桩承式加筋路堤力学性能数值模拟研究

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 桩承式加筋路堤力学性能数值模拟 研究 摘 要本文以单桩等效处理范围 及其上部路堤组成的圆柱体为研究对象， 采用弹塑性有限元法建立轴对称模型， 分析了端承型桩与摩擦型桩两种工况下 桩顶及桩间压力、桩土应力比、桩顶与 桩间土沉降、路堤沉降等的发展变化规 律，研究了土工格栅的受力与变形特性 及其对桩土应力比与桩土差异沉降的影 响。分析结果表明：端承型桩及摩擦型 桩的桩顶与桩间土压力随时间的变化规 律相似。端承型桩与桩间土的沉降在路 堤填筑期间已完成大半，而摩擦型桩与 桩间土的沉降主要发生在软土固结过程 中。土工格栅的抗拉刚度存在一临界值， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 超过该临界值后，软土地基表面桩土差 异沉降不再减小。 中国论文网 /1/view-12797644.htm 关键词 路堤；端承型桩；摩擦 型桩；土工格栅；数值分析 中图分类号：U213.1+1 文献标 识码：A 文章编号： 1009- 914X（2015）30-0183-01 在我国东南沿海及部分内陆地区 修建高速公路、铁路等交通基础设施时， 经常需要穿越软土路段，常规的工程措 施包括采用轻质路堤填料、预压排水固 结、碎石桩、深层搅拌桩等。上述这些 方法在适应复杂地质条件、工期与经济 方面存在较大的局限性。近年来，桩承 式加筋路堤作为一种新型路堤形式，为 软土地区修建高填方路堤提供了经济合 理的解决方案，已在国内外得到了较为 广泛的应用。桩承式加筋路堤是由上部 路堤、砂石垫层、水平加筋体、桩（帽） 、桩间土组成的复杂系统。它依靠路堤 填料中形成的土拱效应与土工格栅等水 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 平加筋体的张拉膜效应将大部分路堤荷 载转移到桩体上，从而减小桩间软土地 基的受力与压缩变形。同传统的软土地 基处理措施相比，桩承式加筋路堤具有 施工工期短、路堤沉降、差异沉降及坡 脚侧向变形小、整体稳定性高等显著优 势。 本文以单桩处理范围及其上部路 堤组成的圆柱体为研究对象，通过建立 轴对称有限元模型分析端承桩与摩擦桩 两种工况下桩顶及桩间土土压力、沉降 变形、桩体荷载分担比的发展变化规律。 1 有限元模型 参照实际工程，本文计算模型中 路堤高度取为 5.0m，桩长 20m，直径 0.6m，桩间距 3m，桩帽尺寸为 1m1m0.3m，地下水位位于桩顶平面 处。对于端承型桩，软土层厚度为 20m，下伏 5m 厚硬土层，桩端进入硬 土层 1.5m；对于摩擦型桩，软土层厚度 为 25m，桩端以下软土层厚 5m。模型 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 边界条件为：同时约束底边界的水平与 竖向位移，侧边界仅约束水平向位移， 桩顶平面为固结排水面，其余边界均设 置为封闭固结边界。为了提高计算精度， 采用 15 节点三角形单元划分网格。 桩采用弹性本构模型，路堤填料 及硬土层为 Mohr-Coulomb 模型，土工 格栅采用 geogrid 单元模拟，轴向刚度 EA=1200kN/m，铺设于桩帽平面以上 20cm 处。有限元模型中材料的物理力 学参数见表 1。路堤填筑以 0.5m 为一个 加载步，对应的时间为 3 天，即瞬时加 载高度为 0.5m，然后等载固结 3 天，接 着施加下一级荷载，直至路堤填筑完成。 在路堤填筑完成后，继续固结直至软土 层中超孔隙水压力小于 1kPa。固结计算 采用小变形 Biot 固结理论。 2 计算结果及分析 2.1 承载特性分析 计算结果得出了路堤填筑期间与 工后软土地基固结过程中桩顶及桩间土 土压力随时间的发展变化过程。从计算 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 结果中可以看出，端承型桩与摩擦型桩 的桩顶及桩间土压力随时间变化规律相 似。在路堤填筑期间，随着填土高度的 增加，桩顶及桩间土土压力均迅速增大。 路堤填筑完成时，端承型桩与摩擦型桩 的桩间土压力分别达到最大值 52.7kPa、58.2kPa，相应的桩顶土压力 分别为 438.2、403.6kPa。在软土地基固 结初期，桩间土压力出现小幅度的减小， 随着软土的进一步固结逐渐趋于稳定。 桩间土将一部分土压力转移到桩顶，因 此桩顶土压力先是逐渐增加，之后趋于 一稳定值。在软基固结基本结束时，端 承型桩与摩擦型桩的桩顶土压力分别为 598.4、564.8kPa，相应的桩间土压力分 别为 47.1、52.6kPa。 桩土应力比消除了桩帽面积大小 的影响，而桩体荷载分担比考虑了桩帽 面积。桩体荷载分担比越大，表示桩分 担的路堤荷载比例越大。本文定义桩体 荷载分担比为桩帽上所承担的路堤荷载 与单桩处理范围内路堤总荷载之比。计 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 算得出了路堤填筑完成后端承型桩与摩 擦型桩的桩体荷载分担比随时间的变化 过程。从计算结果中可以看出，路堤填 筑完成时，端承型桩的桩体荷载分担比 为 52%，摩擦型桩的桩体荷载分担比为 45.3%.。无论是端承型桩还是摩擦型桩， 在软基固结初期桩体荷载分担比均迅速 增大，说明路堤填料内的土拱效应与土 工格栅的张拉膜效应充分发挥作用。而 在固结后期，桩体荷载分担比增长速率 逐渐减小，最终都趋于各自的稳定值。 由于摩擦型桩工况下桩端软土排 水固结历时较长，因此摩擦型桩的桩体 荷载分担比需要比端承桩更多的时间才 能趋于稳定。软基固结基本完成时，端 承型桩与摩擦型桩的桩体荷载分担比分 别为 63.3%、59.8% ，可见其它参数相 同的情况下，端承型桩承担了更多的路 堤荷载。 2.2 变形特性分析 根据计算结果分别绘制了端承桩 与摩擦型桩各点的沉降随时间的变化曲 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 线，如计算结果所示。从计算结果中可 以看出，在路堤填筑及软土固结初期， 桩顶与桩间土的沉降均迅速增加，但桩 间土沉降增加速率大于桩顶，对于端承 桩二者差值更为显著。随着软土的继续 固结，桩顶与桩间土的沉降速率都逐渐 下降，最终都趋于稳定的变形值。对于 端承型桩，路堤填筑完成时桩间土的沉 降约为 20.6mm，软土固结基本完成时 沉降量约为 40.8mm，路堤填筑完成时 桩间土沉降量约占总沉降量的 50.5%， 而对于摩擦型桩，路堤填筑完成时桩间 土的沉降量约为 26.2mm，软土固结基 本完成时的沉降量约为 132mm，路堤 填筑完成时的沉降量约占总沉降量的 19.8%，可见，端承型桩桩间土沉降在 路堤填筑期间已完成大半，而摩擦型桩 的沉降大部分发生于软土的固结过程中， 桩顶、桩端及路堤表面沉降也大致表现 出与上述相似的规律。 结论 本文将单桩处理范围及其上部路 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 堤等效为圆柱体，建立轴对称有限元模 型，分别对端承型桩与摩擦型桩两种情 况下桩顶与桩间土土压力、沉降、桩土 应力比、路堤表面沉降等进行了分析， 并探讨了