路堤下双向增强体复合地基受力变形分析

摘要

随着我国高速公路、高速铁路建设的迅猛发展，软弱地基处理问题日益突出，结合水平向加筋垫层和竖直向桩体复合地基的作用特性，双向增强体复合地基技术在工程中被广泛应用，同时对路堤下双向增强体复合地基的理论和试验研究也随之蓬勃发展，但由于其结构组成型式多样，整体作用机理复杂，因此对该软弱地基处置技术的研究显得尤为重要。本文结合国家高技术研究发展计划（863计划）项目“大面积不均匀公路软弱地基按沉降控制双向增强处治技术”（2006AA11Z104），从理论分析和室内模型试验研究入手，对路堤下双向增强体复合地基的承载特性、受力变形、固结特性等方面进行研究。　　首先对路堤下双向增强体复合地基各组成部分作用特性进行分析；然后对路堤-加筋垫层-桩-桩间土整体承载变形特性分析，通过合理假设建立计算模型，考虑加筋垫层的“网兜效应”，在桩土加固区引入等沉面，桩土间的摩阻力采用Berrum公式计算，通过桩和土体单元的静力平衡以及应力变形边界条件，分别求得加筋垫层上下的桩土应力比。　　其次，针对已有的路堤土拱理论由于选取的不同土拱模型以及考虑塑性状态和塑性点出现位置的差异导致计算结果差别较大的问题，基于Hewlett土拱理论，考虑上部填土黏聚力影响，引入双剪统一强度理论，同时在桩顶处塑性点分析时，考虑土拱外表面和土拱内表面两个应力边界条件的协调，分别确定塑性点出现在拱顶和桩顶时的荷载分担比，取其最小值作为双向增强体复合地基桩体荷载分担比，并通过一工程实例验证本方方法的可行性。　　将水平加筋垫层简化为弹性地基上的薄板，当路堤荷载作用下地基沉降量较小时，采用小挠度薄板理论分析，分别采用基于功的互等定理和有限差分法的基本原理求解薄板小挠度解，工程实例计算与实测值吻合较好。当路堤填土过高或是软弱地基性状太差，导致沉降过大时，水平加筋垫层产生过大的挠曲，此时应用大挠度薄板理论分析，采用变参数迭代法，其收敛效果好，先将方程和边界条件无量纲化，将迭代后求解结果回归量纲表达式，求得薄板大挠度解，计算一工程实例，结果与实测值接近。　　考虑负摩阻力对刚性桩复合地基受力变形影响，分别对中性点上下桩体进行分析，采用更接近实际工况的三折线模型模拟桩和土体下沉时由于势能减小导致的桩土界面的相互作用，基于能量法原理，分析桩单元得到节点力与节点位移方程组，采用迭代法求解方程，得出刚性桩复合地基的桩土荷载分担比、桩身轴力分布、桩体中性点位置和桩侧摩阻力分布。　　再次，对路堤-加筋垫层-桩-桩间土整体分析，结合路堤下双向增强体复合地基各组成部分的理论研究成果，分析荷载从路堤往下传递至桩土加固区过程中荷载传递路径和变形协调，求解路堤的变形沉降量、桩和桩间土沉降量和荷载分担情况、桩身轴力分布、中性点位置、桩侧摩阻力。　　采用有限差分法的基本原理，将路基在水平向和竖直向分别划分网格，结合初始条件，确定网格结点任一时刻的水平向和竖直向孔隙水压力，由Carrillo理论确定地基固结度，进而分析路堤-加筋垫层-桩-桩间土受力变形的时效特性。　　最后，由相似理论原理设计9组室内模型试验，从承载力、沉降、固结方面分别对土工格室加筋垫层、砂井、碎石桩、柔性桩复合地基效用进行分析，同时将其组合，对路堤下“土工格栅+碎石桩”、“土工格室+碎石桩”、“土工格栅+柔性桩”、“土工格室+柔性桩”作用效用进行对比分析，获得有益工程应用的结论。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 复合地基概述及其分类

