（岩土工程专业论文）桩承式路堤固结性状的试验与理论研究.pdf

浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得逝姿盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文作者签名：彳衾重干 签字日期：久弦尸年汐7 月，j 自 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘堂 有权保留并向国家有关部门或机构送 交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权迸姿盘鲎可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 孑象蕾寸 导师签名：哟坝- 刷 签字日期：z 哆砗矽月，j 咱 签字日期：9 车少月厂日 致谢 本文是在导师陈云敏教授和陈仁朋教授的悉心指导下完成的，从论文选题、 论文写作、到最后定稿，字里行间都凝聚着导师的大量心血。导师渊博的专业 知识、严谨的治学态度、谦逊的处世风格使学生耳濡目染、受益匪浅。攻读博 士学位的六年求学生涯中，从导师身上不仅学到了精深的专业知识，而且体会 到很多做人的深刻哲理，在博士论文完成之际，谨向恩师致以崇高的敬意和由 衷的感激! 在攻读博士学位期间，还得到了课题组唐晓武教授、柯翰副教授、朱斌老 师等的帮助，在此一并表示衷心的感谢。此外还要感谢德育导师张治成老师给 予我的关怀与帮助。 在本文写作过程中，得到了诸多师兄弟的帮助，借此感谢贾宁博士、曹卫 平博士、陈颖平博士、张文杰博士、魏海云博士、胡琦博士、周万欢博士、陈 若曦博士、张钧硕士、魏鉴栋硕士、黄传兵硕士、胡婷硕士、何纯健硕士、丁 金雷硕士、王学进硕士、许伟硕士、汤吕军硕士等。 感谢我的室友张智卿博士几年来在生活上给予我的关心和帮助。 特别地，感谢我的父母和妻子，没有他们的理解与支持，也许我就不能跨 越一道道难关。几年来她们在家庭方面付出了很多辛劳，陪伴我共同渡过了人 生中最艰难的一段时期。 本文研究得到了国家自然科学基金项目( 5 0 3 0 8 0 2 6 ) 的资助，在此表示衷心 的感谢! 最后，感谢评阅博士学位论文和出席论文答辩会的各位专家和学者，感谢 他们在百忙之中对本文的评阅并提出建设性意见，这些将是我进一步工作的重 要指导。 谨以此文献给所有关心我、支持我、帮助我的亲人和朋友们。 2 0 0 9 年7 月于浙大求是园 徐正中 浙江大学申请博士学位论文第1 章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 高速公路是二十世纪三十年代在西方发达国家开始出现的专门为汽车交通服务 的基础设施。高速公路在运输能力、速度和安全性方面具有突出优势，对提高现代物 流效率、促进国民经济发展和社会进步具有重要作用。建国以来，我国高速公路建设 取得了巨大成绩，但总体上仍处于初级发展阶段，不能完全适应国民经济发展和人民 生活水平提高的需要。为此，党中央和国务院适时提出了我国高速公路中长期发展规 划方案( 7 9 1 8 网) 。在未来的三十年内，我国将建成约5 万多公里的高速公路，这些 新建的高速公路大部分将分布在中东部地区，特别是经济比较发达、交通运输量需求 旺盛的东南沿海地区。 我国东南沿海地区的高速公路一般建于软土地基上。软土的孔隙比大、含水量高、 渗透性差、压缩性高、承载力低。