（岩土工程专业论文）pcc桩复合地基路堤中竖向土拱效应研究及设计参数的优化.pdf

蓄至i 章 ；号霎! 耋垂霎：薹笔塑。i ! ! 蚕二童e 薹i 茎重主! ! l 爨鲢孽l ；l ；i 妻妻酣誊i 霍蓁萎一g 霪霪蜓l 囊拿! 董三塑l 翼捕萋薹；重矍喜i ! ! | ；羹雾耄一霎i 蚕： l 青| i 霪蠢! ! ! 】! i 型裂型整鬯疆p 且i ；i ：各霪豹鋈；i 藿璧圣；i 薹fj 垂耄。茎i ? ；蓁雾；臻堡耋二薹万囊；肴戳鬟。霪霭望封翼羹血嚆速霉l | l ；霎主哩羹霾斧塞! j 毒薹量；霪i i i ；i 。垂： i 耋霍? 誊掣垂= 囊疆弦i 赢馨；湖喱羹篓薹被垂j 刮剃托弱薹萎蓬羹；嘲筛羹薹雾至雾；i 蠢蠢蓁；：薹i l 霎擎i 錾登基耄圜积季肺删薹蓁蓁；l ；薹葡垂霞! 妻琴琴霎；| ；三i ! 霎耋；冀鬈量霎蒌蓑! 霎羹辇霪主薹妻墨爹i f j 垄蓁l 蓁l 叫垂垂i 霎；妻l l 冀嚣；囊霎i i i 垂囊薹! 琴薹羹i 鼋霎麓；差垂妻荔萋j 蚕l l | 霪季l 毫螽；霎嚣匿堕副；l 兰主雩一 ；雩二i 蚕耋l 霍蓁薹；菱霍塞萋i i i 主妻毫釜主蓁i ；蓁蓁冀耋毛耄主茎薹囊ii i i 量爹毫三至搴；i 霾薹茎耋；卿耄萋! 营! ，薹莩霎! ! i 惦i i 蔓薹薹h l 星圣；i 藿囊鍪萝争目l 耋i 嚣l i 薹薹；墓茎茎! ；囊妻霎| 零薹墓i 攀妻薹耋i 耋褂蓊冀嚣髫馨l 垂囊| i 霎薹蚕蠹i 囊l 鍪霪妻! i 薹主；i 毒；! 蠢辇| 雾i 冀羔。i 鎏! 主妻一萎毒： i 孳蠢；薹薹燮雾霎：囊案鍪主羹二蓁霎霎姜鹾翼i 旨蓬；蓬霍! ! ! 垦! i 茎茎篓耄霎! ! ! 藩孽| | i i ；i ；蓁鍪薹i 妻雪| 霎| 霎霎 苫苫! ! ! l i 莹蕈l 薹矍霉! ! ! 雩雩i 茎霉墓s 雾毫萋薹；i 雾薹萋ii 囊薹l ；i i ：i 蘑；耋，i 霎蓁薹； l 霎l 瓤每峥i 孽l l 燃耋i 薹耄耄墓露；霎霎菌霎萋冒季i 霪妻| ! 喜匡妻i ! 琶霉羹蚕三! ! ! 釜w 萋l ；薹i 至薹笺蓁! 茎i 茎羹蠢；蓁! 霍= 蓁i i 薹! ：i 蜜。| 爹， ! 妻；i 薹蒂酯；蠹霁二妻薹塔：墅蚕弱瞠薹魂羹葫蘸莽雕羹喜蠢醴糯蒸i 霎萋霎萋；i 垂；垂 ； ：耋： l 主蠢l 萎赫槎，瞳褊耨强；萎蓁季刀耄硅雾炎翌圊雠薹苇垒羔篓r ：囊钧i 翼嚣粤善雾霸；囊囊囊l ： i 蓁垂ik 三l 霪| 奄奄墓；蔷霎羹囊稀羹墓。蚕垂l x 图表目录 图表目录 图1 1 复合地基沉降计算示意图4 图l - 2 压力扩散法计算简图6 图1 3 等效实体法计算简图7 图1 4g e d d 髓法计算简图8 图2 1 胁g l l i 的土拱效应计算模型1 6 图2 2b s 8 0 0 6 法临界高度计算图：1 8 图2 3 楔形土拱模型1 8 图2 4 四棱锥形土拱模型1 9 图2 5h e w l c t t & r a n d o l p h 的半球土拱拆分图1 9 图2 石球形土拱几何尺寸示意图2 0 图2 7 平面土拱几何尺寸示意图2 l 图2 8 p c c 桩复合地基路堤中竖向土拱一一一一一一一一一一一一一一一一。冤 x 图表目录 图4 1 6 桩土差异沉降随褥垫层厚度变化图5 6 图4 1 7 桩土应力比随褥垫层厚度变化图5 6 图4 1 8 土拱效应系数随填土模量变化图5 7 图4 _ 1 9 桩土差异沉降随填土模量变化图5 7 图4 - 2 0 桩土应力比随填土模量变化图5 8 图4 2 l 土拱效应系数随填土高度变化图5 8 图4 2 2 桩土差异沉降随填土高度变化图5 8 图牝3 桩土应力比随填土高度变化图5 8 图4 2 4 土拱效应系数随桩体模量变化图5 9 图牝5 桩土差异沉降随桩体模量变化图5 9 图牝6 桩土应力比随桩体模量变化图5 9 图牝7 土拱效应系数随桩间距变化图6 0 图4 2 8 桩土差异沉降随桩间距变化图6 l 图4 1 2 9 桩土应力比随桩间距变化图6 l 图4 3 0 土拱效应系数随桩间土模量变化图6 2 图4 3 l 桩土差异沉降随桩间土模量变化图6 2 图4 3 2 桩土应力比随桩间土模量变化图r 6 2 图5 1 褥垫层模量与桩土差异沉降关系图6 6 图5 - 2 褥垫层模量与土拱效应系数关系图6 6 图5 3 褥垫层厚度与桩土差异沉降关系图。6 6 图5 _ 4 褥垫层厚度与土拱效应系数关系图6 7 图5 5 桩土差异沉降随填土高度的变化图。碣 图5 _ 6 土拱效应系数随填土高度的变化图6 9 图5 7 土拱效应系数随桩间距的变化图7 0 图5 8 桩土差异沉降随桩间距的变化图( 填土高度6 0 m ) 7 l 表3 1 试验区土层分布情况3 0 表3 2 管桩加固方案设计表。