桩承式加筋路堤的筋材设计方法讨论——马克菲尔韩飞

1、桩承式加筋路堤筋材设计方法的讨论桩承式加筋路堤筋材设计方法的讨论马克菲尔（长沙）新型支档科技开发有限公司韩 飞2引引 言言软土地基上筑堤（加固）的技术选择软土地基上筑堤（加固）的技术选择地基加固，根据路基要求可以选择不同技术方案：地基加固，根据路基要求可以选择不同技术方案：复合地基技术（水泥土桩、石灰桩、碎石桩、复合地基技术（水泥土桩、石灰桩、碎石桩、CFGCFG桩等）桩等）PVDPVD预压固结技术（堆载预压、真空预压）预压固结技术（堆载预压、真空预压）其他地基处理组合技术（如长版短桩其他地基处理组合技术（如长版短桩+ +堆载工法）堆载工法）轻质填料路堤，如轻质填料路堤，如EPSEPS路堤路堤

2、分期施工技术：前期固结基本完成后再加载分期施工技术：前期固结基本完成后再加载传统桩承路堤传统桩承路堤垫层加筋路堤垫层加筋路堤桩承加筋路堤桩承加筋路堤3传统桩承路堤传统桩承路堤Firm soil or bedrock使用斜桩4软土地基路堤填土土工合成材料加筋桩典型桩承加筋路堤构成典型桩承加筋路堤构成桩帽主要区别：引入加筋垫层，取消边缘斜桩5桩网复合地基桩网复合地基着眼点是复合地基，着眼点是复合地基，不论采用何种桩型，强调桩不论采用何种桩型，强调桩- -网网- -土的协调工作和共同分担上部荷土的协调工作和共同分担上部荷载；桩间土承担荷载是复合地基载；桩间土承担荷载是复合地基的前提。的前提。桩承式加

3、筋路堤桩承式加筋路堤更侧重更侧重“桩承路桩承路堤堤”，多采用刚性桩，充分考虑，多采用刚性桩，充分考虑填土路堤内的土拱效应，特别是填土路堤内的土拱效应，特别是在水平加筋膜效应下，由桩体分在水平加筋膜效应下，由桩体分担绝大部分路堤荷载与附加荷载，担绝大部分路堤荷载与附加荷载，在一般情况下不考虑桩间土的支在一般情况下不考虑桩间土的支撑作用。撑作用。桩承加筋堤桩承加筋堤vs.vs.桩网复合地基桩网复合地基6桩承式加筋路堤的设计方法桩承式加筋路堤的设计方法 英国规范BS8006（2010） 德国规范EBGEO (2010) 北欧指南NORDIC (2004) 日本手册（2001） 复合地基技术规范（GB

4、/T50783-2012）BS 8006BS 8006（20102010）极限状态）极限状态Pile group capacityPile group extentVertical load sheddingOverall stabilityLateral sliding7承载能力极限状态8正常使用极限状态BS 8006BS 8006（20102010）极限状态）极限状态Reinforcement strainFoundation settlement9北欧Nordic楔形拱 英国BS8006土拱效应荷载 日本细则 德国EBGEO规程10 路堤荷载最终是由桩（桩间土）分担，桩基承担路堤荷载最终

5、是由桩（桩间土）分担，桩基承担的是经过的是经过土拱效应土拱效应加强的上部荷载加强的上部荷载(A)(A)和经筋材和经筋材薄膜效薄膜效应（梁效应）应（梁效应）传递过来的荷载传递过来的荷载(B)(B)；而桩间土分担的是；而桩间土分担的是经过土拱效应和薄膜效应转移后剩余的上部荷载经过土拱效应和薄膜效应转移后剩余的上部荷载(C)(C)。11桩承式加筋路堤设计基本思路桩承式加筋路堤设计基本思路 根据路堤填筑高度和设计基本条件，考虑土拱效应，根据路堤填筑高度和设计基本条件，考虑土拱效应，确定桩间加筋上的作用荷载。确定桩间加筋上的作用荷载。依据薄膜效应或者梁效应（依据薄膜效应或者梁效应（Beam theory