因此在软基上修建高速公路将面临以下问题：如 何提高地基承载力、保证地基的稳定性，满足路堤填筑的要求；如何减小路堤总沉 降、差异沉降、侧向变形，保证工后沉降在允许的范围内；如何能使路堤的填筑以 较快的速度进行。 高速公路常用的软基处理方法有：塑料排水板一堆载预压法、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采取的预压耗时很长。 如杭甬高速公路一期工程，路堤顶面宽度2 6 m ，路堤高度4 0 m ，采用塑料排水板堆 载预压法处理软基，实测的地基沉降如图1 1 所示。可以看出，路堤实际填筑时间仅 为5 6 d ，而施工路面面层的等待时间将近1 0 个月。路堤填筑结束时，地基沉降量为 3l o m m ；而当1 0 0 0 d 时，地基沉降量达到7 3 0 m m 。投入运营1 0 年后，路堤沉降还在 以1 - s m r n p j 的速率发展。可见，传统的软基处理方法不仅不能满足路堤快速施工的 要求，而且地基沉降持续的时间很长，增加了路面结构维护的费用。 浙江大学申请博上学位论文 第1 章绪论 图1 1杭甬高速公路路堤实测沉降时间曲线( 贾宁，2 0 0 4 ) 二十世纪八十年代，国外出现了一种新的路堤结构型式桩承式路堤。这种路堤 自上而下由路堤填料、带托板刚性桩( 如钢筋混凝土预制桩) 和地基土体组成。后来， 它在与加筋技术联合应用中，又发展成为桩承式加筋路堤，其典型断面如图1 1 2 所 示。由于桩承式路堤中形成了土拱，大部分路堤荷载由桩承担并向下传递给了深层承 载力较高的土层，而桩间土承担的路堤荷载很少，因而路堤沉降大大减小。同时，水 平加筋体和桩共同作用也减小了路堤侧向变形，提高了路堤稳定性。由于采用了刚性 桩处理软基，路堤填筑可以一次完成，而无需等待软基固结完成后分期进行，大大加 快了施工进度，缩短工期。与普通的桩基工程相比，桩承式路堤采用的桩间距较大， 所以软基处理的费用不是很高。因此，桩承式路堤适合于在软基上快速进行施工、对 沉降控制要求较高的工程。 软土层 ( a ) 软土层未打穿( b ) 软土层打穿 图1 2 软土层打穿和未打穿的桩承式路堤 2 浙江人学申请博士学位论文 第l 章绪论 软土地基上修建路堤自然涉及到固结问题。路堤修建前，一般认为软土中孔隙水 压力沿深度的分布与静水压力相同。当路堤修建后，地基中的应力状态发生了变化， 孔隙水压力增加，超过了初始的静水压力。靠近透水边界处，在超静孔隙水压力梯度 作用下，孔隙水从高超静孔隙水压力区向低超静孔隙水压力区流动，超静孔隙水压力 得以消散。原来由孔隙水承担的正应力转化为有效应力，土骨架在新增的有效应力作 用下产生压缩变形，土颗粒之间的接触变得更加紧密，土体强度得以提高，最终使得 整个地基中各点的超静孔隙水压力消散到零，这一过程称为固结。土体的固结与建筑 物和地基的渗流、稳定和沉降等问题有着密切关系，历来在土力学中占据着重要地位。 但由于桩承式路堤体系组成和承载变形机理比较复杂，目前国内外对其理论研究很少 考虑固结的影响。而实际上，地基的固结对整个桩承式路堤的工作性状有着重要影响， 桩和桩间土承担的路堤荷载、桩侧正负摩阻力的分布及沉降的大小等都会随地基土固 结发生变化。因此，有必要对桩承式路堤的固结性状进行深入研究，更好地理解桩承 式路堤工作性状，控制工后沉降，使得这种型式路堤的设计更加趋于理性而不是建立 在设计人员以往的经验之上。 本章将从桩承式路堤的特点出发，阐述了它与传统地基处理方法和桩基的联系和 区别，提出了研究的关键问题。并在此基础上，对其应用现状和研究现状作较为全面 的回顾和总结。最后，介绍了本文拟开展的研究工作。 