（岩土工程专业论文）打穿和未打穿软土层桩承式路堤的试验研究.pdf

打穿和未打穿软土层桩承式路堤的试验研究摘要和目录 摘要 桩承式加筋路堤是近年来国内外出现的一种新型地基处理技术。与其它软基 上堤坝的处理方法相比，具有施工工期短、侧向变形小和工后沉降小等突出优点。 目前，其应用范围和领域正在不断地扩大，特别是需要快速施工或者对沉降要求 比较严格的工程。目前德国、英国等已经有了相应的规范，但是国内还没有设计 规范，主要依靠经验进行设计。由于桩承式路堤的工作机理非常复杂，国内外对 它的研究相对滞后，特别是基于现场试验的系统研究较少，从而严重限制了它的 应用。 本文首先介绍了考虑路堤填料一桩一土共同作用的桩承式路堤整体分析模型， 运用m a t h e m a t i c a 数学软件编制程序获得了其解析解。在此基础上，分析了软土 打穿桩承式路堤一台缙高速公路的现场试验成果，以及软土未打穿桩承式路堤一 申苏浙皖高速公路的现场试验成果。揭示了打穿软土层及未打穿软土层桩承式路 堤的土拱效应、桩土荷载分担比、桩身负摩擦力及沉降等之间的不同规律。比较 分析了各国规范计算方法、整体分析模型之间的差异。指出整体分模型较好地考 虑了路堤填料一桩一土之间的共同作用，与实测结果吻合较好。 本文首次基于现场实测资料系统整理分析了打穿和未打穿软土桩承式路堤 的工作性状，并验证了各种分析方法的可靠性。本文工作对桩承式路堤的理论研 究和工程应用具有重要意义。 关键词：高速公路，桩，软土地基，土拱效应，沉降 打穿和未打穿软土层桩承式路堤的试验研究摘要和目录 a b s t r a c t a san e w t e c h n i q u eo f f o u n d a t i o nt r e a t m e n ta td o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a l ， p i l e s u p p o r t e de m b a n k m e n t sp r o v i d ea l le c o n o m i ca n de f f e c t i v es o l u t i o n c o n s t r u c t e d o ns o f ts o i l sb e c a u s eo fi t sl i t t l ed i f f e r e n t i a ls e t t l e m e n t sa n dl a t e r a ld e f o r m a t i o n ，r a p i d c o n s t r u c t i o na n dc h e a pf a b r i c a t i o nc o s t i th a sb e e nu s e dw i d e ra n dw i d e le s p e c i a l l y w h e nr a p i dc o n s t r u c t i o na n d o rs t r i c td e f o r m m i o no ft h es t r u c t u r ea r er e q u i r e d a t p r e s e n to u rc o u n t r yh a sn od e s i g nc o d ea n di t sd e s i g nd e p e n d sm a i n l yo ne x p e r i e n c e d u et ot h ec o m p l e x i t yo ft h ep r o b l e mi t s e l f , w h i c hr e s t r i c t si t sg e n e r a l i z a t i o na n d a p p l i c a t i o n t h ep a p e rs t u d i e st h ef o u n d a t i o no ft h er e s u l ti nt h eo t h e rs c h o l a rt h e o r i e su p ， e m p h a s i z et ot h et a ij i ns u p e r h i g h w a y ，s h e n gs uz h ew a n gs u p e r h i g h w a ye t c s t a k e t h ea c c e p tt y p ee m b a n k m e n te x p e r i m e n t st oc a r r yo na na n a l y t i c a lr e s e a r c ho nt h e s c e n e ，a n n o u n c i n gt op u b l i ct ob r e a kt h r o u g has o f tl a y e ra n dd o i n gn o tb r e a kt h r