桩承式加筋路堤的筋材设计方法讨论-马克菲尔韩飞

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引言软土地基上筑堤（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：复合地基技术（水泥土桩、石灰桩、碎石桩、CFG桩等）PVD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+堆载工法）轻质填料路堤，如EPS路堤分期施工技术：前期固结基本完成后再加载传统桩承路堤垫层加筋路堤桩承加筋路堤2传统桩承路堤Firmsoilorbedrock使用斜桩3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桩帽主要区别：引入加筋垫层，取消边缘斜桩4桩网复合地基着眼点是复合地基，不论采用何种桩型，强调桩-网-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的前提。桩承式加筋路堤更侧重“桩承路堤”，多采用刚性桩，充分考虑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撑作用。桩承加筋堤vs.桩网复合地基5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/T50783-2012）6BS8006（2010）极限状态PilegroupcapacityPilegroupextentVerticalloadsheddingOverallstabilityLateralsliding7承载能力极限状态正常使用极限状态BS8006（2010）极限状态ReinforcementstrainFoundationsettlement8北欧Nordic楔形拱英国BS8006土拱效应荷载日本细则德国EBGEO规程9路堤荷载最终是由桩（桩间土）分担，桩基承担的是经过土拱效应加强的上部荷载(A)和经筋材薄膜效应（梁效应）传递过来的荷载(B)；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(C)。10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，确定桩间加筋上的作用荷载。依据薄膜效应或者梁效应（Beamtheory），确定土工合成材料受力，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、间距、长度）设计，路堤沉降验算。11各国规范对筋材长期设计抗拉强度的计算英国BS8006：

德国EBGEO：北欧NORDIC：日本细则：国家规范：12长期抗拉强度设计值：13BS8006&SANS207EBGEOFHWAISOTR20432TDRB,kTLTDSTLTDSRFCRA1RFCRRFCRfm21A2RFIDRFIDincludedinfm22includedinA4RFWRFWincludedinfm22includedinA4RFCHRFCHfm12xfm12fixedvalue=1.3FSFSRB,k=RB,K0/(A1xA2xA3xA4xA5)TB=TCR=Tchar/RFCRTD=TCR/fmwherefm=RFIDxRFWxRFCHxFS==fm21xfm22xfm12xfm12

长期抗拉强度设计值：14拉伸强度,T设计年限,tdLog(时间)1.Tult

（快速拉伸试验测得）施工期传统方法--长期抗拉设计强度Td

(e.g.,TRISO20432):15T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）16拉伸强度,T2.Tult/RFID设计年限,tdLog(时间)施工期

RFID:施工损伤折减系数

(一般为：

1.05–3.0)1.Tult

（快速拉伸试验测得）传统方法--长期抗拉设计强度Td

(e.g.,TRISO20432):17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!182.Tult/RFID拉伸强度,T设计年限,tdLog(时间)NegativeageingeffectscoveredbyRFD施工期直接到设计年限末

!1.Tult

（由快速拉伸试验测得）

RFD:环境因素折减系数(一般为

1.1–2.0)3.Tult/(RFIDxRFD)传统方法--长期抗拉设计强度Td

(e.g.,TRISO20432):192.Tult/RFID3.Tult/(RFIDxRFD)拉伸强度,T设计年限,tdLog(time)NegativeageingeffectscoveredbyRFD施工期Gobackfromthefuture!1.Tult

（由快速拉伸试验测得）传统方法--长期抗拉设计强度Td

(e.g.,TRISO20432):20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.

212.Tult/RFID3.Tult/(RFIDxRFD)拉伸强度,T设计年限,tdLog(时间)NegativeageingeffectscoveredbyRFDConventionalstress-rupturecurve施工期再一次到设计年限末

!4.

