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工程试验与研究 广东建材2 0 1 5 年第1 期 影响桩承式路堤临界填土高度因素的分析 曾国强史宏彦 ( 广东工业大学土木与交通工程学院) 【摘 要】临界填土高度是桩承式路堤设计计算中的一个重要指标。为了研究临界填土高度的影响 因素，本论文通过数值模拟，分别对填土内摩擦角、桩的弹性模量、桩间软土侧限压缩模量、加筋体抗 拉刚度、桩间距五个因素进行了分析。结论表明：填土内摩擦角、桩间软土侧限压缩模量、桩间距影响 临界填土高度，其余没有影响。基于前人研究，笔者还提出了能指导工程实践的临界填土高度计算公 式。 【关键词】桩承式路堤；等沉降面：临界填土高度 1 引言 桩承式路堤 1 1 是近年来国内外出现的一种新型不 良地基处理技术，其由桩下硬土层、刚性桩( 一般穿过软 土层而作用于持力层上) 、桩间软土、作用于桩帽上的位 于路堤底部的土工布( 格栅) 、路堤填土材料构成。这是 一种由桩一加筋体一桩间软土协同工作，荷载主要由刚 性桩承担，但桩间土仍然发挥一定承载作用的路基处 理技术。由于这种处理方式能够充分调动桩、网、土三者 的潜力，具有沉降变形小、工后沉降容易控制、稳定性 高、工期短、施工方便、施工组织设计容易组织等特点， 在国内外得到广泛应用。 桩承式路堤的工作机理非常复杂，目前尚无统一结 论。一般认为，路堤填筑完成后，由于刚性桩的模量远远 大于桩间软土，故在同样的路堤荷载作用下，桩帽平面 位置处桩间软土沉降量要大于桩帽，从而使桩间软土上 部填土相对于桩顶填土产生一个向下滑动趋势，在填土 中产生剪切作用使土中应力重新分布，导致桩顶承担荷 载增加，桩间软土承担荷载减少。这种由于填土中的差 异沉降引起的荷载转移现象属于太沙基 2 提出的土拱 效应。S p a n g l e r ，M G H a n d y ( 1 9 7 3 ) 3 1 在论文中提到： M a r s t o n 最早发现在土拱效应作用下，随着填土高度的 不断增加，这种差异沉降也在逐渐变小，当高度增加到 某一值时，差异沉降消失，剪应力也会在填土中这个水 平位置消失，这一平面被其称之为等沉降面。后来，英国 规范B s8 0 0 6 ( 1 9 9 5 ) 提出了临界填土高度H c r 的概念： 临界填土高度即为桩间软土上表面到等沉降面的高度。 在桩承式路堤的实际应用中，若填土高度低于临晃 填土高度H c r ，土拱效应难以发挥，桩与桩间软土的差 异沉降会反射到路面，出现蘑菇状高低起伏的现象，因 一6 2 一 此路堤临界填土高度H c r 也是桩承式路堤设计计算中 的一个重要指标。 2 现有关临界填土高度研究 国内外学者有关临界填土高度H c r 的结论尚未统 一，主要观点 4 1 如下： T e r z a g h i ( 1 9 3 6 ) 通过卸门试验，假设等沉降面位 于2 5 倍屈服条带净间距高度位置处。c a r l s s o n ( 1 9 8 7 ) 提出在二维平面中，认为填土中土拱形状为三角形，其 顶角为3 0 。根据上述假设，其认为在任意超载下等沉 降面位于1 8 7 倍相邻桩帽净间距高度位置处。 H e w l e t t R a n d o l p h ( 1 9 8 8 ) 5 3 根据模型试验结 论提出了半球形拱，认为等沉降面位于1 4 倍相邻桩帽 净间距高度位置处。 B S8 0 0 6 ( 1 9 9 5 ) 是在M a r s t o n 的平面应变拱改进到 3 维空间所形成的球形拱基础上，假设等沉降面位于 1 4 倍相邻桩帽净间距高度位置处，即认为临晁填土高 度为对角桩帽净间距。 R u s s e l le ta 1 ( 2 0 0 3 ) 6 1 建议在分析临界填土高 度时，假设填土中产生屈服的填土由加筋体承担，剩余 的未发生屈服的填土荷载由土拱效应直接传递给桩，并 提出在最大极限状态下，临界填土高度就是填土高度。 