6、Beam theory），确定土），确定土工合成材料受力，进行加筋垫层设计。工合成材料受力，进行加筋垫层设计。然后进行桩承式加筋路堤的稳定性分析，桩基（桩型、然后进行桩承式加筋路堤的稳定性分析，桩基（桩型、间距、长度）设计，路堤沉降验算。间距、长度）设计，路堤沉降验算。12各国规范对筋材长期设计抗拉强度的计算各国规范对筋材长期设计抗拉强度的计算英国英国BS8006BS8006： 德国德国EBGEOEBGEO：北欧北欧NORDICNORDIC： 日本细则：22max2qTH国家规范：国家规范：22221.35() ()432h SaSaTa 13()ultdCRDIDsoverallTTRFRF

7、RFF长期抗拉强度设计值：长期抗拉强度设计值：14BS 8006 &SANS 207EBGEOFHWAISO TR 20432TDRB,kTLTDSTLTDSRFCRA1RFCRRFCRfm21A2RFIDRFIDincluded in fm22included in A4RFWRFWincluded in fm22included in A4RFCHRFCHfm12 x fm12fixed value = 1.3FSFSRB,k = RB,K0 / (A1 x A2 x A3 x A4 x A5)TB = TCR = Tchar / RFCRTD = TCR / fm wherefm

8、 = RFID x RFW x RFCH x FS = fm21 x fm22 x fm12 x fm12 ()ultdCRDIDsoverallTTRFRFRFF长期抗拉强度设计值：长期抗拉强度设计值：15拉伸强度, T设计年限设计年限, tdLog (时间)1. Tult （快速拉伸试验测（快速拉伸试验测得）得）施工期施工期()ultdCRDIDsoverallTTRFRFRFF传统方法传统方法-长期抗拉设计强度长期抗拉设计强度Td (e.g., TR ISO 20432):1602468101214161820222405101520253035404550before ruptureL

9、oading terminated PolyesterRuptureTensile strain, (%)Tensile load, V (kN/m)Strain rate (%/min) 0.01 0.1 1 5 10 20 T第一步：第一步：土工合成加筋材料的机械性能可以通过不同的试验方法测试；根据土工合成加筋筋材破坏时的变形，其结果略有不同。影响测试结果的其他因素：测试温度；固定加筋筋材的夹具类型；速率（应变、应力）17拉伸强度, T2. Tult/RFID设计年限设计年限, tdLog (时间)施工期施工期 RFID:施工损伤折减系数施工损伤折减系数 (一般一般为： 1.05 3.0)

10、 1. Tult （快速拉伸试验（快速拉伸试验测得）测得）()ultdCRDIDsoverallTTRFRFRFF传统方法传统方法-长期抗拉设计强度长期抗拉设计强度Td (e.g., TR ISO 20432):18第二步：第二步：施工损伤主要影响因素：填料粒径填料颗粒尖锐程度压实机械压实能量压实厚度.现场试验非常有必要现场试验非常有必要 ! !192. Tult/RFID拉伸强度, T设计年限, tdLog (时间)Negative ageing effects covered by RFD施工期施工期直接到设计年限末 !1. Tult （由快速拉伸（由快速拉伸试验测得）试验测得） RFD:

11、 环境因素折减系数环境因素折减系数 (一般为一般为 1.1 2.0)3. Tult/(RFID x RFD)()ultdCRDIDsoverallTTRFRFRFF传统方法传统方法-长期抗拉设计强度长期抗拉设计强度Td (e.g., TR ISO 20432):202. Tult/RFID3. Tult/(RFID x RFD)拉伸强度拉伸强度, T设计年限设计年限, tdLog (time)Negative ageing effects covered by RFD施工期施工期Go back from the future !1. Tult （由快速拉伸试验（由快速拉伸试验测得）测得）()u

