作用下,2#、5#百分表所测变形量,利用相似原理可推算出实际工况的沉降量为6.08cm和3.84cm。两侧沉降不仅仅包括了拉结筋带的竖向变形,同时还包括了软土地基由于失水等原因引起的沉降变化。根据1#、7#百分表所测,其软弱土地基的沉降分别为5.02cm、2.86cm。那么可得,在桩板墙附近5cm左右处所得的拉筋竖向位移为1cin098cm,且和理论计算所得相似。.06、.4.4.2桩板墙内力与试验对比通过本文第三章第3.2.2节的理论推导,并假设3埋于软弱土层中的拉筋在计算是按其位置在软弱土层与路堤交界面处计算。同时结合试验工况具体的参数,可求出刚性板柱墙中披体的任一截面侧向的位移大小量。再由角变位法的二次修正公式来对柱体的内力进行求解。依据理论推导的公式与本章中实际试验工况相结合,首先需对连续桩板墙所受的土压力进行分析求解,在无倾斜面填土作用下,由于连续性桩板墙所受到的土压力为库伦主动土压力,因而其所受到的土压力系数可按照库伦主动土压力系数进行求解。cos-ak(p)K=“sn-n-i^+Ssi(p02/^I()(j)^2i、n——■—cosa?cosa+(51+()[]-+■cosaScosa]()(P)l4-25由图模型试验工程概况的简图可得出:。°°^°-^=36a=0?=05=X5识/2=那么可求得,K0.510a=库伦主动土压力强度:cjKajy根据实际工况的基本参数值可以计算出刚性板枯墙的各个所需计算的参数值。如表4-7所示。表4-7桩板墙计算参数表项目HoIhhBdm^^'N*单位mmmmmmmk/m数值0n514.50233000项目KaTQoMoQWA'kNkN-mkN单位kN/m0114数值.51097.595567381500036.---将表47中数据带入公式(3-4、(-、、(1)342)(347)348)可得出桩身弯矩图,-并与试验所得数据进行对比,如图427所示3#桩所得弯矩对比,理论。根据与试验,3与试验的变化趋势相似,但由于多层计算拉筋带时的假设层拉结筋带共同承担填=T=T土自重荷载(即所承受的荷载相同),且拉筋内力均认为相同(即T23)。显然第I一层拉筋假设过大,致使理论数值在2.5m左右就出现了负弯矩。而后面两层拉筋拉
6西南交通大学硕士研究生学位论文第1页力理论计算过小,致使在9m左右没有能出现负弯矩。深入软弱土层的桩体变化趋势和试验相似。?({/kNm弯知li-8000-6000-4000-2000O200040006000————r.,1II11I1I1I1OOO■i4.00fc<—)A、乂8-.00b12。。y一"-一L015.00牲身所受弯矩图放大十倍上部弯矩--A"试验3?桩弯矩图4-27理论计算与试验板被弯矩图4-28而根据桩板墙理论,,可计算出在无拉结筋带情况下的板柱所受弯矩图如图-所示27中理论计算所得相比较发现,带拉筋的板桩的正弯矩减小而柱底负弯。与图4矩明显增大很多。但相较于板桩的侧向位移,带拉筋的板桩的最大侧向位移值为4.77cm,位于路面处;而无拉筋的板桩的最大侧向位移值高达24.7cm,位于路面处。弯矩值kN-m/-2000020004000-1&11*11I链8-X坦.4-图28无拉筋被板弯矩图