3 l 表3 - 3 各断面路堤中竖向土拱效应的比较3 8 表4 _ l 基本算例模型参数表4 6 表5 1 各桩间土模量下土拱效应系数与褥垫层模量的对应表6 7 表5 - 2 各桩间土模量下土拱效应系数与褥垫层厚度的对应表6 7 表5 3 各桩间土模量下土拱效应系数与填土高度的对应表6 9 表5 _ 4 各桩间土模量下土拱效应系数与填土高度的对应表7 l v 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任 论文作者( 签名) ： 亟j ( 歪伽刁g 年b 月。钼 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术 期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或 电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子 文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外， 允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权 河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：参月，z 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 选题的依据及意义 高速公路的建设和发展是国家经济发展水平的风向标。从1 9 8 8 年中国大陆第一条 高速公路正式通车到现在，中国的高速公路建设取得了举世瞩目的成就。“十五”期间 我国共建成高速公路2 4 7 万公里，全国高速公路通车总里程先后跃上了2 万公里、3 万公里、4 万公里三个大台阶。到2 0 0 7 年末，高速公路总里程达到5 3 万公里，位居 世界第二位。除西藏外，各省、自治区和直辖市都已拥有高速公路，有1 0 个省份的高 速公路里程超过1 0 0 0 公里。随着高速公路里程的不断延伸，规模效益逐步发挥，人们 切身感受到高速公路带来的时间、空间观念的变化。 2 0 0 6 年，“五纵七横国道主干线京沪公路天津段、沪瑞公路三穗至凯里段、连 霍公路清水至嘉峪关段，西部省际通道阿北公路黄陵至延安段、兰磨公路思茅至小勐 养段，国家高速公路网京承高速公路北京段二期、杭瑞高速公路景德镇至婺源段等重 点项目建成通车。根据交通部最新公布的国家高速公路网规划，从2 0 0 5 年起到2 0 3 0 年，国家将斥资两万亿元，新建5 1 万公里高速公路，使中国高速公路里程达到8 5 万公里【1 1 。 然而，这些高速公路的修建很多都是处于软土地基之上，如果不对道路软基进行 处治，就不能保证道路修筑完成后的正常使用。我国的软土范围分布广泛，在沿海沿 江等地区，特别是长江、珠江三角洲地区广泛分布着冲击、沉积的软粘土，如汕头、 温州、宁波等地的滨海相沉积软土；天津、连云港、上海等地的三角洲相沉积软土； 武汉、南京等内陆沿江等地的漫滩软土等，这些土的含水量为5 0 8 0 ，孔隙比为 1 2 2 o ，不排水抗剪强度为8 l5 l 【p a ，压缩性指数为o 3 0 7 ，渗透系数为l 1 0 。1 0 5 1 0 毋劬，灵敏度为4 9 ，厚度为1 0 5 0 m ，从上述指标可以看出，软土通常都具有 含水量高、孔隙比大、强度低、压缩性高、渗透性低、灵敏度高和厚度不均等特点。 由于软土具有上述特点，这使得人们在软土上修建构筑物要付出较大代价【2 】。 对于高速公路来讲，道路建成后控制其工后沉降及不均匀沉降是修建高速公路的 难点和重点，在国内外出现过许多道路软基处理不成功的例子，由于沉降过大或沉降 不均匀而导致的路面开裂，最后导致高速公路不得不进行大规模的重新修复，给社会 和国家造成巨大损失。现在由于人们对软土特性的认识，许多软土地基处理新技术的 相应而生，在高速公路建造前，人们对软土地基进行详细勘察，并根据软土的物理力 学性质以及对软弱地基的工程特性、本构关系和变形规律的逐渐认识，确定行之有效 第一章绪论 的软土地基处理方法，从而保证高速公路能高质量的修建完成，为国家的经济建设做 出巨大贡献。 软土地基处理方法的分类有很多【3 4 】，主要有浅层密实法( 机械碾压法、重锤夯实 法) 、深层密实法( 干振碎石桩、沉管碎石桩、灰土桩) 、排水固结法( 堆载预压法、 超载预压法、真空预压法、真空堆载联合预压法) 、注浆加固法( 深层搅拌法、高压 喷射注浆法、压密注浆法) 、加筋法( 加筋土、土锚、土钉) 、柔性桩置换法( 碎石桩、 石灰桩、二灰桩、粉体喷射法) 、刚性桩或半刚性桩置换法( c f g 桩、低强度素砼桩、 p c c 桩) 。由于各种软土地基处理方法的施工方法和所用材料的不同，因此各自有着 一定的适用范围，存在着优点和不足，然而新型的刚性桩复合地基，能够将传统的桩 基础承载力大的优点与发挥天然地基的承载作用相结合，同时还能利用柔性垫层自身 变形来减小基础底部的应力集中，最后达到提高复合地基承载力，减小基础沉降。 