K e m p f e r te ta 1 ( 2 0 0 4 ) 根据模型试验与数值模 拟结果，提出等沉降面位于1 4 倍相邻桩间距高度位置 处。 P J N a u g h t o n ( 2 0 0 7 ) 假设由于土拱效应，在填土 中其竖向剪切面形状为对数螺旋曲线，其等沉降面位于 高度位置处，其中巾表示填土内摩擦角。 3 影响因素的分析 万方数据 广东建材2 0 1 5 年第1 期工程试验与研究 P L A X I S 是一种适用于各种岩土工程问题中变形和 稳定性分析的有限元计算程序，故本论文采用P L A X I S 8 5 版本进行数值模拟。 3 1 模型建立 桩承式路堤填土中土拱效应实际为三维问题，但在 合适的桩间距条件下，将其转化为平面应变问题是合理 可行的。由于桩承式路堤一般采取对称布桩形式，桩间 距中心位置与桩中心位置处所在竖直面无剪应力，故可 采用单桩轴对称模型进行模拟。如图1 所示，基础计算 模型桩间距取2 m ，桩间软土厚度l O m ；桩帽厚度t = 0 3 m ， 直径d = 1 m ，桩的杨氏模量E = 2 0 G P a ，泊松比u = 0 1 5 ，重 度Y = 2 5 k N m 3 ，并按线弹性模型分析；加筋体选用土工 格栅单元，加筋体刚度J = 1 2 0 k N m ，铺于桩帽上2 5 c m 处；填土，砂垫层及桩间软土选用理想弹塑性模型摩尔 一库仑模型，其材料参数见表l 。加筋体与砂垫层接触面 所取折减系数R 。r 为0 6 ，刚性桩与软土接触面所取 折减系数R 。为O 4 。在桩顶刺入条件下，一般有限元 计算所使用的小应变条件己不再适用，在P L A X I S 计算 中使用了大变形 7 ( U p d a t e dm e s h ) 计算方法。 O O 如l l 艇幢帽中心蠢一I 图1 单桩数值模型 。棚I 距柱十心距囊，- 图2 填土沉降等值线图 表1 基础模型材料参数 3 2 计算模型方案选取 根据工程中典型的土质标准和路堤情况选取材料 参数值，表1 给出了基础模型中选取的材料参数的详细 情况。 为了研究桩承式路堤等沉降面的影响因素，本论文 探讨了以下五个主要因素：填土的内摩擦角巾( 1 0 。、 1 5 。、2 0 。、2 5 。，3 0 。、3 5 。、4 0 。) ，桩的弹性模量E ( 1 G P a 、1 0 G P a 、2 0 G P a 、3 0 G P a 、4 0 G P a ) ，桩间软土侧限压缩 模量E s ( 1 M P a 、2 M P a 、3 仲a 、4 M P a 、5 M P a ) ，加筋体抗拉刚 度J ( 6 0 k N m 、1 2 0 k N m 、2 0 0 l ( N m 、5 0 0 k N m 、1 0 0 0 k N m ) ， 桩间距S ( 1 4 m 、1 5 m 、1 6 m 、1 8 m 、2 0 m 、2 2 m ) 。 3 3 结果分析 在工程实践中，一般允许路面产生一定的差异沉 降。故只要平面沉降差在一定允许误差范围内，可以认 为其是等沉降面。本论文取1 5 的相对误差，如图2 所 示，G 为等沉降面。 3 3 1 填土内摩擦角由的影响 图3 可知，填土内摩擦角中在小于2 5 。时，路堤 临界填土高度随着内摩擦角中的增大而减小；当填土 内摩擦角由在大于2 5 。后，路堤临界填土高度随着内 摩擦角由的增大有一定增加，并且在3 5 。后不变。这 说明在填土中存在着一个合适的内摩擦角，当小于这个 内摩擦角时，随着巾的增大调节差异沉降的能力增加； 当大于这个内摩擦角时，随着巾的增大调节差异沉降 的能力反而减小。在实际工程中，填土内摩擦角巾一般 在2 0 。3 8 。之间，故对于实际工程，填土内摩擦角中 对其路堤填土高度设计有一定影响，必须给予考虑。 