o u g h t h es o f ts o i ll a y e rs t a k et h es o i la r c he f f e c t ，s t a k eb o d yo ft h ea c c e p tt y p ee m b a n k m e n t n e g a t i v et h ef r i c t i o nd i s t r i b u t ea n ds i n kt od e c l i n er e g u l a t i o ne t c f i r s t ，i n t r o d u c t i o n w i t he l a b o r a t e das t a k et h ea c c e p tt y p ee m b a n k m e n tw h o l ea n a l y s i sm o d e lc o m b i n ea s t oi t se a r lyo ns o l v e ，t h eu s a g em a t h e m a t i c am a t h e m a t i c ss o f t w a r ed r e wu p p r o c e d u r e t o a c q u i r e i t sn u m b e ra s o l u t i o n ，a p p l y i na c t u a l e n g i n e e r i n g a n a l y s i s ；a n a l y z e dt h et a ij i ns u p e r h i g h w a ys o f ts o i lt ob r e a kt h r o u g hi m m e d i a t e l y a f t e ru n d e rc i r c u m s t a n c e ，s t a k et h ea c c e p tt y p ee m b a n k m e n t sm e a s u r i n gas o i l a c t u a l l ys h o u l dt h ed i n ts h a r e ，s i n kt od e c l i n ee t c r e g u l a t i o n ，m a k eu s eo ft h es t a k e a c c e p tt y p ee m b a n k m e n tw h o l ea n a l y s i st h em o d e li sm o r ea n a l y t i c a lv a r i o u s c a l c u l a t i o na n a l y s i st h ed i f f e r e n c eo fm e t h o d ；t h e na n a l y z e ds h e n gs uz h ew a n g s u p e r h i g h w a ys o f ts o i la n db r e a kt h r o u g ha g a i nu n d e rc i r c u m s t a n c e ，s t a k et h ea c c e p t t y p ee m b a n k m e n t sm e a s u r i n gas o i la c t u a l l ys h o u l dt h ed i n ts h a r e ，s i n kt od e c l i n ee t c r e g u l a t i o n ，u s a g eo r i 百n a l l yt h et e x tm o d e li sm o r ea n a l y t i c a lv a r i o u sc a l c u l a t i o n a n a l y s i st h e d i f f e r e n c eo fm e t h o d e n d ，w h e nt h ec o n t r a s ts t u d i e ds o f ts o i lt ob r e a kt h r o u g ha n d b r o k e t h r o u g h ， s t a k et h ea c c e p tt y p ee m b a n k m e n ts o i la r c he f f e c t ，s t a k es o i ls i n kt od e c l i n e ，s t a k et h e s o i ll o t u sc a r r yt os h a r ear a t i oe t c r e g u l a t i o n ，v e r i f yw h o l ea n a l y s i sm o d e lo f c r e d i b i l i t y k e y w o r d s ：h i g h w a y ，p i l e s ，s o f ts o i lf o u n d a t i o n ，s o i la r c h i n ge f f e c t ，s e t t l e m e n t s i i 打穿和未打穿软土层桩承式路堤的试验研究第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 国民经济的飞速发展要求交通运输与之同步前进。