河海大学刘汉龙教授等人开发的现浇混凝土大直径薄壁管桩( ，n l i n _ w a l lp i p ep i l e u s i i l gc a s t i 1 1 s hc o n c r e t e ，简称p c c 桩，专利号：n o z l 0 2 1 1 2 5 3 8 4 和n o z l 0 1 2 7 3 1 8 2 x ) 【蹦】软基加固技术，具有施工适用性强、施工质量易于控制、桩基检测 方便、加固深度可达2 5 m 以上、造价低、承载力高、地基的稳定性增加和地基沉降降 低等显著特点，具有极大的推广应用价值。与真空堆载联合作用法相比，能减少预压 时间，缩短工期；与其他实心素混凝土桩相比，p c c 桩能发挥管桩与土体接触面积大 的特性，提高桩侧摩阻力；同时，由于p c c 桩直径大于l m ，在相同荷载下，单位面 积布桩少，能有效的减少工程量，达到经济的目的。p c c 桩复合地基己经在很多路基 软土处理工程中得到广泛的应用，如天津威乌高速公路软基加固【9 】、江苏盐通高速公 路【1 0 1 、湖南常张高速公路桥头软基加固、上海北环高速公路路基拼宽i l l 】等工程地基处 理中p c c 桩复合地基被大量采用。在理论研究方面，有一些学者对p c c 单桩复合地 基荷载传递机理和沉降规律、p c c 桩复合地基群桩工作原理和性状做了一些研究【1 2 ，1 3 】， 但作为一种新型软基加固技术，现浇混凝土薄壁管桩的研究还刚刚起步，其作用机理 还缺乏深入的研究，p c c 桩复合地基路堤中竖向土拱效应的研究还很少涉足，因此对 其研究不仅具有理论意义也具有实践意义。 1 2p c c 桩复合地基简介及研究现状 河海大学岩土工程研究所刘汉龙教授领导的科研小组在广泛工程实践的基础上自 主开发研制了p c c 桩软基加固专利技术【1 4 1 ，与传统的实心桩相比，具有以下优点：桩 表面积大，单方混凝土承载力高，可大量节省混凝土，从而降低造价；施工速度较静 压桩和钻孔灌注桩及一般的沉管灌注桩要快，成桩质量稳定；加固范围大，桩体可与 2 第一章绪论 桩周土形成刚性复合地基，承载力提高幅度大，可调性强，可有效减少沉降。 1 2 1p c c 桩复合地基适用范围 振动沉模大直径现浇混凝土薄壁管桩技术适用于各种结构物的大面积地基处理， 主要应用于【1 5 】： ( 1 ) 多层及小高层建筑物地基处理； ( 2 ) 高速公路、市政道路的路基处理； ( 3 ) 大型油罐及煤气柜地基处理； ( 4 ) 污水处理厂大型瀑气池、沉淀池基础处理； ( 5 ) 江河堤防的地基加固等； ( 6 ) 桥头跳车处理。 1 2 2p c c 桩复合地基适宜处理的土层 ( 1 ) 表层土：有l 2 m 厚的填土，或可软塑的素填土3 5 m ； ( 2 ) 下部土层：以软流塑状态的粉土、粉质粘土为主体； ( 3 ) 底部土层：以进入砂层为持力层，稍密的砂约l 2 m ，中密以上的进入该层0 5 m ： ( 4 ) 对于砂土的夹层厚度不宜大于4 m 的土层。 1 2 3p c c 桩复合地基的设计思路 ( 1 ) 根据地质勘查报告，确定持力层和桩长； ( 2 ) 确定桩径和壁厚，一般设计桩径在1 0 0 0 1 5 0 0 m m ，壁厚在1 0 0 1 5 0 i 衄； ( 3 ) 根据复合地基承载力和变形要求确定桩间距的布置，依据承载力要求和变形要 求可分为按承载力控制设计和按沉降控制设计，桩间距可根据不同的沉降要求， 灵活选用，一般介于3 5 d ； ( 4 ) 桩体为混凝土材料，一般采用c 1 5 c 2 5 ； ( 5 ) 褥垫层厚度可取3 0 5 0 锄，褥垫层材料宜用中砂、粗砂、级配砂石或碎石等， 最大粒径不宜大于3 嘶m ，在垫层中间设置一层或两层土工格栅。 1 2 4p c c 桩复合地基沉降计算方法 如图1 1 所示，p c c 桩复合地基沉降量计算分为二部分【1 6 1 ，即 s = 墨+ 足 ( 1 1 ) 式中：s 为加固区压缩量，最为加固区下卧层的压缩量。 3 第一章绪论 荷载 图l - l 复合地基沉降计算不恿图 1 2 4 1 加固区压缩量的计算方法 加固区压缩量的主要计算方法有复合模量法( 臣法) 、应力修正法( e 法) 和桩身压 缩量法( e 法) 。 ( 1 ) 复合模量法( 巨法) 复合模量法( 臣法) 将复合地基加固区视为一种复合材料，采用复合压缩模量吃 评价其压缩性，并采用分层总和法计算加固区的压缩量。复合模量可采用面积加权平 均法得到，即 吃= ( 4 髟+ 4 e ) 彳 ( 1 2 ) 或玩= 呜+ ( 1 一朋) e ( 1 3 ) 复合地基表面的荷载采用平均荷载，即 p = 尸彳( 1 4 ) 则复合地基加固区压缩量可采用下式进行计算 墨2 车挈 ( 1 5 ) 式中，锄一第f 层复合土上附加应力增量； 冠一第f 层复合土的厚度。 