1 2 桩承式路堤的特点 1 2 1 桩承式路堤的优点 桩承式路堤体系自上而下由路堤填料、托板桩和地基土体组成。传统路堤软土地 基处理中，多采用碎石桩和水泥搅拌桩等柔性桩和半刚性桩，而桩承式路堤技术所采 用的桩主要是灌注桩、预制桩和混凝土管桩等刚性桩。与其他常用的地基处理方式相 比，它具有施工速度快、竖向沉降和侧向位移小、整体更稳定等优点。目前，其应用 范围和领域正在不断扩大，特别适用于需要快速施工的工程，为软弱地基上高速公路 建设提供了一种既经济又有效的解决方法。 浙江大学申请博士学位论文 第1 章绪论 1 2 2 桩承式路堤与桩承式加筋路堤 桩承式路堤在与加筋技术联合应用中，逐渐发展为桩承式加筋路堤( 图1 3 ) 。对 于桩承式路堤技术，常在边坡附近打设斜桩承受路堤产生的侧向推力。此外，为通过 土拱将荷载传递到桩上，减小桩托板间土体的变形及路堤表面处的变形，桩体布置紧 密且桩托板尺寸较大。在与加筋技术联合应用后，加筋体与路堤填料形成了加筋垫层， 其作用类似于柔性筏板，对沉降的调节作用没有刚性板明显，但是该结构使桩体受力 比较均匀，可以保证大部分桩承载力充分发挥，而且加筋体承担了路堤产生的侧向推 力，因此它不需要打设斜桩、无需设置大面积托板及采用较小的桩间距，是一种更经 济的处理方法。 托 软土层 托 筋体 软土层 ( a ) 桩承式路堤( b ) 桩承式加筋路堤 图1 3 桩承式路堤与桩承式加筋路堤 1 2 3 桩承式路堤与竖向增强复合地基 桩承式路堤和竖向增强复合地基都是软弱地基经济有效的处理方法，是在天然地 基承载力不能满足设计要求的情况下而采用的。它们都强调地基土承载力的充分利 用，属于桩土共同作用范畴，所以都是介于天然地基和纯桩基之间的过渡型基础形式。 两者都设置了褥垫层，起到了保证桩土共同承担荷载，减少应力集中，及分担水平荷 载的作用。但由于桩承式路堤设置了桩托板，其受力性状要比竖向增强复合地基复杂 很多，两者有很多区别之处。竖向增强复合地基主要是对软弱土层进行改造加固，以 增强地基土体的承载力，其主要受力部位还在加固体内，进行设计时主要考虑的是地 基土。而桩承式路堤则是通过设置桩顶托板使桩承担更多的荷载，利用其较大的沉降 来使桩间土来承担部分荷载。这种方法能减少路堤桩的使用数量，从而达到节省造价 的目的，所以桩承式路堤的设计主要还是考虑桩体。确定常规桩基承载力的静载荷试 4 浙江人学申请博士学位论文 第1 章绪论 验仍然适合于桩承式路堤。竖向增强复合地基仅仅确定单根桩承载力的意义不大，目 前常用荷载板试验的方法确定承载力。竖向增强复合地基沉降主要由垫层的压缩量、 加固区的压缩量以及桩端下卧层压缩量组成；而桩承式路堤的沉降则是由路堤填料的 自身压缩量、桩托板向上刺入量、桩向下刺入量及桩端下卧层压缩量组成。 1 3 桩承式路堤的关键问题 桩承式路堤的体系组成和受力性状比较复杂，土拱效应、桩身荷载传递和沉降等 是桩承式路堤研究的关键问题。 t e r z a g h i ( 1 9 4 3 ) 首次提出了等沉面的概念，并通过著名的t r a p d o o r 试验进行了 验证，揭示了土拱效应的本质颗粒材料之间由于相对位移而引起的相互剪切作 用。桩承式路堤在路堤刚刚填筑好的时候，路堤荷载均匀地作用在桩顶和桩间土上。 由于桩的压缩性远小于桩间土的压缩性，在同样的路堤荷载作用下，桩间土的沉降量 大于桩顶的沉降量，因此会产生桩土沉降差。这个沉降差使桩间土上部的填土相对于 桩顶上部的填土产生一个向下滑动的趋势，于是桩间土与桩顶上部填土之间形成相对 滑移面。由于土体内部存在着摩擦力，这种相对滑动的趋势使桩间土上部填土对桩顶 上部填土产生向下的拖拽力。