西南交通大学硕士研究生学位论文第62页4.5本章小结(1)利用相似理论,对软弱土地区路堤加固结构体系进行模拟。对于加固结构的模型并没有釆用单层对拉筋带的理论计算模型,而采用力学闭合性更加完好的多层对'。拉筋带试验模型而在此后的试验中,也充分的体现出多层对拉筋带对桩板墙的弯矩改善以及路堤的控制变形能力的优越性。(2)软弱土地区路堤新型加固结构,静置和加载阶段基本路面累计变形约为路堤°填高的0.83/^,静置阶段的路面累计变形占总体变形的75%左右。加载过程对路堤的变形影响相对较小。在软弱土地基上,不论是填筑路堤还是堆载荷载,就地基自身固一一144h。结的相对稳定性都很迅速,般在以后就能看出其出现定的稳定趋势(3)路堤填土对桩板墙的土压力分布基本上类似于库伦主动土压力分布形式。且在桩板墙结构中,连续桩会承担大部分主动土压力的分压,而桩间挡墙所承担的土压力相对较小。因而在实际工程中,为安全起见,可以相应的加大桩身的截面积;同时,为控制施工成本,可对板墙结构进行縮减,采用薄壁结构也是可行的。一(4)多层对拉筋带结构对桩板墙结构所受弯矩能起到定的控制作用,相当于对一一拉结构在整体向外的土压力中,作用了个向内侧的集中荷载,起到了定的反弯作用一。而且桩间板墙所受的弯矩都相对于桩而言很小,进步说明桩间板墙采用薄壁结构的可行性。(5)将试验所得数据与理论所计算的结果进行对比分析,论证了理论在计算多层一对拉筋带时,多层对拉筋带的所受拉力并不是定的,而是根据不同位置所受拉力不同。根据试验与理论对比,可以得出试验所得数据与理论计算在弯矩趋势上的相似性。并且根据与无对拉结构进行比较,可以很明显的看出带有对拉结构的优良性,及其在工程应用中的重要性和必要性。本章釆用3层对拉筋带结构进行模型,考虑到桩体有些地方仍然会出现过大的弯。矩,在以后的试验研究和工程应用中,可以釆取更多层的对拉筋带结构对其进行控制同时也可以对对拉筋带结构施加预应力来起到更加良好的控制作用。
西南交通大学硕士研究生学位论文第63页第5章结论与展望本文研究结论随着国家经济的长足发展,科学技术的进步,如今对深厚软弱上地区的路基处理问题也逐渐备受关注。而传统的软弱地基的处理方法不是改善软弱土体本身的工程性质就是加入增强体使软弱土地基形成复合地基。而本文却另辟新法,对于深厚软弱土一种全新的软弱土地区路堤加固法,地区上筑路提出了。与传统的方法有所不同的是该法主要是采用力学闭合结构来解决软弱土承载力有限的弱势,而该法也对路堤的病一害起到了定的控制作用。可以说是,该工法起到了双管齐下的作用。该工法在路堤两侧采用连续板桩墙结构用以约束路堤和软土的侧向位移。同时,用铺固于两侧桩板墙上的对拉筋带承受上部所受的荷载并对拉桩板墙,起到了有效的控制被板墙的侧向位移作用,;而多层埋入土体和路堤的对拉筋带也和土体以及路堤形成复合结构增强了路堤和土体的稳定性。从而使整体结构体系达到对软弱土层加固的目的。本文针对该新型加固结构,运用结构力学、岩土力学、材料力学等的基本原理以MATLAB及抗滑桩设计理论,利,,并结合弹性地基梁的求解用计算编程推导出该新型加固结构的内力计算公式和位移公式。同时,通过利用室内模型试验来验证该工法在实际工程中的可行性。通过对软弱土地基处理法的研究以及对新型加固结构体系的分析推导、计算以及对其试验数据的处理研究得出如下结论。(1)查阅相关文献,了解并阐述目前常用软弱地基加固法的原理及适用条件。传“”“”“”统软弱土处理工法主要分为固结法和复合法。固结法主要是通过各种不同“”的工法加强软弱土层自身的承载力的工法;而复合法则是在软弱土层中加入各种不同材料的增强体,形成软土层与增强体共同作用来提高承载力的工法。传统工法都属于根据软弱土的性能通过各种方法直接的提高其承载力的方法,而本文针对这种直一接的加固法,种不同于传统加固法的利用力学闭合,变相的思考其加固原理提出了性来提高软弱土承载力的工法。(2)针对该新型工法,在Winkler地基模型的基础之上,利用结构力学、材料力学,、弹性力学等知识对软弱地区路堤新型加固结构体系的内力和变形进行理论的推导并求出单层对拉结构的加固模式下inkler地基模型上的加固体系的内力和,作用于W变形理论计算公式。为该工法在以后实际运用和设计中的研究提供微薄的参考。并通过对对拉结构的变量分析,得出地基系数和上覆荷载仍然是影响路基沉降的重要影响因素。(3)运用理论推导出的计算公式,通过实例分析,对单层对拉筋带所受内力进行了求解,从其表现出来的变化趋势看,单层柔性拉结筋带对整体的加固结构体系内力