这种方法是等应变条件下的推导结果，对于基础和下卧层均为刚性的复合地基有 一定的合理性。然而，下卧层具有一定的压缩性，在复合地基与基础之间常设置具有 压缩性的垫层，导致桩体向下卧层和垫层有一定的刺入量，等应变条件失效。若在等 第一章绪论 应变条件失效的情况下仍采用复合模量法，即要求桩体变形和桩间土变形一致，实际 由桩间土承担的荷载被人为地转移到了桩体上，因而夸大了桩体的作用。对于柔性基 础下和路堤下的复合地基，这种夸大作用更为明显。但复合模量法采用平均基底压力 计算沉降，计算时采用的桩间土荷载大于桩间土实际承担的荷载，一定程度上弥补了 夸大桩体作用的缺陷。 ( 2 ) 应力修正法( e 法) 应力修正法( 巨法) 根据桩间土分担的荷载，按照桩间土的压缩模量，采用分层总 和法计算加固区的压缩量。采用应力修正法( 巨法) ，桩问土分担的平均荷载按下式计 算： 见2 南2 以p ( l 6 ) 式中，p 一复合地基表面平均荷载集度； 以应力修正系数。 则复合地基加固区的压缩量采用下式计算： 墨= 窆缸= 鸬主铷= 以& 。 j - l - 矗 f = ld | l 式中，哦一复合地基中第f 层桩间土上附加应力增量； 瓯。一天然地基在荷载p 作用下相应厚度内的压缩量； 从应力修正系数。 应力修正法未对复合地基加固区土体的变形条件作出假设， 相互作用，同时又引入了一个新的参数，即桩土应力比万。 ( 3 ) 桩身压缩量法( e 。法) ( 1 7 ) 但该法未考虑桩土的 桩身压缩量法( 髟法) 通过计算桩身压缩量得到加固区的压缩量。 入量为，桩身压缩量为已，则加固区土层的压缩量为 s t = s p + 厶 桩身压缩量可以通过桩身应力和桩体模量计算得到，即 s p i 变訾l 设桩体的上下刺 ( 1 8 ) ( 1 9 ) 式中，一桩长： 乃( z ) 一桩身应力沿深度z 变化的表达式 桩身应力计算涉及到桩体分担的荷载和桩侧摩阻力的分布。目前，还没有一个被 5 第一章绪论 普遍接受的桩侧摩阻力的分布形式。从理论上讲，桩体分担的荷载可以按下式计算 岛= 杰= 以p ( 1 1 0 ) 岛2 而磊而2 以p w 式中，以称作应力集中系数。但是，上式中含有难以确定的桩土应力比刀。 另外，桩体的上下刺入量也是需要研究的课题。因而，采用桩身压缩量法计算复 合地基沉降困难可能更大。 1 2 4 2 下卧层压缩量的计算方法 下卧层压缩量通常采用分层总和法计算，即 逻= 窆铷 ( 1 1 1 ) 欲确定上式中复合地基下卧层的附加应力增量扔，需要知道传递到下卧层 顶面的荷载，这也是一个尚未确定的课题。目前在工程实践中，常采用以下方法 计算下卧层顶面的荷载。 ( 1 ) 压力扩散法 如图1 2 所示，若复合地基表面作用荷载为p ，复合地基加固区应力扩散角为， 则作用在下卧层顶面的荷载可用下式计算。 见= 两赢 ( 1 1 2 ) 见2 石砑面藏而 u j n j 式中，曰一复合地基表面的荷载宽度； d 一复合地基表面的荷载长度( 图1 2 中未示出) ； j | l 一复合地基加固区厚度； 一复合地基加固区应力扩散角。 图1 2 压力扩散法计算简图 6 第一章绪论 1 2 5p c c 桩研究现状 p c c 桩作为一种新桩型，目前其计算理论主要是借鉴现有桩基础设计计算理论。 刘汉龙教授领导的p c c 桩课题组已进行了现场试验、室内模型试验、解析理论和数值 计算等相关研究工作，对p c c 桩工作特性诸如竖向承载特性、水平承载特性、荷载传 递特性等做了较为广泛的研究。 在理论研究方面看，刘汉龙等【_ 7 ，8 】于2 0 0 3 年首次提出大直径现浇混凝土管桩复合地 基的概念，并且认为p c c 桩复合地基中p c c 桩的承载力由桩外侧摩擦力和桩端阻力两 部分组成，将内摩阻力作为p c c 桩设计时的安全储备。在解析理论和数值计算方面， 费康等【1 8 】通过有限元方法研究了p c c 桩的荷载传递机理，计算结果与静载试验结果较 为吻合。费康等【1 9 】又基于荷载传递法，考虑土塞的作用，提出了一种p c c 桩单桩性状 的简化分析方法，采用该方法模拟了荷载沉降曲线，计算了桩的内外摩阻力及土芯和 桩身的轴力。温世清等【，删基于p c c 桩土垫层所组成的工作体系，考虑三者相互影响， 推导了p c c 桩复合地基的桩土应力比、沉降简化计算公式，但假定条件比较简单，对 p c c 桩内摩阻力简化过于理想。张晓健等【2 l 】对p c c 桩负摩阻力作用机理进行了探讨， 认为p c c 桩内部不产生负摩阻力，并建立了p c c 单桩负摩阻力模型。陆海源【冽对p c c 结构直立式海堤抗弯性能进行了研究。戴明【2 3 】分析了桩间距对于复合地基软基加固性 状的影响，特别是沉降的影响，揭示了复合地基变桩间距沉降控制的机理。张波【冽基 于路堤填土一褥垫一桩一土四者共同作用，考虑到应力、变形协调的平衡条件，建立 了四者协同作用计算模型，分析了模型参数对复合地基桩土应力比的影响。