1.2 竖向桩体复合地基应用研究现状

1.2.1 散体材料桩复合地基

1.2.2 柔性桩复合地基

1.2.3 刚性桩复合地基

1.2.4 多元桩复合地基

1.3 水平向增强体复合地基应用研究现状

1.4 双向增强体复合地基应用研究现状

1.4.1 双向增强体复合地基应用现状

1.4.2 双向增强体复合地基承载特性研究

1.4.3 双向增强体复合地基沉降特性研究

1.4.4 双向增强体复合地基固结特性研究

1.4.5 双向增强体复合地基试验研究

1.5 本文研究内容和思路

1.5.1 本文研究内容

1.5.2 本文研究思路

第2章 路堤下双向增强体复合地基承载特性研究

2.1 概述

2.2 路堤土拱效应分析

2.3 水平加筋垫层承载特性

2.3.1 土工合成材料的效用

2.3.2 褥垫层的效用

2.3.3 水平加筋垫层加固机理

2.3.4 水平加筋垫层承载变形特性

2.4 竖向桩体承载特性

2.4.1 散体材料桩承载特性

2.4.2 刚性桩承载特性

2.4.3 柔性桩承载特性

2.4.4 多元复合地基承载特性

2.5 路堤下双向增强体复合地基承载特性

2.5.1 计算模型的建立

2.5.2 受力变形分析

2.5.3 计算方程求解

2.5.4 工程实例分析

2.6 小结

第3章 基于双剪统一强度理论的路堤土拱效应分析

3.1 概述

3.2 土拱效应分析

3.2.1 土拱模型改进

3.2.2 土体塑性理论分析

3.2.3 土拱效应分析

3.3 算例验证

3.4 小结

第4章 基于薄板理论的水平加筋垫层分析

4.1 概述

4.2 基于功的互等定理分析

4.2.1 功的互等定理

4.2.2 薄板计算模型

4.2.3 薄板功的互等定理分析

4.2.4 算例验证

4.2.5 参数分析

4.3 薄板有限差分法分析

4.3.1 有限差分法分析

4.3.2 薄板计算模型

4.3.3 有限差分法方程解答

4.3.4 算例分析

4.3.5 参数分析

4.4 大挠度薄板理论分析

4.4.1 计算模型及基本微分方程

4.4.2 基本微分方程求解

4.4.3 算例验证

4.4.4 参数分析

4.5 小结

第5章 路堤下双向增强体复合地基受力变形分析

5.1 概述

5.2 基于能量法的桩体复合地基受力变形分析

5.2.1 计算模型建立

5.2.2 桩体边界条件确定

5.2.3 能量法基本原理

5.2.4 桩体能量法分析

5.2.5 桩间土体分析

5.2.6 协调方程

5.2.7 方程求解

5.2.8 工程实例分析

5.3 路堤下双向增强体复合地基受力变形分析

5.3.1 路堤内土拱效应分析

5.3.2 水平加筋垫层的薄板理论分析

5.3.3 桩体复合地基能量法分析

5.3.4 路堤下双向增强体复合地基受力变形计算

5.3.5 算例分析

5.4 小结

第6章 路堤下双向增强体复合地基时效特性分析

6.1 概述

6.2 土体固结分析

6.2.1 桩间土体固结有限差分法分析

6.2.2 桩间土体固结度计算

6.3 桩体时效特性分析

6.4 考虑时效的桩土应力比计算

6.5 考虑时效的沉降计算

6.6 工程实例分析

6.7 小结

第7章 路堤下双向增强体复合地基室内模型试验研究

7.1 概述

7.2 相似理论

7.2.1 物理模拟和数学模拟

7.2.2 相似理论三大定理

7.2.3 相似准则导出方法

7.3 基于相似理论的模型试验设计

7.3.1 模型试验的相似准则

7.3.2 模型试验方案设计

7.3.3 试验相似条件确定

7.3.4 试验材料选取

7.3.5 试验装置

7.3.6 试验仪器布置

7.3.7 试验方法

7.4 试验成果分析

7.4.1 载荷试验成果分析

7.4.2 实测应力分析

7.4.3孔隙水压力测试成果分析

7.5 小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录A攻读学位期间所发表的学术论文