二十世纪八十年代，国 外出现了一种新的路堤结构型式，被称为桩承式路堤。这种路堤自上而下由路堤 填料、水平加筋体( 土工合成材料和垫层) 、刚性桩( 带托板) 、土四部分组成【l 】， 是一种新型的地基处理技术，它的典型断面如图1 1 所示。一般高速公路软土地 基常用的软基处理方法有：塑料排水板堆载预压法、真空堆载联合预压法等， 但这些方法并不能减小地基沉降量，而且为减小工后沉降需要预压的时间很长， 不能满足路堤快速施工的要求。相比于这些传统地基处理方法，桩承式加筋路堤 具有施工工期短、侧向变形小和工后沉降小等优点，适合于在软基上快速进行路 堤施工、对沉降控制要求较高的工程。 硬土层 ( a ) 软土层未打穿 ( b ) 软土层打穿 图1 1 桩承式加筋路堤两种路堤桩型式 但是，二十世纪八十年代至九十年代后期，应用桩承式路堤的工程很少，主 要是因为桩承式路堤受力性状极为复杂，那个时期人们对桩承式路堤的承载变形 机理缺乏深刻的认识和理解，设计人员无法确定桩、桩间土到底分别承担多少路 堤荷载、桩侧正摩阻力、负摩阻力如何分布、随着地基土固结如何变化，因而对 桩承载力是否满足要求无法作出回答，直到目前为止，国内外仍没有公认合理的 设计计算方法用在桩承式路堤中。因此有必要对桩承式路堤的承载变形机理进行 深一步的探究。 1 2 桩承式路堤的研究现状 桩承式路堤作为近些年来国内外出现的一种新型地基处理技术，在国外的 一些工程中首先得到应用，例如伦敦的s t a n s t e d 机场的铁路连接线加宽工程船3 、 打穿和未打穿软土层桩承式路堤的试验研究 第一章绪论 巴西圣保罗北部的公路拓宽工程口3 、荷兰的部分高速公路h 1 等，这些工程所在的 位置往往都有土性比较差的下卧软土层。当下卧软土层比较深厚，而上部结构对 沉降大小的要求并不是很高，但要保证沉降均匀，如公路建设中的一般路段和拓 宽工程中口1 ，此时桩承式路堤桩可以不打穿软土层，如图1 2 所示。如果在软土 地基上修建的结构物对沉降大小和差异沉降要求都很高，如桥梁、涵洞、储油罐 等1 ，此时可以增长桩长，将桩全部打入承载力比较大的持力层，如图1 3 所示； 在处理桥头路基时悔1 ，可以通过改变桩间距、托板大小和桩长等调节控制路面的 沉降，从而实现从刚性桥梁向一般柔性路段的平稳过渡，如图1 4 所示。 图1 2 桩承式路堤在道路拓宽工程中的应用( h a n & g a b r2 0 0 2 ) m e d i u md e n s es a n da n dg r a v e ll a y e r 图1 3 桩承式路堤应用在储油罐等建设中( h a n & g a b r2 0 0 2 ) s u p p o r tp i l e s 图1 4 桩承式路堤在桥头附近的应用设计0 t a n g a b r2 0 0 2 ) 在国内，桩承式路堤的应用刚刚起步，我国东南沿海地区软土地基上的许 2 打穿和未打穿软土层桩承式路堤的试验研究第一章绪论 多高速公路的托宽工程中开始部分或全线采用桩承式加筋路堤处理技术，如杭甬 高速公路拓宽工程、申苏浙皖高速公路。目前，其应用范围和领域正在不断扩大， 特别是需要快速施工或者对沉降要求比较严格的工程。 许多学者对桩承式路堤这种新型地基处理方法进行了研究。太沙基最早研 究了平面土拱效应。h e w l e t t 5 】曾经用模型试验分析了砂填料在方形布置的桩承式 路堤中的空间土拱效应，并获得了荷载分担比的计算公式。l o we ta 1 【1 0 】和h e w l e t t & r a n d o l p h 5 】用室内模型试验验证了土拱的存在，分别提出了平面土拱效应和空 间土拱效应的分析方法。c h e w & p h o o n 6 1 进行足尺模型试验研究了正方形布桩时 路堤中的土拱效应和格栅的受力。j o n e se ta 1 【2 】给出了平面应变条件下加筋格栅 的拉力计算式。饶为国和赵成刚【8 】获得了轴对称情况下桩土应力比计算式。饶为 国等【9 】将加筋格栅视为薄板，求得了格栅的变形和拉力。刘吉福【7 】假定路堤中存 在等沉面，分析了桩土沉降差对荷载分担比的影响，但采用的桩土沉降差是凭经 验确定的。以上工作都没有考虑桩、地基土体、格栅和路堤填料之间的相互作用， 忽略了路堤填料的土拱效应。h a n g a b r 1 】采用轴对称有限元程序按单桩模型分 析了土拱效应、桩土应力分担比等，但h a n 的分析未考虑桩托板的作用，对桩 端存在下卧层软弱土层的情况也没有进行分析。