王振芳【2 5 】 通过现场试验监测和有限元分析方法，对p c c 桩复合地基群桩工作性状进行了研究， 开展了国内外刚性桩复合地基设计方法对比研究，提出了采用c o m b 撕“6 2 】负摩擦原理 和德国道路设计规范e b g e o 【6 3 】来计算p c c 桩复合地基桩土荷载分担的方法。 在试验研究方面，张晓健掣2 6 】通过自行研制的设备对砂土中p c c 桩进行了室内模 型试验，结果表明试验结果与荷载传递法结算结果大致吻合，荷载传递函数仍然适用 于p c c 桩，并且认为p c c 桩内摩阻力是存在的。何筱进【27 】运用同样装置进行p c c 桩水 平承载特性模型试验研究，并通过有限元方法分析了p c c 桩抗弯性状。杨寿松等【l o 】进 行了p c c 桩现场试验研究，得出了p c c 桩施工中的一些常见问题处理解决方案。戴民【捌 通过上海a 4 新卫立交西段软基加固试验段分析了桩间距对p c c 桩复合地基加固性状 的影响规律。马志涛【2 3 】根据p c c 桩的成桩特点，在均质砂土中，开展了p c c 桩室内模 型试验，探讨分析了p c c 桩桩身水平位移、桩身弯矩以及桩前土抗力分布等水平受力 特性，定性地分析桩径、桩长以及分层土体对受力特性的影响。张波【2 4 】对盐通高速公 9 第一章绪论 1 3 3 2 土拱拱脚的存在形式 在土拱的研究中，拱脚应是一种承力机构。无论从土拱的定义还是从结构力学中 拱的受力机制都不难看出，拱就是将拱后受力传递至拱脚的结构，因此土拱的拱脚应 当是一个相对“稳定 、“坚固 的结构，应足以承受由拱体传递的抑制拱体上方( 或 后方) 土体位移所产生的力。或者说，土拱能否形成并稳定存在，在很大程度上依赖于 拱脚。通过大量成拱作用的实例分析，贾海莉等【2 9 】认为拱脚有以下几种存在形式： ( 1 ) 直接拱脚：是指支护结构本身发挥其抗弯或抗压性能形成的拱脚。例如抗滑桩 或护壁桩桩间水平土拱。在土性既定的条件下桩间距以及桩截面设计的合理性是该拱 形成并发挥作用的重要保证。 ( 2 ) 摩擦拱脚：是指土体与外加支护结构之间的摩擦力形成的拱脚。例如加筋土挡 墙工程中相邻筋带之间的土拱效应，“粮仓现象 中谷粒与仓壁之间的摩擦力形成的 拱脚。 ( 3 ) 土体拱脚：是指土拱拱脚均支撑于稳定土体的拱脚形式。例如跳槽分段开挖， 正是利用土体自然成拱的原理，基坑开挖时也会形成土拱。 ( 4 ) 二异拱脚：是指土拱拱脚分别支撑于支护结构和稳定土体的拱脚形式。例如基 坑护壁桩与稳定土体之间形成的悬链拱。 1 4 路堤中竖向土拱效应的研究现状 早在1 9 3 6 年，太沙基( t e r z a g l l i ) 【3 l 】就在模型实验中发现存在土拱效应，并于1 9 4 3 年将土拱效应定义为应力由发生屈服的土体向相邻未屈服的土体转移的现象。 英国规范( b s 8 0 0 6 ，1 9 9 5 ) 【4 2 1 采用了m a r s t o n 的管道土压力理论【4 3 l 来计算桩帽、桩 间土土压力，并假定等沉面的临界高度为1 4 0 6 ) 。 棱柱模型多采用卡尔松( c a l l s s o n ) ，c a r d 等【3 7 3 8 】提出的土楔形式，并发展成为卡尔 松土楔方法，得以广泛运用；鲁长亮等人【4 4 1 利用c a l l s n 的土楔理论与加筋单元的受 力平衡条件，推导出桩承土工加筋地基桩土应力比的计算式。 例d o 等人m 认为土拱的形状为正四棱锥，棱锥侧面与底面的夹角假设为4 5 0 ，土 工格栅仅承担该四棱锥部分的荷载，其余荷载由桩来承担。 h e w l e t t & i 乙眦d o l p h 删通过对填土为无粘性砂土的正方形布置桩承式路堤进行模 型试验，提出了二维圆拱模型和三维弯项拱模型，分别运用土体的弹塑性平衡方程对 圆柱模型和和半球形模型的土拱效应进行了分析。 国内刘吉福【删较早开展了填土拱效应的研究，从存在沉降差出发，根据路堤填土 的竖向受力平衡条件，获得了计算荷载分担比的表达式，但必须先凭经验确定桩土沉 1 2 第一章绪论 降差，而且也没有考虑加筋褥垫层的作用。 陈云敏等人【4 l 】对h 跚l e 仕的半球形模型进行了改进，引入一个系数口来对h c w l e 仕 基于极限状态的分析方法进行修正，取= 口k 。t ，并根据单桩等效处理范围内的路 堤平衡方程求解口。 陈仁朋【4 7 】将刚性桩加固软土地基的各个组成部分作为一个整体，综合考虑路堤填 土中的土拱效应，根据m a r s t o n 的计算理论，建立了考虑桩土路堤变形和应力协调的 平衡方程，得到了路堤的桩土荷载分担刀。 芮瑞【4 8 】通过f l a c 3 d 对路堤竖向土拱效应进行了数值分析，通过绘制位移三维透 视等值云图可知，土拱的形式并非为标准的半圆和半球形，而是以桩顶弹性区域一刚 性核为拱脚形成了弧形拱和球面拱，形成的土拱拱项高度要低于半球形土拱，四棱锥 状弹性区域与桩帽形成一个整体，分别得出了两个荷载分担比的公式。