西南交通大学硕士研究生学位论文第64页一一优化进行了定程度的优化影响。虽然单层对拉结构对软弱土的承载力已有定的加一强,并对两侧柱板墙的内力、变形有定旳控制。但有时候由于工程地质条件的复杂性和工程控制要求的严格性,所以在以后的研究与工程运用设计中,本文建议有时可以考虑发展多层对拉柔性拉结筋带结构来对整体结构体系进行控制。(4)根据相似理论,对路堤新型加固结构体系进行了室内模型试验。模拟其在填筑、运营阶段整体结构的变形和内力特征。和理论推导有所不同,室内试验釆用3层对拉柔性拉结筋带进行研究。根据室内试验所得出的变形、内力特征,并对照《公路JTGD30-2004。路基设计规范》要求,对路堤加固新型结构的可行性得到了很大的进展并根据其两侧柱板墙的内力图,与理论推导出来的计算结果相互比较印证,可以看出,对拉结构能够对两侧的桩板墙结构起到防止其向外侧倾斜的作用,并对路堤沉降也起到了良好的控制作用。同时,试验和理论的相互印证,也充分说明了理论计算的可靠性以及整体结构体系对加固软弱土地区路堤的可行性和合理性。今后研究展望软弱土地区新型加固结构体系其机理作用复杂,特别是在存在多层对拉柔性拉结筋带结构,不仅软弱地基土的压缩性千差万别,而且两侧的桩板墙结构的强度、入土深度一、桩板和对拉结构布置形式等组合也同样千变万化。本文对新型结构的方面进行了初步的解析计算和模型试验一,得出了些对今后研究有益的结论。但对于复杂的地质条件而言,有时还可能需要多层对拉结构进行加固,如试验中的3层对拉结构,一因而在以后对该工法的研究中,还需要对以下几方面进行进步的研讨。一(1)建立三维的力学模型,对桩板墙结构和层甚至多层对拉结构之间、桩与板墙之间的影响以及桩板墙的临界入土深度等方面进行相对应的研究;一(2)进步考虑路堤的稳定性问题,对软弱土地基中地下水对整体结构和路堤影响进行分析;(3)行车荷载作为动力荷载进行考虑,能够更加真实地还原路堤运行阶段,车辆荷载对新型加固结构的影响;4一()进行变量控制的模型试验来对其单方面对整体加固结构体系的影响进行探究。
西南交通大学硕士研究生学位论文第65页参考文献1刘开富.J.[],谢新宇张继发,朱向荣软土地基上路堤填筑的破坏性状分析[]岩土力,7-学::20752080.’2009,0江-2.软土工程特性和软土地基设计J.199801:100111.[]沈珠[]岩土工程学报,,3雷华阳.J.吉林大学学报地[],肖树芳软土结构性的试验研究及其对工程特性的影晌[](20040-球科学版)1:106110.,,4严智勇.深厚软弱土路基加固新结构研究D.成都:西南交通大学,2012.[][]5严智勇..[],邓荣贵软弱土路基拉筋带新型结构体系变形及内力研究[J]路基工程,2013.[6]朱小军,赵学亮,袭维明,徐国平.刚性桩复合地基垫层土拱效应宏细观机理研究[J].2040-建筑结构11:8287.,,[7]KJELLMANW.Consolidationofclayeysoilsbyatmosphericpressure[C]//ProceedingsofaConferenceonSoilStabilization,MassachusettsInstituteofTechnolo.Boston1952:gy,258-263..8袭晓南.J,寄仰润真空预压加固软土地基机理探讨哈尔滨建筑大学学[][]2-报,2002,0:710.