疏桩路基系统荷载传递机理与稳定机制研究

摘要

由路基、软土地基、疏桩与桩帽、以及（加筋）垫层等若干要素组成的桩承式（加筋）路基结构形式这一有机整体可简称为“疏桩路基系统”。近年来，疏桩路基系统以其深层加固效果好、控沉稳定、经济合理等优点在深厚软土地区修建的高速公路、高速铁路中得到广泛应用。然而疏桩路基系统作为一个新生事物，其理论研究滞后于工程实践，亟需深入系统的开展其工作机制研究，完善相关分析理论和设计方法。本文以深厚饱和软黏土地区的疏桩路基系统为研究对象，在科学认知深厚饱和软黏土的工程特性的基础上，有针对性的开展了区域性饱和软黏土中基桩的设置效应研究，并重点围绕深厚软土中疏桩路基系统的工作机理和稳定机制展开研究，采用现场试验、理论分析与数值模拟相结合的综合研究手段，建立了路基荷载转移模型、疏桩荷载传递模型、疏桩路基稳定分析模型，揭示了深厚软土地区疏桩路基系统中路基荷载的转移特点、疏桩的荷载传递特点，继而建立了疏桩路基系统的实用沉降计算方法和稳定分析方法，完善了设计理论;并对相关分析模型和计算方法进行了程序实现和工程验证。相关研究不仅具有重要的理论价值，而且具有重要的实用意义。本研究主要内容包括：
　　⑴基于室内天然沉积土原状样和重塑土样的对比试验，提取了表征土体结构性的强度灵敏度St，屈服应力比YSR、应力灵敏度Sσ、稳定指数SI等参数，进而分析了结构性对天然沉积黏土的原位压缩特性的影响;并验证了可考虑结构性和初始各向异性影响的弹塑性本构模型在分析本文区域性饱和软黏土应力应变关系的合理性;并基于该模型，引入表征结构性土压缩变形的参数a和b，推导了K0固结结构性软土的不排水抗剪强度的计算公式，通过典型软土的实测数据验证了计算方法的正确性，为后续计算提供了重要参数;
　　⑵在修正剑桥模型的基础上，将可考虑初始各向异性影响的倾斜屈服面方程引入到柱孔扩张理论中，结合重塑土的不排水抗剪强度的理论计算公式，建立了天然状态下饱和土体中柱孔扩张的完整半解析半数值解，求得了桩孔扩张的极限扩孔力和超孔隙水压力，并利用该解答分析了沉桩的挤土效应，回答了饱和软黏土中基桩的设置效应问题;在基于修正剑桥模型的球孔扩张理论的近似解答的基础上，引入桩端破坏类似于球孔扩张引起的压缩和剪切破坏模式，求得了球孔扩张应力与桩端极限端阻之间的计算公式，并分析了Boston Blue Clay土中桩端阻力的极限值，与规范推荐做了对比，验证了本文分析的正确性;并提出了半经验半理论的桩端荷载位移模型，探讨了沉桩阻力的临界深度和最小厚度等关键工程问题;
　　⑶基于Unit Cell单元分析模型，引入镜像桩弹性叠加原理模拟大桩群疏桩相互作用，引入桩土接触面剪切位移理想弹塑性模型，建立了疏桩地基荷载传递广义剪切位移单元分析模型，推导出适用于三元地基结构的疏桩地基荷载传递广义剪切位移理论分析方法。通过算例分析，揭示了疏桩间距、荷载水平对疏桩地基减沉效果的重要影响，阐明了疏桩与基体的荷载位移传递特征，以及桩顶相对位移、桩端持力层刚度对疏桩基体体系工作性状的影响机制，且验证了该模型的正确性和算法的灵活性。