刚性桩—网复合地基加固拓宽高速公路路堤机理分析与应用研究

摘要

随着我国经济建设飞速发展，各地区尤其是经济发达地区的交通量急剧增加，原有高速公路的通行能力已经不能满足需求，迫切需要把原有的高速公路拓宽为六车道甚至八车道。拓宽高速公路路堤对沉降和差异沉降的控制有严格的要求，由于我国大部分高速公路位于沿海沿江省份且软土分布较广的地区，因此需要对新路堤下地基土进行适当的处理才能使扩建后乃至运营期内的整个路堤不致产生过大的沉降和差异沉降，以保证其具有足够的安全稳定性。
　　刚性桩—网复合地基目前虽在很多高速公路拓宽改造工程中被广泛采用，也有很多的理论研究成果见诸报道，但对其设计使用至今还主要凭工程设计人员的经验而定。目前关于拓宽高速公路的差异沉降控制指标仍没有完备的规范可循，究其原因是，业界对采用刚性桩—网复合地基加固拓宽高速公路路堤的作用机理认识还不足。为此，本文基于室内模型试验、现场试验，并借助理论推导与数值分析的手段，分别研究拓宽工程中重点涉及的土拱效应、加筋薄膜效应、加固区桩、土相互作用和桩端下卧层应力传递等问题，考虑桩—网—土的联合作用并从机理上定量解释这种复合地基的工作原理。论文主要研究工作和取得成果如下:
　　(1)通过模型试验研究了混凝土刚性桩的荷载传递规律。以刚性桩处于部分端承摩擦工作状态为例，提出考虑桩周土对桩身负、正摩阻力的作用模式，研究了桩端持力层一定刚度情况下的刚桩复合地基桩土应力比计算方法，与试验实测数据对比证明其合理性;
　　(2)通过室内模型试验研究了拓宽路堤中铺设土工格栅的加固机理。考虑土工格栅实际工作状态时底部地基土能够提供一定支撑反力，提出上部路堤荷载在土拱效应作用下加筋层薄膜效应评价方法，得到了定量计算其挠曲变形后的兜提力表达式，并与其他几种方法对比证明其合理性;
　　(3)依托扬州某高速公路拓宽工程项目，进行控制模量桩(CMC)与土工格栅加筋技术对拓宽路堤下新地基处理的工程实践，通过现场试验研究了带帽刚性桩—网复合地基加固拓宽路堤中的土拱效应，验证了土拱传递高度存在。结合实测数据评析现有几种桩-网设计理论对桩间土支承反力、土工格栅拉应力评价的不足;
　　(4)针对现有一些设计方法中需要假设确定的“土拱高度”为前提条件的不足，考虑加筋层薄膜效应对土拱效应的影响，运用力学平衡方法对土拱结构进行理论推导，得到了考虑加筋层影响的桩、土竖向应力计算方法与筋层拉应力计算方法，结合现场试验实测数据验证其合理性;
　　(5)基于拓宽路堤荷载形式的特点，采用经现场实测数据合理性验证的数值计算模型，分析相关设计参数对桩承式加筋路堤受力影响。研究桩间距与桩帽尺寸，桩长与桩身模量、加筋层刚度与布置方式、不同地基处理方式变化下的路堤表面沉降、基底沉降与竖向应力、边坡水平位移、加筋层拉应力与桩身应力的分布变化规律，对刚性桩—网复合地基加固拓宽路堤的性状有了定性的认识;
　　(6)研究了桩—网—土联合体系的相互作用机理，考虑桩土差异沉降、桩端刺入下卧层，提出基于土拱效应、加筋薄膜效应、桩周土对桩身负、正摩阻力作用与桩端应力传递的整个复合地基的路堤荷载效应评价方法，经现场实测数据合理性验证后进行了参数性分析。此为刚性桩—网复合地基加固拓宽路堤控沉功能性设计提供了理论依据。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 目内现状调查分析

1．1．2 国外现状调查分析

1．2 研究现状与研究评述

1．2．1 桩同复合地基研究

1．2．2 土拱效应理论

1．2．3 加筋薄膜效应

1．3 针对的主要目题

1．4 本文的主要工作

1．5 技术路线

第二章 刚性桩复合地基荷载传递规律研究

2．1 引言

2．2 模型试验

2．1．1 土层制备与桩体成型

2．1．2 模型试验设计与标定

2．1．3 静载荷试验概况

2．1．4 试验结果分析

2．3 考虑桩、土相互作用的荷载传递规律

2．3．1 基本假定

2．3．2 加固区与下卧层的计算分析

2．3．3 模型试验验证分析

2．4 本章小结

第三章 加筋拓宽路堤模型试验研究

3．1 引言

3．2 模型准备和试验步骤

3．2．1 模型材料准备

3．2．2 模型填筑过程

3．2．3 监测仪器布置与泄水方案

3．3 试验结果与分析

3．3．1 沉降分析

3．3．2 土工格栅拉应力分析

3．3．3 土压力分析

3．4 本章小结

第四章 土工格栅加固机理与评价方法研究

4．1 引言

4．2 非垂直滑移面不完全土拱效应

4．3 土工格栅薄膜效应

4．4 模型试验结果验证

4．5 本章小结

第五章 基于现场试验的刚性桩-网复合地基土拱效应研究

5．1 引言

5．2 工程地质及现场试验概况

5．3 现场测试结果及分析

5．3．1 土压力变化特点

5．3．2 土工格栅拉力的变化特点

5．4 土拱效应的评价

5．5 现场测试结果与几种解析解比较

5．5．1 几种设计方法介绍

5．5．2 现场工程实例计算对比分析

5．6 本章小结

第六章 刚性桩-网加固拓宽路堤的性状分析

6．1 引言

6．2 分析方法

6．1．1 单元介绍

6．1．2 本构模型

6．3 实例模型验证

6．3．1 模型的选取与说明

6．3．2 计算参数选择

6．3．3 工序

6．3．4 计算结果与分析

6．4 参数分析

6．4．1 不同地基处理方式构影响

6．4．2 不同桩帽尺寸的影响

6．4．3 不同桩身模量的影响

6．4．4 不目桩长的影响

6．4．5 不同桩同距的影响

6．4．6 不同加筋抗拉叠度的影响

6．4．7 不同土工格栅布置方式的影响

6．5 计算结果评价

6．6 本章小结

第七章 桩-网-土相互作用机理与评价方法研究

7．1 引言

7．2 基本假设

7．3 考虑桩-同-土相互作用的机理推导

7．3．1 路堤土拱效应

7．3．2 考虑加筋件作用的荷载效应

7．3．3 桩帽刚度的影响

7．3．4 加固区的计算

7．4 工程实例验证

7．5 参数分析

7．6 本章小结

第八章 结论与展望

8．1 结论

8．2 本文创新点

8．3 进一步研究的工作方向

参考文献

致谢

攻读硕博士期间发表的文章