沈伟等【2 6 】分析了刚性桩复合地 基沉降计算方法，但没有研究桩托板和土工格栅的作用。陈云敏等【1 8 】基于单桩 处理范围内土体受力平衡条件，通过改进h e w l e t t 空间土拱效应分析方法揭示了 土拱效应对桩体荷载分担比的影响。池跃军、宋二祥等【2 2 2 6 】通过现场试验考察 了荷载作用下桩身轴力、沉降、桩土荷载分担比的变化规律，并在试验结果的基 础上考虑桩、土和垫层的相互作用，根据三者的应力和应变协调，推导出了桩、 土的荷载传递基本微分方程并给出了解答，但是在分析过程中没有考虑垫层中的 土拱效应的影响。n i u m p r a d i t 27 】采用f r e d h o l m 积分方程法研究了饱和土中单桩 在竖向荷载作用下的初值和终值问题；王建华和陆建飞【2 l 】等采用f r e d h o l m 积分 方程法分析了群桩和单桩的沉降随时间变化的过程，但是仅作了算例上的分析。 汪克让和程泽海2 8 2 9 f r 子别采用有限元法对这一问题进行了探讨。 陈仁朋等和贾宁【3 0 】采用弹塑性有限元方法分析了桩打穿及未打穿时地基中 孔隙水压力的分布和消散规律以及格栅受力和地基土体变形及路堤沉降规律。有 限元分析将单桩处理范围及上部路堤等效为圆桩体( 图1 5 ) 。假定地基软土及路 3 打穿和未打穿软土层桩承式路堤的试验研究 第一章绪论 堤均为莫尔一库仑弹塑性材料，格栅、桩及桩托板为线弹性体。圆柱体外侧受水 平向约束，底部为水平向和垂直约束。取桩托板顶面为地下水面，并设为固结排 水面。 糖托锾艟 肇挖等效 链理f 强 l z - 一 、 、一， o 铝： 箩 曰己口口 一 r a。_ ，搋 镌 臻 一 搿 图1 5 路堤桩计算模型示意图( 贾宁2 0 0 4 ) 通过有限元计算，得到打穿和未打穿情况下，桩承式路堤地基中不同深度 处各点超静孔压随时间消散曲线( 图1 6 ) ，桩体荷载分担比随时间变化曲线( 图 1 7 ) ，桩身轴力沿深度分布曲线( 图1 8 ) ，以及路堤中各点沉降随时间变化曲线 ( 图1 9 ) 。 有限元计算分析指出桩承式路堤地基中的最大初始孔隙水压力出现在桩端 以下土层，打穿软土层情况下，路堤的沉降量主要由桩间土浅部的压缩产生；未 打穿情况下，路堤沉降量决定于桩端以下软土层的压缩。路堤桩上半部存在明显 的负摩擦力，桩身轴力大于桩项荷载，中性点位置依桩长和是否打穿软土层而不 同，且随时间变化逐渐趋于稳定。 6 0 毒4 0 獬 耀2 0 o 1 1 01 0 0 时键? 灭 a 打穿情况下 8 0 7 0 6 0 婚5 0 警4 0 3 0 舞2 0 1 0 o 11 01 0 01 0 0 01 0 0 0 01 0 0 0 0 0 时n l ；j 瓦 b 未打穿情况下 图1 6 各点超静孔压随时间消散曲线( 贾宁2 0 0 4 ) 4 绶隧一 魄一 鍪型 凇燃一 燃一 曲挚i 回颤回 厂 面回回 打穿和未打穿软土层桩承式路堤的试验研究第一章绪论 7 0 6 5 爨 二6 0 轴 耋5 5 程 篓5 0 4 5 o 5 1 0 基 裂一1 5 缀 - 2 0 - 2 5 3 0 0 。 o 5 1 自 e 妻1 与 械 寥2 0 2 5 3 勺 3 5 1 01 0 0 跨朔龙 11 01 0 01 ) 01o ( ) o o 孵嘴天 a 打穿情况下b 未打穿情况下 图1 7 桩体荷载分担比随时间变化曲线( 贾宁2 0 0 4 ) 02 4 0 06 镳骁辙赴k n a 打穿情况下 o 5 ： 薯一1 0 g 量 1 5 - 2 0 01 0 02 0 03 0 04 0 05 0 0 褫囊毒自力削 b 未打穿情况下 图1 8 桩身轴力随时间变化曲线( 贾宁2 0 0 4 ) o 5 曩 粪1 0 1 5 5 为衢弱钙柏弱 孚j，羞罨惫鳝露肇髫 打穿和未打穿软土层桩承式路堤的试验研究第一章绪论 陈仁朋等和许峰口5 3 建立考虑了路堤、桩和桩问土的整体分析模型。建立了考 虑土一桩一路堤变形和应力协调的平衡方程，分析了三者协调工作时路堤、桩、土 的荷载传递特性，获得了路堤的土拱效应、桩土荷载分担比、桩和土的沉降等结 果。 由于桩承式路堤承载变形机理比较复杂，而且这种路堤的应用历史并不长， 因此到目前为止，只有极少数几个国家对桩承式路堤的设计、施工制定了相应的 规程( b s 8 0 0 6 ，北欧n o r d i c 手册，德国d b g e o 规程) 【7 6 1 。这些规程提出的土 拱效应计算方法都比较简单，考虑的因素也比较少，反映了人们对这个问题的认 识还不深刻。 英国规程假设桩顶以上填土必须有足够的高度，土体中方能形成完整的拱。 规程中称此最小高度只为临界高度，以= 1 4 ( s - a ) ，s 为桩中心距，a 为桩帽宽。 填土高度h 只时，拱不能完全形成。如图1 1 0 所示。 作用在桩顶平面的平均应力为： 瓯= r n + g o 作用在桩帽上垂直应力为： p c = c c a h lo 。 式中，吼为外荷载，e 是拱效应系数，刚性端承桩时，c 。