最后，桩间土上部填土通过这个拖拽力将自身的部分荷 载转移到了桩顶上部填土上。这种现象看起来就像是在桩与桩之间有一个个的土拱 桥，路堤荷载就通过这座土拱桥传到桩顶上。这种现象与t r a p d o o r 试验所揭示的拱 效应在本质上是相同的，但路堤中的土拱效应要复杂得多。在土拱效应的作用下，随 着距离桩顶高度的增加，桩间土与桩顶上部填土之间的差异沉降逐渐减小，当高度增 加到一定值时，差异沉降最终消失，该高度处的平面称为等沉面。在等沉面以上的各 个平面上，沉降和竖向应力处处相等。因此，如果路堤高度低于等沉面高度，就不能 形成完整土拱，桩土差异沉降就会反映到路堤顶面上来，使得路面出现较大的不均匀 沉降( 图1 4 a ) ；反之，路堤形成完整土拱，路面就不会有不均匀沉降( 图1 4 b ) 。 浙江大学申请博士学位论文 第1 章绪论 水平加筋体 瓜蒸晒 棚面汐砭 ( a ) 不完整土拱 路堤顶面 等沉面 图1 4路堤中的土拱效应 ( b ) 完整土拱 当上部路堤荷载传给下部桩和桩间土后，由于桩土刚度不同，桩和桩间土产生不 同的沉降，使桩土之间出现了相对位移；另一方面，路堤填料也在自重作用下产生向 下的变形，即桩托板会出现向上刺入路堤的变形，所以在靠近桩顶处会出现负摩阻力。 由于路堤填料会源源不断地补充到桩间土上，以保证桩土始终共同承担荷载，因此桩 承式路堤在工作时桩侧一直有负摩阻力存在( 图1 5 ) 。桩侧负摩阻力的大小和分布是 与桩土相对位移的大小有关的，桩土相对位移又与桩和桩间土各自承担的路堤荷载大 小有关，而桩土荷载分担取决于土拱效应。因此，桩身荷载传递是与上部路堤中的土 拱效应密切相关的。 正( f ) q ( f ) o a t ) 图1 5 桩身荷载传递示意图 墨( f ) 从上面的分析可以看出，土拱效应、桩身荷载传递和沉降三方面是相互联系、相 互影响的。地基土体的固结会使桩土差异沉降不断发生变化，进而影响桩侧负摩阻力 6 浙江大学申请博士学位论文 第l 章绪论 的分布和路堤土拱效应的发挥。因此，对桩承式路堤的研究必须考虑地基固结的影响， 只有对其工作性状、沉降和荷载等随地基固结而变化的机理有了深刻的认识，才能更 好地把握土拱效应、桩身荷载传递和沉降等关键问题，从而指导工程设计。 1 4 桩承式路堤的应用现状 从上世纪八十年代，桩承式路堤在国外的一些公路和铁路工程中首先得到应用， 例如英国伦敦的s t a n s t e d 机场的铁路连接线加宽工程、巴西圣保罗北部的公路拓宽工 程、荷兰的部分高速公路等。目前，它在国外已经得到广泛使用，主要应用于以下几 个方面：1 ) 处理桥头相临路基，解决桥头跳车的不均匀沉降问题( 图1 5 ) ；2 ) 软基 上老路路堤的拓宽工程( 图1 6 ) ；3 ) 道路和铁路一般路段的软弱地基处理( 图1 7 和 图1 8 ) ，用来解决道路的沉降和稳定问题；4 ) 软基上修建挡土墙、涵洞、储油罐等 结构物的基础处理，解决严格控制沉降和差异沉降的要求( 图1 9 和图1 1 0 ) 。 轴秘哦p i l 图1 5 桥头相临地基的处理图1 6 道路拓宽中的软基处理 一 ，。喜三。二。露冀l 玉黧! ；赫、 。 ：芦 下 、一霹 。i 雾 ! 霉毳 萄一 ”套：= “ 蕞 图1 7 道路的软基处理图1 8 铁路的软基处理 7 浙江大学申请博士学位论文 第1 章绪论 图1 9 油罐的基础处理图1 1 0 挡墙的软基处理 1 9 9 9 年，桩承式路堤在沪杭甬高速公路一期拓宽工程中首次得到大规模的应用， 与常规的排水固结法，搅拌桩复合地基等处理方法相比，桩承式路堤具有施工方便、 工期短、易于调节和控制地基沉降量、侧向变形小、对老路产生的影响小，造价与水 泥搅拌桩基本相当等突出优点，鉴于在一期拓宽工程应用中的这些优点，在该项目的 二期和三期拓宽工程中得到全面应用。