Tult/(RFIDxRFDxRFCR)

RFCR:蠕变折减系数e.g.,4.0–5.0forPP&2.6–5.0forHDPE(FHWA,2001)1.Tult

（由快速拉伸试验测得）传统方法--长期抗拉设计强度Td

(e.g.,TRISO20432):22第四步：蠕变折减系数主要影响因素：聚合物类型温度

聚酯

90/110260°C聚丙烯

-20

170/180

高密度聚乙烯

-120/-90

130弹性阶段粘弹性阶段流态玻璃化温度熔点一般土壤温度：

0°C<t<30°C23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.24Log(time)5.设计强度:Td=Tult/(RFIDxRFDxRFCRx(Fs)overall)2.Tult/RFID3.Tult/(RFIDxRFD)拉伸强度,T设计年限,tdNegativeageingeffectscoveredbyRFD施工期4.Creeprupturestrength:Tult/(RFIDxRFDxRFCR)1.Tult

（由快速拉伸试验测得）Conventionalstress-rupturecurve传统方法--长期抗拉设计强度Td

(e.g.,TRISO20432):第五步：(Fs)overall

=

fm121Xfm122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！26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=120kN/m工作温度：30°C土壤PH值：

PH<9土料：隧道弃土

dmax=40mm27

1ststep: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)为短期拉伸强度典型值，既通常所说的极限强度值。28RFID

=1.03~1.05与格栅型号有关.

RD

=1.23（设计年限120年，土壤温度：30°C土壤酸碱度：PH<9.5(Fs)overall=1.2依据BBA报告来计算所有与工作状态相关的各种安全系数：29

格栅总安全折减系数为：1.449x1.05x1.23x1.2

=2.24短期强度典型值Tchar

=Tult：Tdx2.24=120kN/mx2.24=268.8kN/mTult依据“强度准则”，应选择极限强度>269kN/m的格栅30

The2ndstep: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(=120kN/m)kN/m。

120kN/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”31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”，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。

The3ndstep:验算格栅型号以满足“变形准则”。32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%。The3ndstep: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4%，最大蠕变量为1%，为了满足“变形准则”，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。

33Tult

=Td/0.39=120/0.39=308kN/mThe3ndstep: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4%，最大蠕变量为1%，为了满足“变形准则”，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。

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：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=120kN/m工作温度：30°C土壤PH值：

PH<9土料：隧道弃土

dmax=40mm这是一个标准计算方法，是否有值得商榷的地方？

5.Designstrength:Td=Tult/(RFIDxRFDxRFCRx(Fs)overall)2.Tult/RFID3.Tult/(RFIDxRFD)拉伸强度,T设计年限,tdLog(时间)NegativeageingeffectscoveredbyRFD施工期4.Creeprupturestrength:Tult/(RFIDxRFDxRFCR)1.TultbyfastloadingtestonnewproductConventionalstress-rupturecurve这种方法值得商榷的地方在于蠕变是一个降解的现象，此意味着筋材的强度在恒定的应变速率下随着时间而减小、随着蠕变荷载历史而降低。把筋材的蠕变和降解过程分开来考虑。36

但是，蠕变不是一个筋材降解现象

a)筋材强度在恒定的应变速率下不会随着时间而减小，除非筋材收到生物、化学侵蚀作用。b)筋材强度不会随着蠕变荷载历史而降低。37

2.Tult/RFID3.Tult/(RFIDxRFD)Tensileforce,TDesignlife,tdLog(time)NegativeageingeffectscoveredbyRFDTimeofconstructionConventionalstress-rupturecurve4.Creeprupturestrength:Tult/(RFIDxRFDxRFCR)1.TultbyfastloadingtestonnewproductStress-rupturecurveforsimultaneouscreepdeformationanddegradation这是一个标准计算方法，是否有值得商榷的地方？这种方法值得商榷的地方在于蠕变是一个降解的现象，此意味着筋材的强度在恒定的应变速率下随着时间而减小、随着蠕变荷载历史而降低。把筋材的蠕变和降解过程分开来考虑。筋材降解作用和蠕变是同时发生的！在三种不同的降解环境下来模拟蠕变破坏曲线。T目前的设计方法:：蠕变发生在降解之后(保守)蠕变和降解同时发生(实际)2.Tult/RFID3.Tult/(RFIDxRFD)拉伸强度,T设计年限,tdLog(时间)Negativeageingeffects1.Tult施工期5’.:Td'=Tult/(RFIDxRFCR.D

x(Fs)overall)4.Tult/(RFIDxRFDxRFCR)5.

Td=Tult/(RFIDxRFDxRFCRx(Fs)overall)4’.:Tult/(RFIDxRFCR.D)Newstress-rupturecurveTd

'>Td筋材长期抗拉强度设计方法讨论马克菲尔计算软件43强度准则！变形准则！44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与桥跨（桩+梁+肋板）相比，节约费用主要工程应用公路、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、铁路路基拓宽工程中的拓宽路堤45拟建的京沪高速铁