= 1 9 5 h a - 0 1 8 ； e = 1 9 5 h a - 0 18 ，摩擦桩和其它时，c c = 1 5 h a - 0 0 7 。 作用在桩之间加筋垫层上的荷载为： = 等卜2 贰p a 孵= ( y s h ：一+ 口q ：o ) l i s 2 一口2 专 ( h 1 4 ( s - a ) ) ( o 7 ( s - a ) s 2 时，h c = s 2 ，当h j 叫 彳： 纵一巩孥一曼譬， ( 2 1 4 ) i 气( 一巩) 皖 7 式中，k p 为桩端土的刚度，k p = q 。，q 。为极限桩端阻力，为桩端土最 大弹性位移，矾( 己) 为桩端的沉降，睨( 三) 为桩端深度处桩间土的沉降，即下卧 层的沉降。丸为桩侧摩阻力发挥的刚度系数，k 。= 气瓯，气为桩侧土的极限 摩阻力，瓯为桩土之间达到极限侧摩阻力时的最大弹性位移，甄为桩身的沉降， 吸为桩间土的沉降。 采用极限侧摩阻力只随深度的变化而变化，可以表示为气= g ( z + h d ) ， 代入( 2 1 4 ) 式，可得侧摩擦力的表达示： f ：益互鲁些2 ( 一巩) ( 一形) 瓯 ( 2 1 5 ) l y ( z + h d )( 一哌) 瓯 式中己为桩间土摩阻力系数，h d 为作用在桩间土上的路堤荷载除以桩间土有效 重度后得到的等效荷载高度，z 为距离桩顶面的深度。 当荷载较小或桩长很长时，桩侧摩阻力发挥不充分，在整个桩长范围内没有 达到极限值，处于弹性阶段，如图2 7 所示；当荷载比较大或桩长不够长时，在 整个桩身范围内，部分区段的桩土相对位移超过了最大弹性位移，侧摩阻力达到 打穿和未打穿软七层桩承式路堤的试验研究第二章桩承式路堤的整体分析模型及解答 了极限值，此时称为弹塑性阶段，如图2 8 所示。 一掣( “譬 图2 7 弹性阶段桩侧摩阻力沿桩身分布图 图2 8 弹塑性阶段桩侧摩阻力沿桩身分布图 征捍住彤r 段，桩侧摩阻力随看深度与桩土相对位移的变化向燹化，即 彳= 掣( 一呒) ，为了简化计算，将桩侧摩阻力极限值看作是一个定 值，其值等于考处的极限侧摩阻力，即气= 己，( 詈+ h d ) ，则桩侧摩阻力可表示 为： f = 掣( 一形) ( 2 1 6 ) 弹塑性阶段，根据根据c h o w 1 3 1 、池跃军等的研究，桩侧摩阻力沿桩身可以分 打穿和未打穿软土层桩承式路堤的试验研究第二章桩承式路堤的整体分析模型及解答 为三段：其中0 z 。为负摩阻力段，负摩阻力达到极限值，即气= 乇，( z + h d ) ； z 。z ：为正负摩阻力过渡区，桩侧摩阻力随着深度与桩土相对位移的变化而变 化，由于z 。z ：区段内的正负摩阻力经过相互抵消后对桩的影响比较小，为了简 化计算，将这个区段内的桩侧摩阻力极限值看作是一个定值，其值等于量专垒处 的极限侧摩阻力，即气= 己矿( 鱼 兰+ h d ) ，于是该区段的桩侧摩阻力可表示 为彳= 互z 铲( 一睨) ；z ：为正摩阻力段，正摩阻力也达到了 极限值，即t u = 己厂( z + h d ) ，这样，在弹塑性阶段，桩侧摩阻力沿桩身的分布 可以表示为： 一点( z + h d )( 一形) 皖 o n z ，范围内 譬( 半+ h 以堋( 堋皖z 。乞范围内( 2 1 7 ) 邑，( z + h j )( 一彬) 瓯z ：l 范围内 2 4 基本边界条件 本文在桩承式路堤中，对路堤、桩、桩间土作为一个整体对象来研究，他们 之间相互作用，相互影响。 z = 0 时，桩顶应力的边界条件： 乓t ( o ) ：一_ p t ( h 广) 4 - ( 2 1 8 ) q 桩间土应力的边界条件： e 形( o ) = 一只( 厅) ( 2 1 9 ) 打穿和未打穿软土层桩承式路堤的试验研究第二章桩承式路堤的整体分析模型及解答 2 彬【o ) 一( o ) ：r 丝巡出 撕一气 e c = 旧) 箍 磕m 魄，( 脚c 警h h 一驾) ( 2 2 0 1 z = l 时，桩端应力的边界条件： 点阿。c 三，= 二q 瓮睨三一s ，毳芝；二要! ：三 ( 2 2 ， i upl l j 一6 。 d p u 桩间土沉降的边界条件： 哌( ) = s 。 ( 2 2 2 ) 式中，& 表示- f 臣i - 层沉降，在本文桩承式路堤问题的求解中是一个已知数，可 以通过等效实体法近似求解，为了使问题简化，我们可以先假定为形犯) = 0 ， 在问题得以全部解答后，桩和桩间土上竖向的位移再加上实际的形犯) ，作为最 终的桩和桩间土上竖向的位移。 另外，由式( 2 2 ) 、( 2 3 ) 可以得到托板和桩间土上竖向应力分别为： 黔击m 4 胚。珈 + 7 ( h - h 。) e x p ( 4 肛。书 2 3 ， p o ( h ) ：v - _ m 一只( h ) ( 2 2 4 ) 至此，一共获得( 2 1 8 ) ( 2 2 4 ) 共七个基本边界方程。 2 5 万崔的群答 2 5 1 桩侧摩擦力处于弹性阶段 将( 2 1 6 ) 代入桩和桩间土的基本微分方程( 2 11 ) 、 f ( z ) = 争c l 。