根据t e f z a g l l i 的极限承载力计算法，当刚性界面为绝对粗糙界面时，刚性核底角等于土体的内摩 擦角缈，如果顶面的摩擦力不足以完全限制土体的侧向变形时，则妒将介于矿与 ( 4 5 。+ 伊2 ) 之间。 1 5 本文的主要研究内容及技术路线 1 5 1 主要研究内容 结合目前路堤中土拱效应的研究现状，本文对p c c 桩复合地基路堤中竖向土拱效 应进行了理论研究、现场试验数据的分析、有限元的模拟，并通过对竖向土拱效应的 定性分析，考虑桩间软土模量变化时，对p c c 桩复合地基的设计参数进行了优化研究， 主要是褥垫层厚度与模量、填土高度、桩间距等参数的优化设计。本文主要工作如下： ( 1 ) 对已有的路堤中竖向土拱效应计算方法进行了详细介绍，主要包括t e r z a g h i 的 土拱计算方法、英国规范( b s 8 0 0 6 ) 采用的m a r s t o n 土压力计算方法、c 砌s n 的楔形土 拱理论、g u i d 0 的正四棱锥土拱理论、h 删l e t t 的半球壳形土拱理论、陈云敏对h e w l e t t 基于极限状态的分析方法的修正；以p c c 桩一桩间土一路堤填土为研究对象，并考虑路 堤填土粘聚力c 的作用，采用m a r s t o n 的管道土压力理论，对p c c 桩复合地基路堤中的 竖向土拱效应进行了分析，得到了桩土应力比刀、土拱效应系数墨n 的表达式，并根据 等沉面处桩顶与桩间土上部填土沉降相等的条件，计算了等沉面高度允，最后进行了 工程实例分析，将计算结果与实测结果进行对比，验证了计算公式的合理性。 ( 2 ) 结合盐通高速公路p c c 桩复合地基现场试验数据，分析了路堤填筑过程中及 填筑完毕后一段时间内桩顶、桩间土上土压力以及桩土差异沉降的发展变化过程，揭 示了桩顶、桩间土上土压力的分布规律及与桩土沉降差的相互关系，验证了路堤中土 1 3 第一章绪论 拱效应的存在及土拱效应在各阶段的发挥过程，并分析了路堤中竖向土拱效应的影响 因素。 ( 3 ) 对有限元的基本理论及所采用的a b a q u s 通用有限元分析程序进行简要介 绍，利用该程序并结合盐通高速公路p c c 桩复合地基现场试验，建立了有限元分析模 型，对p c c 桩复合地基路堤中竖向土拱效应进行了数值模拟，重点分析了褥垫层模量 与厚度、填土模量与填土高度、桩体模量、桩间土模量、桩间距等对土拱效应系数、 桩土应力比、桩土差异沉降的影响。 ( 4 ) 基于对路堤中竖向土拱效应的理论研究、现场试验数据分析、数值模拟分析， 考虑在不同地质条件下( 即桩间软土模量变化时) ，对p c c 桩的褥垫层模量与厚度、 填土高度、桩间距等设计参数进行了优化，提出了合理的取值范围，对工程实践有一 定的指导作用。 1 5 2 技术路线 1 4 第二章p c c 桩复合地基路堤中竖向土拱效应分析 第二章p c c 桩复合地基路堤中竖向土拱效应分析 2 1 引言 由于桩的压缩性远小于土的压缩性，在同样的路堤填土荷载作用下，桩间土的沉 降量远大于桩的沉降量，这种差异沉降使桩间土上部填土对桩顶上部填土产生向下的 拖拽力，即剪力，使桩顶水平面上一定范围内的填土产生应力重分布，剪力使大主应 力方向发生偏转而大致平行于相邻两桩帽之间的椭圆形拱连线，从而将此拱形区域内 的路堤填土压实，形成一个拱状的压密壳体，路堤荷载就通过这一大主应力拱传递到 桩帽上，这种现象称为土拱效应【4 9 】。 土拱效应只是一个概念，表示了路堤中不同区域填料之问通过相互作用的剪应力 而发生荷载转移的现象。常用的表示土拱效应的参数是桩土应力比和桩体荷载分担比。 桩土应力比是桩帽上平均土压力与桩间土上平均土压力的比值，桩体荷载分担比为基 桩承担的路堤荷载与基桩处理范围内路堤总荷载的比值。桩土应力比与桩体荷载分比 在表示土拱效应方面是有差别的。桩土应力比越大，表示土拱效应的发挥程度越高。 桩体荷载分担比越大，表示桩承担的路堤荷载份额越大，但并不表示土拱效应发挥程 度高，因为桩体荷载分担比考虑了桩帽面积大小，而桩土应力比消除了桩帽面积大小 的影响【删。 2 2 路堤中竖向土拱效应计算方法研究现状 2 2 1t e 亿a g h i ( 1 9 4 3 ) 的土拱效应计算方法 t e r z a g l l i ( 1 9 4 3 ) 基于著名的州0 0 r 试验【5 l 】，建立了平面土拱效应计算模型，如图 2 1 所示。当彻p d 0 0 r 有向下的微小位移时，1 2 3 4 所围成区域的土体会向下移动，而其 余部分的土体不动，不动部分与可动部分土体之间接触面1 2 、3 4 上的剪应力会使得作 用在1 硪p d 0 0 r 上的土压力减小，而作用在t r a p d 0 0 r 两侧不动边界上的土压力增大。 