基于上述广义剪切位移单元分析模型，结合Marston路基内柱面剪切位移“土拱”效应理论分析原理，提出路床顶为结构等层面的概念，且引入柱面剪切位移理想弹塑性模型，建立了疏桩路基基底荷载转移柱面广义剪切位移单元分析模型，推导出路基-垫层双层体系时的基底荷载转移的剪切位移理论分析方法。通过上述疏桩地基桩土剪切位移的荷载传递理论分析方法和路基内柱面剪切位移的基底荷载转移理论分析方法的联合求解，根据疏桩路基基底基底荷载与位移相容性（位移协调与应力平衡）边界条件，进一步提出了疏桩路基系统整体广义剪切位移基底荷载传递与疏桩荷载传递的理论分析方法。
　　⑷基于上述基底荷载转移与疏桩荷载传递的理论分析，可直接得到由疏桩路基系统中疏桩的向上刺入、自身压缩和向下贯入三项组成的“疏桩相关位移”值;且同时可以得到基底桩土荷载分担和疏桩荷载分布。据此，提出了疏桩相关位移和桩端下卧层压缩变形组成疏桩路基系统总沉降的概念模型。基于疏桩路基的基底桩土荷载分担和疏桩荷载分布，运用Boussinesq和Mindlin弹性理论应力解答叠加算法分析得到了疏桩间软弱基体与桩端下卧层附加应力场，揭示了疏桩基底荷载分担与深层荷载传递效应，阐明了桩间软弱基体附加应力显著减小的疏桩补偿软土的“减沉”机制;但提高了桩端下卧层的附加应力水平，且进一步提出了桩端下卧层疏桩传递荷载效应修正系数1.2～1.4，建立了由均质地基Boussinesq理论解答修正的简化桩端下卧层附加应力计算方法。综合桩端下卧层附加应力与下卧层天然沉积土的变形规律，提出了疏桩下卧层压缩变形计算的实用方法。
　　⑸基于极限状态设计原理中的使用极限状态设计原则，提出了基于路基基底荷载疏桩分担（应力集中）抑制桩间软弱基体剪切塑流的疏桩路基疏桩补偿稳定概念模型。首先根据疏桩路基系统整体的广义剪切位移理论分析所得到的疏桩路基基底桩帽间地基分担荷载，概化为基底面疏桩补偿后的分布荷载Pk;然后推导了分布荷载地基梁轴力为定常的解析解答，用于分析了软土地基硬壳层竖向荷载的板体扩散效应，建立硬壳层竖向应力扩散至软土顶面的分布荷载pk的概化模型，并提出了仅采用Boussinesq弹性理论应力解答，分析疏桩路基桩间软弱基体附加应力场的实用分析方法;最后基于饱和软土不排水强度的软土地基侧向位移特征判别方法，建立了疏桩路基系统疏桩补偿软土地基稳定的路基“临界高度”的疏桩路基补偿稳定简化判别方法，即pk＜3Su。
　　⑹基于极限状态设计中的承载力极限状态设计原理，提出了被动区软土塑流荷载作用于疏桩时，疏桩构件弯拉破坏导致疏桩路基失稳的疏桩屈服失稳概念模型。基于饱和软黏土不排水强度Su理论分析，完善了路基下软土地基剪切塑流的弹塑性理论分析方法;基于疏桩间软土地基偏应力q与不排水强度Su归一化指标以及库伦破坏准则，提出了路基特征轴线软土地基中q/Su=2.0确定软土塑流疏桩被动段的划分方法和被动荷载分布模型分析方法;基于分布荷载地基梁轴力为定常的解析解和轴力线性变化时的幂级数近似解析解的推导，引入C+Mz组合地基系数模型，并考虑桩侧土体极限抗力临界深度概念、土体水平抗力的弹塑性折线模型;采用矩阵荷载传递分析原理，提出了被动疏桩内力挠曲分段解析理论分析方法。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 疏桩路基系统工程应用