一p 吡) + 争c 2 陀+ e 咄) + g z + q 【形z ) = 一争c l ( p 位一p 也) 一参c 2 位+ p 咄) + c 3 z + q 再对式( 2 2 5 ) 积分得： ( 2 1 2 ) ，两端积分得： ( 2 2 5 ) 1 8 打穿和未打穿软土层桩承式路堤的试验研究 第二章桩承式路堤的整体分析模型及解答 蝴= 半= 半m = 器价器， 口= 0 万而，c l c 4 为积分常数。 将( 2 2 5 ) 、( 2 2 6 ) 代入( 2 1 8 ) ( 2 2 4 ) 七个基本边界方程，方程组含有c 1 c 4 、 乞、p o 、吃共7 个未知数，未知数与方程数相等，至此，可以求解整个方程组。 2 5 2 桩侧摩擦力处于弹塑性状态阶段 桩侧摩擦力处于弹塑性状态阶段的方程的求解是本文的重点，桩侧摩阻力 的表达式( 2 1 7 ) 代入基本微分方程式( 2 1 1 ) 和( 2 1 2 ) ，并分别在三个区段内 积分，可得： 在z = 0 z l 时： 8 , , z 3 - l f h d b p 6 ，2 - 七f l z 七f i z 3 + 1 2 h d p s 6 。z 2 + f 3 z + f 4 在z = z l z 2 时： ( 2 2 7 ) 争驰韶可w 争讹吡m z “ 眨2 8 ， 一鲁e 一p 一舷) 一鲁圪( p 位+ p 一) + 弓z + 最 在z = z 2 三时： 十斗即。z 2 + f 9 z + 氏 3 1 2h d 屈瓯z 2 + e 。z + 互： ( 2 2 9 ) 1 9 622，l g q 州 件 吵 铆 气 一 ，馏 弋 ，一 铲 气 产 驴 皓 又 q c 争盈矿 o 。卜 、， 2 功 产 p 一 托 h 甜 严 刚 k 争且矿 、- ， ) 巧 以 p 屏 兢一屈 一 一6 l i = 力 力 、j、， ，【 z ” 舡 碱 舻弘 1 6 一 = = 0 0 打穿和未打穿软士层桩承式路堤的试验研究第二章桩承式路堤的整体分析模型及解答 式中羼= 器，屈= 舞，雠= 坐挚屏，凤= 垡挚屈， 口= 小瓦而，正互：为积分常数。 再对这三个区段分别作一阶微分： 在z = 0 一z l 时： ( z ) ：一i 1 p 皖z ：一以皖z + 鼻、= 一i pp 6 。一h d pp 6 u z + f l ( z ) = 吉屈皖z 2 + 屈坑z + e 在z - z l z 2 时： ( 2 3 0 ) w p 2 ( z ) - - “p p 弛p 咆卅争讹p 唯咖弓 ( 2 3 1 ) ( z ) = 一争e 位倪+ p 吨口) 一争r 岔口一p 咄口) + 弓 在z = z 2 三时： ( z ) = 喜色瓯z 2 + 尾瓯z + 岛 ( z ) = 一吉a 坑z 2 - 屈皖z + e 。 ( 2 3 2 ) 路堤桩作为一个整体，考虑到应力和位移在桩和桩间土体上的连续性， 在z 。、z ：处可获得8 个边界条件。 z = z 。时，桩身位移和桩身应力连续： ( z 1 一) = w p 2z 1 ) 髟剖嘲一= 名 桩间土位移和应力连续： 形，( 毛一) = ( z l + ) e 掣l 一= 巨掣l + ( 2 3 3 ) ( 2 3 4 ) ( 2 3 5 ) ( 2 3 6 ) 2 0 打穿和未打穿软土层桩承式路堤的试验研究第二章桩承式路堤的整体分析模型及解答 z = z ：时，桩身位移和桩身应力连续： ( z 2 一) = ，( z 2 + ) 掣l 一= 乓掣l 出 i p 龙i - 工= z l 桩间土位移和应力连续： 既( z 2 一) = 呢( z 2 + ) 型d z l = e 型d zii ：= ：，一 3 i ( 2 3 7 ) ( 2 3 8 ) ( 2 3 9 ) ( 2 4 0 ) 另外，在z 。和z ：处，桩土的相对位移( 睨一睨) 刚好等于极限侧阻发挥时的 最大弹性位移瓯，可得： ( 毛) 一形z ( 互) = zz 2 ) 一k 2 ( z 2 ) = ( p 一p 一畅) e ( p 一p 一) e + ( p + p 一畅) e = 一瓯 ( 2 4 1 ) + ( p + p 一) 圪= 瓯 ( 2 4 2 ) 至此，已给出路堤桩在弹塑性阶段方程组的全部方程，求解过程如下： 将( 2 3 3 ) ( 2 4 0 ) 代入( 2 2 7 ) ( 2 3 2 ) 可得： z = z l 时， 一吉成瓯z 1 3 一吉吃屏瓯互2 + 曩乙+ 互= 争乞( e 畅一p 一) + 争圪( e a z l + e - a z l ) + 弓z 1 + 磊 ( 2 4 3 ) 一三羼瓯z 。2 一展皖z 。+ 互= 争e ( p 口+ p 一吻叻+ 争圪( e a z l c z - - 矿畅鲫+ 弓 ( 2 4 4 ) 吉屈瓯z 1 3 + 三屈玩z 。