12、ltdCRDIDsoverallTTRFRFRFF传统方法传统方法-长期抗拉设计强度长期抗拉设计强度Td (e.g., TR ISO 20432):21第三步：第三步：主要影响因素：紫外线聚烯烃类的氧化反应聚酯类的水解反应微生物土壤酸碱度PH值. 222. Tult/RFID3. Tult/(RFID x RFD)拉伸强度, T设计年限设计年限, tdLog (时间时间)Negative ageing effects covered by RFDConventional stress-rupture curve施工期施工期再一次到设计年限末再一次到设计年限末 !4. Tult/ (RFID x

13、 RFD x RFCR) RFCR:蠕变折减系蠕变折减系数数 e.g., 4.0 5.0 for PP & 2.6 5.0 for HDPE (FHWA, 2001)1. Tult （由快速拉伸试验（由快速拉伸试验测得）测得）()ultdCRDIDsoverallTTRFRFRFF传统方法传统方法-长期抗拉设计强度长期抗拉设计强度Td (e.g., TR ISO 20432):23第四步：第四步：蠕变折减系数主要影响因素： 聚合物类型 温度 聚酯聚酯 90/110 260 90/110 260 C C 聚丙烯聚丙烯 -20 -20 170170/1/1 80 80 高密度聚乙烯高密度聚

14、乙烯 -120/-90 -120/-90 130130弹性阶段粘弹性阶段流态玻璃化温度玻璃化温度熔点熔点一般土壤温度： 0C t 30C24最常用的是等时蠕变曲线。它可以提供了在特定的设计年限内较明确的最大拉伸强度（左图） - 强度准则 蠕变应变速率（右图） - 变形准则. Log (time)5. 设计强度设计强度: Td=Tult/(RFID x RFD x RFCR x (Fs)overall)2. Tult/RFID3. Tult/(RFID x RFD)拉伸强度, T设计年限设计年限, tdNegative ageing effects covered by RFDs overal

15、l(F )施工期施工期4. Creep rupture strength: Tult/ (RFID x RFD x RFCR)1. Tult （由快速拉伸试验（由快速拉伸试验测得）测得）Conventional stress-rupture curve()ultdCRDIDsoverallTTRFRFRFF传统方法传统方法-长期抗拉设计强度长期抗拉设计强度Td (e.g., TR ISO 20432):26第五步：第五步：(Fs)overall = fm121X fm122这个系数很重要但经常会被遗忘。它包含了所采用材料生产企业的质量流程控制、建厂历史、材料试验测试频率以及其依据统计数据提出材

16、料参数典型数值的可信度。依据英国规范BS8006，fm122 与可提供的样板数据库次数成线性关系。如果不能达到最低值，此种材料不能被采用！27工程算例：工程算例：软基处理工程，筋材最大允许变形量4%，蠕变量1% 设计抗拉强度：Td = 120 kN/m 工作温度： 30C 土壤PH值： PH9 土料：隧道弃土 dmax=40 mm281st step:通过表格来反推与所需长期设计强度120kN/m相对应的强度由上表可得，120年的设计年限：TCR= 69%Tchar由此可得：RFCR= 1 / 0.69 =1.449上式中： TCR为长期蠕变设计强度值； Tchar(Tult)为短期拉伸强度典

17、型值，既通常所说的极限强度值。29RFID = 1.03 1.05 与格栅型号有关.RD = 1.23 （设计年限120年，土壤温度：30C土壤酸碱度：PH269kN/m的格栅31The 2nd step: 校核269kN/m的格栅是否满足“变形准则”。最大允许变形为4% - 最大的蠕变变形量1%既格栅极限强度值为3%应变时对应的既为长期拉伸强度设计值Td (=120 kN/m) kN/m。 120 kN/m = 45%的Tult (120/269=45%)相对应的变形= 3.9%与3%的应变要求不符，不满足“变形准则”32本工程中格栅允许最大变形量为4%，最大蠕变量为1%，为了满足“变形准则