t 吼a g l i 指出，可动部分土体向上延伸的高度为两倍的州0 0 r 宽度( 即2 d ) ，在此高度 以上范围的土体则不受影响。 24 图2 1t e 亿a g h i 的土拱效应计算模型【5 1 】 1 6 第二章p c c 桩复合地基路堤中竖向土拱效应分析 t e 忆a g m 根据司动邵分土体浮片的竖向受力平衡条件，司得到： 譬+ 2 k 掣q ：7 ( 2 1 ) d zd v 、7 引入边界条件q i z i o = o ，式( 2 1 ) 即可求解，则： = 叱= 蒜( 1 一e 咀 ( 2 2 ) 式( 2 1 ) 即为土体厚度 2 d 时作用在在州。吐的土压力，当 2 d 时，求解 式( 2 2 ) 的边界条件为q | z i 一：d = 7 ( 五一2 d ) ，此时作用在州o o r 上的土压力为： = q i 商= 意备( 1 一一协m 一2 跏娥州 ( 2 3 ) 其中，7 、矿、 分别为土的容重、内摩擦角及土层厚度，d 为州o o r 宽度，k 为 侧向土压力系数( t e r z a 9 1 1 i 建议取为o 7 ) 。得到了作用在州0 0 r 上的土压力后，根据土 体总重量就很容易求得作用在州0 0 r 两侧不动边界上的土压力。 2 2 2 英国规范b s 8 0 0 6 ( 1 9 9 5 ) 的土拱效应计算方法 b s 8 0 0 6 法是用于桩承加筋土复合路基设计、施工的英国规范，它最初由j 0 n e s 等人 ( 1 9 9 0 ) 提出【5 7 1 。现在该方法已经被广泛使用，b s 8 0 0 6 法【4 2 】采用了m a r s t o n 的方法来计算 桩帽、桩间土土压力，当桩在平面上呈正方形布置时，作用于桩帽上的土压力平均值 q ，可按下式计算： 巳叫( 譬) 2 ， 式中，b 为桩帽宽度，h 为路堤高度，厂为路堤填料容重，q 为拱效应系数，对端 承桩，口c = 1 9 5 害一o 1 8 ：对摩擦桩，4 c = 1 7 0 考一o 1 2 。 对于平面土拱，可按下式计算作用于桩帽上的土压力，即： 咋叫( 警) 亿5 ， 如图2 2 所示，b s 8 0 0 6 ( 1 9 9 5 ) 假定上部填土路堤临界高度值为1 4 0 6 ) ，当路堤高 度j i l 5 1 4 1 4 0 一6 ) 时， 1 4 0 一6 ) 高度以上的路堤荷载均由桩承担，s 为桩间距。 1 7 第二章p c c 桩复合地基路堤中竖向土拱效应分析 t q 删 图2 2b s 8 0 0 6 法临界高度计算酣4 2 】 2 2 3 楔形( 四棱锥) 土拱模型 楔形土拱模型示意图如图2 3 ，属于平面应变问题，可简化为平面应变的三角形拱， 只是各方法的顶角大小不一样，假定楔形体内的填土荷载由加筋体承担或桩间土承担， 其余为桩承担。采用这一方法的有c 砌s n ，c a r d 等【3 7 捌，c 砌s s o n 假定项角为2 秒：3 0 0 ， 提出了临界高度的概念，路堤一旦高于此临界高度日= 1 8 7 0 一口) ，多余的荷载直接传 递到桩。而c a r d 等在三层土工栅格和填料砂形成荷载传递平台的条件下采秒= 2 2 5 0 ， 楔形土拱模型计算较为简单，但仍属于二维模型，项角的假定也是凭经验确定的。 图2 3 楔形土拱模型【3 刀 c 硒d 0 等人【4 5 】认为土拱的形状为正四棱锥，土拱模型如图2 4 所示，棱锥侧面与底 面的夹角假设为4 5 0 ，土工格栅仅承担中部四棱锥部分的荷载，其余部分荷载由桩来承 担，应力折减比为：= 端 第二章p c c 桩复合地基路堤中竖向土拱效应分析 囱 ( a ) 桩平面布置图 脚d 自乜1 1 l m b r t 、，i 触、，7 、j 、7 ，7 莓该、y ，7 ， 1 ! 丑j 幽1 ! 互lj 删面图 图2 - 6 球形土拱几何尺寸示意酣4 0 1 根据球形土拱拱项土单元体的竖向受力平衡条件，可得到： 孕+ 刿：一厂 ( 2 6 ) h e w l e t t & r 觚d o l p h ( 1 9 8 8 ) 认为球形土拱拱顶土单元体会达到极限状态，即 = k p 咋，k p = ( 1 + s i n ) ( 1 一s i i l ) ，厂、分别为路堤填料容重和内摩擦角，根据边 界条件q i ，耐，压= 厂( | l j 2 ) ，可得到式( 2 6 ) 的解为： q 2 毒矿m 一扩鸣，2 坼。1 一毒j 。噎一，2 呜。1 i ( 2 7 ) 进而得到桩间土土压力为： 吒硼一击第汁”枷+ 焉务+ 7 等 亿8 ， 根据单桩处理范围内路堤填料重量及上述求得的仉，就可得到桩承担的路 堤荷载为0 = 声2 i i i q ( j 2 6 2 ) ，而桩体荷载分担比为巨= 0 ( 声2 j | i ) 。 图2 7 为平面土拱几何尺寸示意图。