2 + e 毛+ = 一争e ( e 畅一e 一钧) 一争圪( e 明+ 矿明) + 弓刁+ 磊 三屈色乙2 + 屈皖z 1 + 互= 一争e ( p 畅历+ 矿一争瓦( p 畅口一矿明叻+ 弓 ( 2 4 5 1 ( 2 4 6 ) 2 1 打穿和未打穿软七层桩承式路堤的试验研究 第二章桩承式路堤的整体分析模型及解答 z = z 2 时， 争e 。一p 一) + 争圪( p + p 一) + 弓z ：+ 层= 吉屏瓯z ：3 + 吉纪辟皖z 2 2 + 岛z ：+ 互。 ( 2 4 7 ) 争e ( p t z i - e - a z 2 功+ 争e ( p 口一p 一功+ 弓= 三屏瓯乞2 + 屏皖z ：+ 岛 一争e ( e 一e 一) 一争瓦( p + e 一哟) + e z ：+ 磊= 一丢屈瓯z 2 3 一三屈瓯z 2 2 + 曩。z 2 + 互： ( 2 4 9 ) 一a 厅pf s ( e a * 2 a + e - a ：2 叻一争e ( p 口一p 一功+ 弓= 一2 , a , 4 z ? - 屈皖乞+ 巧。 ( 2 5 0 1 z = 0 时， 将( 2 1 8 ) 、( 2 1 9 ) 代入( 2 3 0 ) 可得： e ：一罢掣( 2 5 1 ) i e p 久 e ：一_ p o ( - h ) ( 2 5 2 ) 将( 2 2 0 ) 代入( 2 2 7 ) 可得： = ，+ 生a oj 韭4 f k a e c 嚎m 魄，b 警h h 一百y h e ( 2 h - h p ) z = l 时， 将( 2 2 1 ) 代入( 2 3 2 ) 可得： 一警= 2j bp 6 。e + h d 8 p 6 u l + f 9e p 。pu u 1 pu ! 将( 2 2 2 ) 代入( 2 2 9 ) 可得： 。= 一6 p 4 l 3 一丢犀吮r + 互l l + 互： ( 2 5 4 ) ( 2 5 5 ) 式( 2 2 3 ) 、( 2 2 4 ) 、( 2 4 1 ) ( 2 5 5 ) 一共1 7 个边界方程，共有e e 2 、 号( 厅) 、p o ( h ) 、z ，、z ：、h e 等1 7 个未知数，未知数与方程数相等，整个方程组 打穿和未打穿软土层桩承式路堤的试验研究第二章桩承式路堤的整体分析模型及解答 可以得解。这1 7 个未知数当中，曩互：和z 。、z ：是中间未知量，吃和层( 厅) 、r ( 而) 是我们想要使用的结果。 先联立( 2 4 1 ) 、( 2 4 2 ) 可得e 、圪： 只：! ! g 兰：2 堕 ( 2 5 6 ) 2 ( 一p 畅+ e a z 2 ) e ：坚罢竺篓( 2 5 7 )6 2 化一p ) 。 将( 2 5 6 ) 、( 2 5 7 ) 分别代入其它方程，运用m a t h e m a t i c a 数学软件编制程 序不难获得其解析解。至此，未知参数全部求解后，荷载分担比、桩土应力比、 桩侧摩阻力的分布、桩和桩间土的应力和沉降变形等都可以全部确定。 2 6 模型参数的确定 1 ) 桩土之间达到极限侧摩阻力时的最大弹性位移色。 弹塑性模型的界面剪切刚度可以按照r a n d o l p ha n dw r o t h ( 1 9 7 8 ) 的理论定 义为红= o ，：0l i l ( 几) ，g 为桩间土的剪切模量，为桩半桩，为桩的影响半 径，采用r a n d o l p ha n dw r o t h ( 1 9 7 8 ) 1 拘验公式= 2 5 l ( 1 - - 0 ，) ，秒。为桩端处土 的泊松比，为桩长。由s s i 室内试验和现场试验研究揭示的桩土界面的力学特 性可知，达到极限摩擦力的所需要的桩土之间最大弹性位移是极小的，通常只有 几个毫米，本文中采用清华大学大型土与结构接解面循环加载剪切进行不同粗糙 度下粗粒土钥板单调剪切试验结果，桩土之间达到极限侧摩阻力时的最大弹性 位移，根据经验本文取皖= 5 m m 。 2 ) 桩端土的刚度k 。 按照r a n d o l p ha n dw r o t h ( 1 9 7 8 ) 1 拘建议，桩端土的刚度吒= 4 g o - v ；) 。 3 ) 极限桩端阻力吼。 在排水和长期固结条件下， 极限桩端阻力可以表示为：q u = c 也+ 瓯口， c 、m 为桩端处土的承载能力因子，c 。为桩端土的有效粘聚力，吼为桩端土的 有效超载。 打穿和未打穿软土层桩承式路堤的试验研究第二章桩承式路堤的整体分析模型及解答 4 ) 其它。 桩间距s 。，桩截面积么，( 桩径d ，、壁厚万) ，桩长，桩周长u ，路堤高 度h ，托板面积( 内土柱面积) 4 和外土柱面积彳。，路堤填料重度y ，路堤压缩 模量e c ，桩间土有效重度少，桩间土压缩模量e 。，桩身的弹性模量瓯等，可按 照工程实际情况选取；桩间土摩阻力系数邑可以根据现场试验确定，或者根据 桩间土和桩端土的性质参照建筑桩基技术规范j g j 9 4 9 4 确定，等效高 度h d 在初次计算时可以先假定等于路堤高度进行试算，然后再将计算得出的桩 顶面处的桩间土荷载除以桩间土重度得到的等效高度忆代入进行迭代计算直到 满足精度要求为i e 。 