高填方路基变刚度处理技术培训.ppt

+ 高填方路基处理技术的变刚度理论及 工程应用研究 郑州大学土木工程学院 郑州市轨道交通有限公司 一、项目研究背景 二、项目的主要创新点 三、工程应用 汇报的主要内容 四、主要结论 第一部分 项目的研究背景 项目研究背景1 第一部分 高填方路基后处理技术概述 1 随着我国高速公路向西部地区不断延伸,出现了大量的 高填方路基； 许多高速公路在竣工通车后普遍出现桥头跳车的现象； 路桥结合区路面出现不同程度的沉降、断裂； 车辆在通过时产生跳跃和冲击,造成车辆大幅度减速,使 司机和乘客感到颠簸、不适,严重的可导致交通事故 桥头跳车也加速了桥梁、路面以及车辆的损坏 先处理技术 后填土 地基处理分层碾压填土 高填方路基的处理技术之一 *6 2 后处理技术 * 高填方路基的处理技术之二 7 3 先填土 后填土 部分填方后处理全填方后处理 高填方路基的变刚度处理技术 4 变刚度处理技术=先处理技术+后处理技术 高填方路基的变刚度处理技术的优点 5 目前研究存在的问题6 1、满足高填方路基对地基承载力的要求 2、满足高填方路基对地基快速固结的要求 1、对高填方路基处理技术的变刚度理论缺乏系统研究 2、高填方路基变刚度处理技术的无成熟的设计方法 第二部分 项目的主要创新点 1、高填方路基处理技术的变刚度理论 2、高填方路基变刚度处理技术的关键因素分析 3、高填方路基变刚度处理技术的设计计算方法 高填方路基变刚度处理技术的计算模型 n喷粉桩先处理，桩长8.5m，桩径500mm，正方形布置，桩间距1.5m； n然后，进行4.8m填土； n无砂混凝土小桩后处理，桩径150mm，桩长9m，间距1.5m，正方形布置； 完成最后2m的路堤填方； n最终路堤顶部宽28m，路基边坡坡率为1:1.5，处理路段长度为24m，无砂混 凝土小桩施工时道路宽34m。 模型概况 有限元计算模型 n水平方向取121米，深度方向取35.4米； n填方分两阶段，第一阶段为先处理阶段，填方按照初次 进行0.3m，之后每次进行0.5m，填方高度到4.8m，每次填 方持续时间为1.2月 ； n无砂小桩施工完毕后，进行下一步填方施工，每次填方 时间持续时间为1个月，直到填方至6.8m时结束 。 h e g d a f c b 模型概况 有限元数值模拟的材料参数 土体采用mohr-columb弹塑性模型；粉喷桩、无砂 混凝土小桩为线弹性材料；除路堤填土外，其余土体考 虑孔压作用。 单排小桩复合桩墙支护有限元模型材料参数 粉喷桩先处理后 小桩施工前后的计算结果 路堤竖向变形 小桩施工前 小桩成孔施工后 u经过短期的小桩施工 ，路堤中心的最大沉降 量有所增加； u路基外侧的最大隆起 量则有所减小； u从整体上来看，小桩 的施工对路堤的整体稳 定及加速固结沉降是有 利的。 路堤水平向变形 小桩施工前 小桩成孔施工后 u小经过短期的小桩施 工，路堤坡脚下部的最 大水平位移量有所减小 ； u路堤路肩的最大侧移 量则有所增加； u分析：由于孔压的消 散，路基中心区域的沉 降造成的 。 超孔隙水压力的变化情况 u路堤在填土施工，路 基由于排水不畅，产生 超静孔隙水压力 ； u坡脚部位由于所受路 堤上部荷载较小，产生 的超孔隙水压力较小； u小桩投石阶段，路堤 填方施工产生的超孔隙 水压力迅速消散 。 粉喷桩受力分析桩身轴力 小桩成孔施工后小桩施工前 u最大轴力 在1/3处 ； u桩侧存在 负摩阻力； u小桩施工 对轴力影响 不大 。 