2 2 星2 1 斟2O 要1 9 蓦18 1 7 16 1 S 1 01 52 02 53 03 S4 0 填土内摩捧角 图3 填土内摩擦角由对临界填土高度的影响 3 3 2 桩间软土侧限压缩模量E 。的影响 图4 可知，随着桩间软土侧限压缩模量值的增大， 路堤临界填土高度也在减小，但其影响作用大小在不断 减弱，当桩问软土侧限压缩模量值在4 M P a 左右时，其对 路堤临界填土高度几乎没有影响。 】2345 啻j 限压缩横量E 、n 皿3 图4 桩间软土侧限压缩模量E s 对临界填土高度的影响 3 3 3 加筋体刚度J 的影响 一6 3 一 撕 I，越挺叫蓦曩叠 万方数据 工程试验与研究 广东建材2 0 1 5 年第1 期 图5 可知，加筋体刚度J 值在6 0 5 0 0 k N m 之间增 大时，路堤临界填土高度无任何变化，当增加到1 0 0 0 k N m 时，路堤临界填土高度值才略有减小。而在实际工 程中，加筋体刚度J 值一般在2 0 0 k N m 左右，故实际工 程中，加筋体刚度对路堤临界填土高度的影响不需要考 虑。 遗1 ，9J 跨弋、 崃 墨1 7J 1 t 1 2 02 0 05 0 01 0 0 0 加筋体刚鹿J ，l 【N ，m 图5 加筋体刚度I 对临界填土高度的影响 3 3 4 桩弹性模量E 的影响 图6 可知，桩弹性模量在小于1 0 G P a 时，随着加筋 体刚度J 值在6 0 5 0 0 k N m 之间增大时，路堤临界填土 高度无任何变化，当增加到1 0 0 0 k N m 时，路堤临界填土 高度值才略有减小。而在实际工程中，桩承式路堤所选 用刚性桩的桩弹性模量一般在2 0 4 0 G P a 之间，故实际 工程中，桩弹性模量对路堤临界填土高度的影响不需要 考虑。 1 6J 1 r 一一 11 0 Z 03 04 0 拄弹性模量，E ( 6 Pa 1 图6 桩弹性模量E 对临界填土高度的影响 3 3 5 桩间距S 的影响 桩帽一般取l m 1 m 的混凝土方块，由图7 可知，随 着桩间距的增大，路堤临界填土高度基本呈线性增加。 通过与图3 、图4 的对比可知，在影响路堤临界填土高 一6 4 141 51 61 82 0 2 2 桩间距s 加 图7 桩间距s 对临界填土高度的影响 度的三个因素中( 填土内摩擦角、桩间软土侧限压缩模 量、桩间距S ) ，桩间距为主要影响因素。 3 3 6 与前人研究对比 太沙基通过卸门试验，认为土拱效应的形状为一条 从桩帽边缘发展而来的对数螺旋曲线。故对于桩承式路 堤，可以假设土拱形状也为一条对数螺旋曲线。实际工 程中，当桩采取方形布置，填土内摩擦角取值为2 5 。 3 8 。，桩间软土侧限压缩模量取值为l 5 M P a 时，通过 曲线拟合，如图8 所示，可以得到考虑了填土内摩擦角、 桩间软土侧限压缩模量、净间距S n e t 因素的路堤临界 填土高度计算公式： H 。= 1 5 ( S a ) + 0 1 5 e x p t a n ( 巾2 E ；) 模拟值 一模拟值 E s = 2 M P a ，女= 2 5 E s = 2 M P a ，$ = j o E s = 2 M P a ，6 = 3 5 E s _ 3 M P a 击= 3 0 E s = 1 M P a 6 e o E s = 4 M P a ，6 ：3 矿 E s = S M P a ，出= 3 0 图8 曲线拟合值与模拟值对比 4 结论 本文利用有限元软件P L A X I S ，分析了影响临界填 土高度的五个可能因素：填土内摩擦角、桩的弹性模量、 桩问软土侧限压缩模量、加筋体抗拉刚度、桩间距。结论 表明，只有填土内摩擦角、桩间软土侧限压缩模量、桩间 距影响临界填土高度。其中填土内摩擦角、桩间软土侧 限压缩模量大小只在某一范围时才对临界填土高度有 影响，且影响较小，而桩间距影响较大，临界填土高度基 本随其线性增加而变化。