2 7 小- 结 本章介绍了考虑路堤填料一桩土共同作用的桩承式路堤整体分析模型。 将路堤桩土作为一个整体研究对象，在桩托以上部分，将路堤假定为内、 外土柱模型，并假定在路堤堆载到一定高度处，有一个内土柱和外土柱沉降 量相等的等沉面。在等沉面以下，内土柱与桩顶的总沉降和外土柱与桩项处 桩间土的总沉降相等，并用有关力学模型建立相关方程，在托板以下部分对 桩与桩间土进行应力、应变分析，建立基本微分方程，然后将托板上下部分 结合起来，考虑桩与土的应力、位移连续等建立多个边界条件，解得整个方 程组在弹塑性模型下的解，获得了关于桩承式路堤的沉降、桩与桩间土的应 力和沉降、桩身轴力、桩侧摩阻力、荷载分担比等计算方法。最后，对模型 参数进行了相关分析，为下面章节桩承式现场试验研究作准备。 打穿和未打穿软土层桩承式路堤的试验研究第三章软土打穿桩承式路堤现场试验及分析 第三章软土打穿桩承式路堤现场试验及分析 3 1 引言 台缙高速公路的5 合同段进行了不同桩距的管桩桩承式加筋路堤现场对比 试验，研究软土打穿情况下桩承式路堤的工作性状，确定合理的软基处理方案的 设计和施工参数。本章结合台缙高速公路刚性桩处理软基现场试验，分析了台缙 高速公路软土打穿情况下，桩承式路堤的实测桩土应力分担、沉降等规律，比较 分析了各种计算分析方法的差异。 3 2 台缙高速公路工程现场实测概况 3 2 1 工程概况 台缙高速公路东段工程起点位于临海沿江镇，与同三线( 甬台温高速公路) 相交，终点位于仙居城关，与台缙高速公路西段相接。 本工程的设计行车速度为1 0 0 公里小时。路基宽度2 6 米，路线全长6 0 6 公里。 软基路段主要存在于s 1 s 5 标段( k o + 0 0 0 - - 一k 2 3 + 0 8 5 ) 范围内，长约2 3 公里( 未 扣除其中桥梁、隧道及小段正常路基长度) 。其中，主线软基处理长度为7 3 8 公 里，匝道软基处理长度为4 1 7 公里。软基路段地表硬壳层下分布约5 - 2 0 米厚的 海积淤泥、淤泥质亚粘土层，属高压缩性土；路堤填土高度在4 - - 9 7 米之间。软 基处理类型有：塑料排水板、粒料桩、预制砼管桩、粉喷桩、素砼桩等。 施工过程中发现大部分粒料桩成桩较差，个别路段出现滑移现象，后经多 方讨论，确定采用管桩加固原粒料桩处理路段。为了确定合理的桩距，选取s 5 合同段的k 1 8 + 1 8 3 ，- - k 1 8 + 3 0 9 作为管桩加固试验段。管桩长2 0 m ，管桩直径4 0 0 m m ， 采用正方形布置，静力压桩，以圆砾层为持力层。三个路段采用了不同的桩间距 和桩帽尺寸，其中k 1 8 + 2 0 8 2 3 8 路段桩间距为2 5 m ，路堤中线及右侧桩帽大小均 为1 3 x 1 3 m 2 ，路堤左侧桩帽大小为1 0 x 1 o m 2 ，k 1 8 + 2 3 8 2 6 8 路段桩间距为3 0 m ， 桩帽大小为1 6 x 1 6 m 2 ，k 1 8 + 2 6 8 2 9 8 路段桩间距为2 0 m ，桩帽大小为1 0 x 1 0 m 2 。 3 2 2 工程地质条件 台缙高速公路软土路段地形平坦，地面标高位于3 8 - 6 8 米。试验路段表层 为软塑硬塑冲海积亚粘土，层厚约3 m ；下部为厚层约1 7 m 的海积淤泥、淤泥质 亚粘土，属高压缩性土，容许承载力为5 0 k p a ；淤泥层下部分布厚度约1 5 m 的冲湖 积稍密中密含粘性土圆砾、含粘性土卵石，下伏凝灰岩，容许承载力为2 5 0 k p a 。 打穿和末打穿软土层桩承式路堤的试验研究第三章软土打穿桩承式路堤现场试验及分析 主要土层参数见表3 1 。 表3 1 试验段k 1 8 + 1 8 3 k 1 8 + 3 0 9 物理力学指标表 土层层厚含水孔隙饱和容渗透系压缩泊 快剪快剪 名称 ( m )量w 重 数( m d ) 模量松 ( ) 比e唬 ( k n m 3 )( m p a )比 ( k p a ) ( 度) 亚粘3 o2 9 2o 8 1 81 9 3o 0 16 5 30 32 1 21 2 8 0 土 淤泥1 6 o 4 6 31 2 8 61 6 70 0 0 1 2 42 4 10 3 51 0 35 7 0 质亚1 7 o 粘土 含粘 1 5 0 1 9 91 03 5 5o 2 锥尖阻力 土圆 1 7 o 8 7 6 m p a ，侧壁 砾层摩阻力 7 9 3 k p a 3 2 3 试验观测内容和测点布置 本次试验观测项目主要包括路基沉降、深层侧向位移及预制管桩桩顶与桩 问土压力。共设置了k 1 8 + 2 2 3 、k 1 8 + 2 5 3 、k 1 8 + 2 8 3 = - 个监测断面，监测断面的主 要信息如表3 2 。在观测断面上埋设了沉降板、测斜管和土压力盒，三个路段共 布设y 6 0 个土压力盒和1 0 个沉降标，其中3 1 只埋设在桩帽上，2