1．2 饱和软土变形强度特性

1．2．1 重塑土的变形与强度特性

1．2．2 结构性土变形与强度特性

1．2．3 结构性土的本构模型研究

1．2．4 饱和软黏土强度计算理论

1．3 饱和软黏土中设置疏桩

1．3．1 沉桩过程的挤土效应

1．3．2 挤土效应的分析理论

1．3．3 沉桩过程的模拟分析

1．3．4 设置疏桩拟回答问题

1．4 疏桩路基系统工作机制

1．4．1 基底荷载转移机制

1．4．2 桩土荷载传递机理

1．4．3 疏桩路基沉降计算

1．4．4 疏桩路基系统稳定

1．5 本文主要内容及技术路线

1．5．1 主要研究内容

1．5．2 研究技术路线

第二章 区域性饱和软黏土工程特性

2．1 引言

2．2 饱和软黏土压缩特性试验研究

2．3．1 饱和软黏土基本特性

2．3．2 结构性软土压缩特性

2．3．3 结构性影响评价指标

2．3．4 饱和软黏土原位压缩

2．3 饱和软黏土的结构性修正剑桥模型

2．3．1 结构性模型的屈服面函数

2．3．2 硬化规律和结构性演化规律

2．3．3 结构性模型的流动法则

2．3．4 应力应变关系的推导

2．3．5 模型参数与试验验证

2．4 结构性软黏土的不排水剪强度计算

2．4．1 结构性土的本构关系

2．4．2 不排水条件

2．4．3 破坏条件

2．4．4 结构性土的不排水剪强度

2．4．5 不排水强度的算例分析

2．5 本章小结

第三章 饱和软黏土中基桩设置效应

3．1 引言

3．2 基于柱孔扩张理论的沉桩效应

3．2．1 基本方程

3．2．2 弹性分析

3．2．3 塑性分析

3．2．4 计算分析

3．3 基于修正剑桥模型的球孔扩张

3．3．1 基本方程

3．3．2 弹性分析

3．3．3 塑性分析

3．3．4 简化计算

3．4 球孔扩张理论的工程应用

3．4．1 桩端的极限承载力

3．4．2 桩端荷载位移模型

3．4．3 静压法沉桩的阻力

3．5 本章小结

第四章 疏桩路基系统工作机制

4．1 引言

4．2 疏桩路基系统荷载传递机制

4．2．1 传统的剪切位移模型

4．2．2 大桩群剪切位移模型

4．2．3 均质地基荷载传递模型

4．2．4 三层地基荷载传递模型

4．3 疏桩路基系统荷载转移机制

4．3．1 荷载转移基本假设

4．3．2 均质路基转移模型

4．3．3 双层路基转移模型

4．3．4 模型应用算例分析

4．4 疏桩路基系统竖向沉降计算

4．4．1 疏桩地基沉降概念模型

4．4．2 疏桩关联相对竖向位移

4．4．3 疏桩下卧土层附加应力

4．4．4 疏桩路基系统沉降分析

4．5 本章小结

第五章 疏桩路基系统稳定分析

5．1 引言

5．2 疏桩路基稳定概念模型

5．3 疏桩补偿稳定工作机制

5．3．1 路基荷载附加应力场

5．3．2 硬壳层应力扩散效应

5．3．3 软土的侧向位移特征

5．3．4 软土的塑性变形判定

5．3．5 疏桩的补偿稳定分析

5．4 疏桩屈服失稳破坏分析

5．4．1 疏桩的结构分析模型

5．4．2 桩帽、硬壳层嵌固段

5．4．3 桩基被动段桩土作用

5．4．4 桩基主动段桩土作用

5．4．5 矩阵传递结构分析法

5．5 疏桩路基系统稳定算例

5．5．1 常嘉高速案例

5．5．2 锡张高速案例

5．6 本章小结

第六章 结论与展望

6．1．本文主要研究结论

6．2．本文的主要创新点

6．3．下一步研究工作的展望

参考文献

致谢

作者简介