在前人研究基础上，本文还提 出了能够指导工程实践的临界填土高度计算公式。 【参考文献】 1 余闯，刘松玉，杜广印，桩承式加筋路堤理论及应用 M 同济 大学出版社，2 0 l O 2 T e r z a g h iK T h e o r e t i c a ls o ilm e c h a n i c s J 1 9 4 3 3 S p a n g l e rMG ，H a n d yRL S o ile n g i n e e r i n g M H a r p e r R o w 1 9 8 2 4 N a u g h t o nPJ T h e s i g n i f i c a n c eo fc r i t i c a lh e i g h t i nt h ed e s i g no fp il e de m b a n k m e n t s J P a r to fG e o D e n v e r 2 0 0 7 ：1 3 2 3 万方数据 广东建材2 0 1 5 年第1 期 工程试验与研究 广州国际体育演艺中心钢屋架 施工组装模拟分析 李思璐叶茂2 ( 1 广州城建职业学院；2 广州大学一淡江大学工程结构灾害与控制联合研究中心) 【摘要】大跨度钢结构在施工过程中结构可能失去平衡而倒塌、或因局部构件、节点强度不足而 破坏，需要对施工各阶段结构的受力状态及性能进行分析计算，确保结构在施工过程中的安全性。本 文以广州国际体育演艺中心钢屋架为例，应用A N s Y S 有限元分析其结构组装施工各阶段，总结出结构 变形和应力分布特征。 【关键词】钢屋架：施工模拟：A N s Y s 有限元 1 工程概况 广州国际体育演艺中心钢屋盖，采用钢桁架结构， 由主、次桁架及屋面支撑和钢梁等连系杆件组成，其中 主桁架共1 0 榀，H 型钢，下弦呈水平，上弦呈弧形，主桁 架最大跨度长达1 0 7 m ，单榀桁架最重达2 6 0 t ；次桁架2 榀，边桁架4 榀。 2 施工方案 本工程钢结构屋架总体施工路线“分段吊装，先主 后次、区域安装、同步卸载”，先安装主桁架，再次桁架， 最后连系杆件。采用3 5 0 t 履带吊和8 0 t 汽车吊进行吊 装，施工顺序为从两边往中间安装，分5 个区( 安装顺序 依次为A B C D E ) 进行安装，分区示意图如图1 。 妒 C 区域 _ f EI 羞域1 B 区 i 。、。Z，妪 戈 吣干呵璋沙 图1 钢结构施工分区图 3 计算模型的建立 3 1 模型建立的原则 大跨空间结构的受力状态是衡量结构是否处于正 常运行状态的一个重要指标。结构的几何形态、受力特 征均随着建造施工过程而变化，应用数值计算的方法对 安装过程进行施工模拟，可采集施工变形和应力的控制 数据，确保结构构件的应力与稳定性满足设计要求 1 。 应用大型有限元分析软件A N S Y S ，采用正装动态分 析方法，按照钢结构施工阶段的前后顺序，建立合理的 钢屋架施工计算机仿真分析模型 2 ：采用空间杆单元 b e a m l 8 8 ，不考虑焊接残余应力且不考虑详细节点状况： 考虑钢结构杆件自重。根据以上模拟原则可满足工程精 度的要求，又能提高经济性，达到“双赢”。 ， 钢材采用Q 3 4 5 B ，弹性模量E = 2 0 6 1 0 5 N m m 2 ，泊松 比为0 3 ，质量密度为7 8 0 0 K g m 3 。主次桁架的上下弦杆 及腹杆均使用H 型钢，在A N S Y S 中采用各向同性线弹性 分析模型，并运用生死单元法按照施工步骤进行施工 模拟分析口 。 3 2 仿真分析模型 由于施工环境和施工过程的复杂性，在仿真模拟 分析中，无法对其进行实时模拟，故选取主要施工工况 进行仿真分析 引，按照施工顺序分解为5 个分析模型， 见图2 ，并计算其在自重作用下的