无砂混凝土小桩后处理之后 填土完毕的计算结果 u小桩施工结束之后，继续进行路基填土施工； u按照每次0.5m共进行4次，填方至6.8m时结束； u路堤顶面施加10kpa的路面荷载。 粉喷桩受力分析桩侧摩阻力 小桩成孔施工后小桩施工前 u桩体上部承 受土体的负摩 阻力 ； u桩体1/3位 置以下负摩阻 力逐渐消失； u小桩处理后 ，桩侧摩阻力 有较小的增加 ，但变化不是 很明显 。 无砂小桩受力分析桩身轴力 路堤顶施加车辆荷载后填土结束后 u路基中心 处各桩体轴 力相差不大 u路基边缘 小桩轴力较 小； u道路运营 后对小桩轴 力影响不大 无砂小桩受力分析桩侧摩阻力 路堤顶施加车辆荷载后填土结束后 u小桩的上部 出现较大范围 的桩侧摩阻力 u道路运营后 ，桩侧负摩阻 有所增大 无砂小桩位移分析桩顶附加沉降 u桩顶沉降基本 上呈现出“碟形 ” u路面加载后， 对中心桩体的影 响较外围的桩体 要明显； 典型路堤断面位移沉降分析 p路基中心沉降大； p坡脚外一定范围的土体隆起； p道路运营后路基中心大约产生 了2cm的沉降 p在路面荷载作用下，自路基中 心向路基外侧，沉降量逐渐减； p加载对路基中心部位影响大于 边缘； 典型路堤断面位移水平位移分析 p坡脚处有小量 的向路基内部的 水平位移 ； p向路基外的水 平行随深度先增 大后减小 ； p加载后对路堤 处影响较小；对 地面以下有较大 影响； p加载后，各位 置处位移均有所 增大 粉喷桩受力分析桩身轴力 u桩顶部分，存 在少量的桩身轴 力的减小现象； u桩侧存在负摩 阻力； u路面的加载过 程使得粉喷桩应 力水平提高 路堤顶施加车辆荷载后 填土结束后 粉喷桩受力分析桩侧摩阻力 u桩体上部承受土 体的负摩阻力 ； u负摩阻力大约自 桩顶1.5m位置出现 ，其范围约占全长 的2/5，摩阻力平衡 点约位于5m左右位 置； u路基边缘处桩侧 摩阻力分布较为复 杂 。 路堤顶施加车辆荷载后填土结束后 粉喷桩位移分析桩顶附加沉降 u桩顶沉降基本 上呈现出“碟形 ” u路面加载后， 对中心桩体的影 响较外围的桩体 要明显； 第二部分 项目的主要创新点 1、高填方路基处理技术的变刚度理论 2、高填方路基变刚度处理技术的关键因素分析 3、高填方路基变刚度处理技术的设计计算方法 1、不同地基处理方法的对比分析 p不进行地基处理时，在填 方过程中沉降变形较大，且 后期差异性更大 ； p变刚度处理沉降相当较小 p不进行地基处理，超孔隙水 压的数值和增速都在三者之中 最大 ； p变刚度处理技术有利于超孔 压的消散 2、地基土渗透系数的影响 pk110e-8m/s时，路 基产生的超孔压很小 ，可以不进行该种地 基处理形式， 3、粉喷桩桩体强度的影响 （1） p随着粉喷桩桩身 模量的增大，超孔 隙水压力有所减小 ； p原因：桩体承担 更多合作，土体应 力减小 对超孔压的影响 3、粉喷桩桩体强度的影响 （2） p随着粉喷桩桩身 模量的增大，桩土 应力比增大； p靠近路基中心， 桩土应力比变化不 大，路基边缘桩土 应力比变化较大； 对桩土应力比的影响 3、粉喷桩桩体强度的影响 （3） p桩顶位移和路堤 部分土体位移存在 一定的差异； p桩体强度对位移 影响相对不大； 对位移的影响 路堤底部 粉喷桩桩顶 4、粉喷桩桩长的影响 -粉喷桩桩身轴力 p随着桩长增加， 最大轴力减小，最 大轴力位置上移； 桩长8.5 桩长11.5 4、粉喷桩桩长的影响 -粉喷桩桩侧摩阻力 p上部负摩阻力 分布差别不大； p随着桩长增加 ，下部摩阻力减 小； 桩长8.5桩长11.5 4、粉喷桩桩长的影响 -地面沉降 p桩长增加对 减小地面沉降 影响不大； 桩长8.5 桩长11.5 