[9]高志义,张美燕,刘立枉,姜朴.真空预压离心模型试验研究[J].港口工程,9-2418801:18.,-10高志义.真空预压法的机理分析[J.岩土工程学报,198904:4556.],[]11高志义.J.[],张美燕,张健真空预压联合电渗法室内模型试验研究[]中国港湾建-设5:5861.,2000,0-12房营光,徐敏,朱忠伟.碱渔土的真空电渗联合排水固结特性试验研究J.华南理工[][]200634-117075.大学学报(自然科学版):,,()13LEONGECSOEMITRORAARAHARDJOH.Soilimrovementbsurchareand[],,pygvacuumre-loadinsJ.G^otechniue2000505:601605.,pg[]q,()14CHAIJCHAYASHISCARTERJP.Vacuumconsolidationanditscombinationwith[],,eanianaaneoechncaourna-;mbkmentloadngJ.CdiGtilJl20064310985996.[],,()15谢弘帅宰金璋刘庆华.真空井点降水堆载联合加固软土路基机理[J.岩土工程学[],,]2003-1119121.报力(:,)16刘松玉..J,韩文君,章定文,杜广印费裂真空法加固软土地基试验研究]岩土工程学[][-04:591599报.,2012,17J.阎明礼.[],吴春林杨军水泥粉煤灰碎石桩复合地基试验研究[]岩土工程学,
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西南交通大学硕士研究生学位论文第69页致谢从峨眉校区过来,现如今已有三年时光,在这匆匆岁月之中,感谢邓荣贵教授对我的悉心教导,、对待科研的严谨以及勇于创新。在这三年间邓老师以其渊博的知识的精神,深深的影响着我对做人做事的态度和看法。借此论文完成之际,谨向邓老师表示我由衷的感激和最诚挚的祝福。并对在这三年求学过程中,关心和照顾我的师兄士后一肖维民博、张志伟博士、宋志博士、钟志彬博士和师姐尹静博士由衷的说句谢谢。感谢同门牛瑋、申鹏,师弟陈泽硕、邵康、王振永、张颖、杜亚宇和师妹王园园同学对我试验和论文的不予余力的帮助与关心。特别是申鹏和陈泽硕同学,没有他们在试验中给予我的帮助,我的试验不可能这么顺利而有效地完成。借此之机,衷心的祝福同门和师弟师妹们,希望你们在以后的工作和学习中,都能收获到自己的理想与一幸福。祝你们在这纷繁的世界里帆风顺,前程似锦。至此,我还要感谢这二十多年来养育和教导我的家人。他们的支持和鼓励,陪伴着我顺利的走完了整个学生生涯。,在今后的工作和生活中也将继续伴随着我的成长感谢在我成长的道路上给予我帮助和关心的每个人。感谢我认识的和认识我的每个人。感谢在我人生之中有了你们的陪伴。最后,感谢各位专家、教授在百忙之中对本文的评阅与指正!
西南交通大学硕士研究生学位论文第70页攻读硕士学位期间发表论文[1]高阳,邓荣贵,王园园等.软土高路堤新型加固结构拉结筋带变形的理论研究[J].路基工程,待刊.[2]赵欢,邓荣贵,高阳.回填土不均匀沉降引起管道力学性状变化的分析m.路基工程20140-1:6972.,,[3邓荣贵,张志伟,高阳等.深槽型潜在滑动边坡及滑坡加固治理装置[P].四川:]20--1420774893.020141212.,一4邓荣贵,尹静.滑坡險道P.四川:201420775047[高阳等体化加固治理装置[.0],],20--141212.