根据桩帽上土单元体的极限状态及单 桩处理范围内路堤填料重量，可得到相应的桩体荷载分担比为最= “1 + ) ， 其中夕= 是击【( 1 - 6 圹t ( 1 删s 矧】。 h e w l e t t & r 锄d o l p h ( 1 9 8 8 ) 认为巨、最的较小值就是实际的桩体荷载分担比。 少lj 回油 第二章p c c 桩复合地基路堤中竖向土拱效应分析 旦囡 面 ( a ) 桩平面布置图 却d 自n b e 州q r r 叭 、，7 1 ( 触- 、， 、j 、v ，7 莓镛、! 、y 7 ，i 删面图 图2 7 平面土拱几何尺寸示意图m 2 2 5l o we ta l ( 1 9 9 4 ) 的土拱效应计算方法 当用桩梁将一个个独立分布的桩沿路堤纵向或横向在桩顶位置连接起来时，路堤 中形成的土拱就是平面土拱。k l wc ta l ( 1 9 9 4 ) 3 9 】认为，拱顶或拱脚( 桩梁顶) 土单元体 会达到极限状态，因此根据拱顶和拱脚土单元体的受力条件，利用与h e w l e t t 相似的方 法得到两个桩体荷载分担比五、最，其中的较小值就是实际的桩体荷载分担比，但l o w e ta l ( 1 9 9 4 ) 认为桩间土土压力分布是不均匀的，因此在计算互、最时，对桩间土土压 力t 乘以系数口( l 0 we ta l 建议口= 0 8 ) 来进行修正。 2 2 6 陈云敏等人( 2 0 0 4 ) 的土拱效应计算方法 h e w l e t t & r 锄d o l p h ( 1 9 8 8 ) 分析土拱效应的方法是基于拱顶、拱脚土单元体的极限状 态。实际上，在路堤高度较低时，无论是拱项土单元体还是拱脚土单元体，都未进入 塑性状态，即 k p q ，这时按极限状态( = 足p q ) 得到的桩项土压力与桩间土压 力的合力大于路堤重力。相反，当路堤较高时，由极限状态得到的桩项土压力与桩间 土压力的合力小于路堤重力。只有当路堤高度为某一特定值( 与桩间距、桩帽大小和路 堤填料性质有关) 时，才能满足路堤的平衡条件。因此陈云敏等人( 2 0 0 4 ) f 4 1 ，5 明引入一个 系数口来对h e w l e n & r 锄d o l p h ( 1 9 8 8 ) 基于极限状态的分析方法进行修正，即取 = 口k 。以，并根据路堤土体的重力平衡条件求解口。陈云敏等人分析土拱的方法与 h e w l e t t & r 锄d o l p h ( 1 9 8 8 ) 的相似，这里只作简要介绍。 根据球形土拱( 见图2 6 ) 拱顶土单元体的竖向受力平衡及相应的边界条件，得到桩 间土土压力正，即： 赢南州一 卜嵩愕 眩” 2 l 第二章p c c 桩复合地基路堤中竖向土拱效应分析 根据平面土拱( 见图2 7 ) 拱脚土单元体( 即桩顶土单元体) 的径向受力平衡，可得到单 桩承担的路堤荷载，即 乞= 杀 ”) ( 1 叫- ( 1 一如知) ( 2 0 ) 单桩等效处理范围内路堤平衡方程为： 加。= + q ( s 2 6 2 ) ( 2 1 1 ) 根据式( 2 1 1 ) 可求解待定参数口，当口1 时，说明土单元体己进入塑性状态，取 口= l ；当口 1 时，说明土单元体还未进入塑性状态。将口回代入式( 2 9 ) 、( 2 1 0 ) 即可 得到桩承担的路堤荷载和桩间土土压力。这里所用到的几何、物理力学参数的意义与 前述相同。 2 3p c c 桩复合地基路堤中竖向土拱效应研究 m a 璐t o n 等【4 3 】提出的管道土压力理论虽然是针对管道沟槽开挖回填的情况，但其本 质是分析基础差异沉降引起的荷载转移现象，因此在复合地基路堤中竖向土拱效应的 研究中得到了应用，在英国规范b s 8 0 0 6 中采用了该理论进行计算；2 0 0 3 年刘吉福等【蛔 则根据此理论进行了路堤下刚性桩复合地基的桩土应力比分析，推导出了一个求解桩 项平面处的桩、土应力比公式，公式表明桩、土应力比的大小与复合地基置换率、桩 顶处桩土沉降差、填土高度、填土弹性模量等密切相关，但其分析没有考虑填土粘聚 力c 等因素的影响；2 0 0 5 年陈仁朋等【4 7 ，6 1 】也根据此理论进行了桩承式路堤土拱效应的 分析，考虑桩一土一路堤变形和应力协调的平衡方程，并推导出桩土荷载分担比的公式， 但其分析也没有考虑填土粘聚力c 的影响。 本文在刘吉福m 、陈仁朋【4 7 6 1 1 研究的基础之上，以p c c 桩一桩间土一路堤填土为研 究对象，并考虑路堤填土粘聚力c 的作用，采用m a r s t o n 的管道土压力理论，对p c c 桩 复合地基路堤中的竖向土拱效应进行分析，得到了桩土应力比刀、土拱效应系数墨d 的 表达式，并根据等沉面处桩顶与桩间土上部填土沉降相等的条件，计算了等沉面高度 允，最后采用本文第三章的现场试验资料为分析对象，选取硒o + 8 5 3 断面的参数为计 算参数，将计算结果与实测结果进行对比分析，验证了本章计算公式的合理性。 2 3 1 基本假定 (