5、无砂小桩桩长的影响 -小桩桩身轴力 p小桩桩长增加对 桩身轴力影响不大 ； p对桩侧摩阻力影 响也不大 桩长9m 桩长13m 5、无砂小桩桩长的影响 -路堤位移 p小桩桩长增加对 路堤位移影响不大 ； 桩长9m 桩长13m 5、无砂小桩桩长的影响 -粉喷桩桩身轴力 p随桩长增加，粉 喷桩桩体上部轴力 稍有减小，中部基 本维持不变，底部 稍有增大； p原因：小桩桩长 增加时，将荷载传 递至更深的土层 桩长9m 桩长13m 6、桩间距的影响 -粉喷桩桩身轴力 p桩间距增加，粉 喷桩桩身轴力减小 较大； p桩间土承担更多 的荷载； 间距1.5m间距2.5m 6、桩间距的影响 -小桩桩身轴力 p桩间距增加时， 小桩桩身轴力随之 增加； p单根小桩承担更 多的填土荷载； 间距1.5m间距2.5m 6、桩间距的影响 -路堤位移 p路堤下部沉降变 化更剧烈； p随着桩间距增加 ，路堤沉降有所增 加； 间距1.5m 间距2.5m 第二部分 项目的主要创新点 1、高填方路基处理技术的变刚度理论 2、高填方路基变刚度处理技术的关键因素分析 3、高填方路基变刚度处理技术的设计计算方法 1、填土方案设计 -先填土高度的确定 2、后处理后路基承载力的确定 思路：把无砂小桩后处理后的路基 视为长短桩复合地基 无砂小桩承担的负摩阻力 3、先处理后的整体稳定性分析 思路：考虑先处理对稳定的加强作用，采用复合地基稳 定性验算方法圆弧滑动面法 复合土体综合强度： 4、后处理的整体稳定性分析 思路：采用圆弧滑动面法 小桩复合土体 粉喷桩复合土体 粉喷桩、小桩复合土体 综合强度为： 5、沉降计算 思路：参照复合地基，采用复合模量法计算沉降 第三部分 工程应用 1、工程概况 基本情况：阿深线扶项高速公路路段，赵黄公路立交桥北端桥头段 采用无砂混凝土小桩变刚度处理，路基填方至4.8m时进行无砂混凝 土小桩后处理. 处理路段长度24m，宽34m，无砂小桩桩径150mm，桩长9m，布桩 方案为1.50m1.50m，三角形布置，布桩数为428根 监测点布置 桥北端：先处理+后处理的 变刚度处理技术 桥南端：仅无砂小桩 后处理 3、监测结果 -沉降 对比结果：经过变刚度后处理的路段最大沉降量为21mm；仅进 行无砂小桩后处理的路段最大沉降量为28mm 。 变刚度处理无砂小桩后处理 3、监测结果 -水平位移 对比结果：经过变刚度处理的桥北端总体水平位移要明显小于仅进 行无砂小桩后处理的桥南端 。 变刚度处理无砂小桩后处理 第四部分 主要结论 主要结论 1）变刚度处理的无砂混凝土小桩处理阶段，可有效的加 速路基在填土部分产生的超孔隙水压力，加速土体固结 ，增强土体的强度，提高路堤的安全系数； 2）从粉喷桩的轴向和侧向应力分布来看，桩体的轴向应 力最大位置处于桩体上部1/2位置，桩体的上部主要承受 土体的负摩阻力，下部承受正的摩阻力； 3）无砂混凝土小桩的上部出现较大范围的桩侧负摩阻力 ，从路基中心到路基边缘，应力水平逐渐减小，但是其 范围变化不大，在路基边缘部分，衰减较快； 4）采用变刚度处理技术处理的路基，在路堤填土作用下， 超孔隙水压增长速度较不进行路基处理和仅进行先处理的 路堤小，数值也小； 5）采用变刚度处理技术处理渗透系数小于110-8m/s的土 体时，效果比较显著； 6）粉喷桩强度的变化对桩土应力比的影响较为明显，对超 孔隙水压力的变化有一定的影响，对路堤位移的影响不是 很大； 7）粉喷桩桩长对粉喷桩桩体的应力分布有一定的影响，但 是对路堤的位移和无砂混凝土小桩的应力分布影响不大； 8）无砂混凝土小桩桩长对粉喷桩应力的分布