18、”，根据格栅应力应变典型曲线可以得到，3%应变所对应的长期拉伸强度设计值Td =33%的Tult。The 3nd step: 验算格栅型号以满足“变形准则”。33根据格栅应力应变典型曲线可知：依据“变形准则”所对应的33%的Tult 和“强度准则”所对应的45%的Tult，格栅的应变0.5%，因此，我们可以把变形控制到3.5%。The 3nd step: 验算格栅型号以满足“变形准则”。本工程中格栅允许最大变形量为本工程中格栅允许最大变形量为4%4%，最大蠕变量为，最大蠕变量为1%1%，为了满足，为了满足“变形准则变形准则”，根据格栅应力，根据格栅应力 应应变典型曲线可以得到，变典型曲线可以得

19、到，3%3%应变所应变所对应的长期拉伸强度设计值对应的长期拉伸强度设计值Td Td =33%=33%的的T Tultult。T Tultult = Td /0.39 = 120 /0.39 = 308 = Td /0.39 = 120 /0.39 = 308 kN/mkN/mThe 3nd step: 验算格栅型号以满足“变形准则”。根据格栅应力应变典型曲线可知：依据“变形准则”所对应的33%的Tult 和“强度准则”所对应的45%的Tult，格栅的应变0.5%，因此，我们可以把变形控制到3.5%。本工程中格栅允许最大变形量为本工程中格栅允许最大变形量为4%4%，最大蠕变量为，最大蠕变量为1%

20、1%，为了满足，为了满足“变形准则变形准则”，根据格栅应力，根据格栅应力 应应变典型曲线可以得到，变典型曲线可以得到，3%3%应变所应变所对应的长期拉伸强度设计值对应的长期拉伸强度设计值Td Td =33%=33%的的T Tultult。解决方案解决方案强度为269kN/m的格栅满足“强度准则”，但不满足“变形准则”。正确的格栅强度（极限抗拉强度）应该不小于308kN/m，而且是蠕变比较小的格栅类型，如PET格栅。工程算例：工程算例：软基处理工程，筋材最大允许变形量软基处理工程，筋材最大允许变形量4%4%，蠕变量，蠕变量1%1% 设计抗拉强度：设计抗拉强度：Td = Td = 120 kN/m

21、120 kN/m 工作温度：工作温度： 30 30C C 土壤土壤PHPH值：值： PHPH9 Td筋材长期抗拉强度设计方法讨论筋材长期抗拉强度设计方法讨论马克菲尔计算软件马克菲尔计算软件4344强度准则！变形准则！45桩承式加筋路堤的特点与优势桩承式加筋路堤的特点与优势与一般软基加固技术相比，可有效控制沉降与一般软基加固技术相比，可有效控制沉降与传统桩承堤相比，由于加筋存在，体系更稳定与传统桩承堤相比，由于加筋存在，体系更稳定工作机理、各部分之间的相互作用复杂工作机理、各部分之间的相互作用复杂与桥跨（桩与桥跨（桩+ +梁梁+ +肋板）相比，节约费用肋板）相比，节约费用主要工程应用主要工程应用

22、公路、铁路路基工程中与结构物连接路堤公路、铁路路基工程中与结构物连接路堤公路、铁路路基工程中需控制工后沉降的一般路堤公路、铁路路基工程中需控制工后沉降的一般路堤公路、铁路路基拓宽工程中的拓宽路堤公路、铁路路基拓宽工程中的拓宽路堤46 拟建的京沪高速铁路沪宁段，距离约300km，其中必须进行加固处理才能作为路基的典型软土段达IOOkm，设基底宽20m，假定全部用水泥深层搅拌桩法，桩间距为通常的 1.2m，则需用桩140万根，按每根桩的实时平均综合造价500元人民币(设桩长10mx50元/m，这已经非常保守了)计算，仅桩一项就需投资7亿元人民币;但若把桩间距扩大，则地基处理费用即可大幅度降低，引桥路堤引桥路堤道路拓宽道路拓宽挡墙基础挡墙基础Nacote C