之后，在国内高速公路建设中开始得到越来越 多地应用，如沪宁高速公路拓宽工程、申苏浙皖高速公路( 浙江段) 、宁波至金华高 速公路( 宁波段) 、甬台温高速公路( 平阳段) 、台州至缙云高速公路、京珠高速公路 ( 广东段) 、杭州至浦东高速公路、宁波绕城高速公路西段、杭州湾跨海大桥南岸和 北岸连接线工程、申嘉湖杭高速公路( 浙江段) 等工程。国内所采用的桩型主要为预 应力混凝土管桩，部分高速公路中也采用现浇混凝土圆形沉管灌注桩、现浇混凝土y 形沉管灌注桩、现浇混凝土薄壁筒桩等。 1 5 桩承式路堤的研究现状 1 5 1 不同材料界面剪切试验 目前，国内外学者已经开展了不少界面试验方面的研究工作。这些试验主要是确 定岩土工程设计中( 如挡土墙、埋设的管道、桩等) 土与结构物的摩擦特性。界面试 验现被广泛用于对各种界面的研究，如土与结构物界面、土与岩石界面、岩石与岩石 界面等。由于土混凝土接触面和土钢板接触面能很好地模拟桩土界面，为了解它的 基本性状提供了很有价值的参考，因此下面着重总结了这两种界面试验的研究成果。 1 、直剪盒装置 浙江人学申请博士学位论文第1 章绪论 直剪盒装置( d i r e c ts h e a rb o xd e v i c e s ) 简称为d s b 装置。早期对土与结构物界 面做了较系统研究的学者有p o t y o n d y ( 1 9 6 1 ) 、c l o u g h & d u n c a n ( 1 9 7 1 ) 、p e t e r s o ne t a 1 ( 1 9 7 6 ) 及其他一些学者。他们对传统直剪盒作了一些改动，把混凝土试验样本装 入半个剪切盒之中。大多数情况下，土样被安放在底部，混凝土试验则处于土样上方。 试验首先把法向应力增大到想要达到的大小，然后再在保持法向应力不变的条件下对 界面进行剪切，可完成约1 2 5 m m 的最大剪切位移。 p e t e r s o ne ta 1 ( 1 9 7 6 ) 用大小为1 0 2 m m x l 0 2 m m 的d s b 装置对砂土混凝土界面 进行了大量试验，研究了影响界面性状的基本因素。他们用水淹没界面，然后在排水 和常法向应力的条件下进行剪切，最后达到了1 2 5 m m 的剪切位移。这些试验分析了 法向应力、界面粗糙度和土的特性对界面性状的影响，为砂土混凝土界面的摩擦角 提供了许多数据。 同年，p e t e r s o ne ta 1 ( 1 9 7 6 ) 又证明了c l o u g h & d u n c a n ( 1 9 7 1 ) 建立的描述界 面性状的双曲线模型的有效性，并提出了模型的参数。直到今天，这些参数仍是对界 面研究的重要资料而被许多学者所采用( e b e l i n ge ta 1 ，1 9 9 3 ；e b e l i n g & m o s h e r ，1 9 9 6 ； e b e l i n ge ta 1 ，1 9 9 7 ；e b e l i n ge ta 1 ，1 9 9 7 ；e b e l i n g & w a h l ，1 9 9 7 ) 。 d s b 装置有两大优点：范围较广的适用性和相对简单的试验安装准备过程。因 此，它是界面试验研究的常用装置。表1 1 总结并给出了使用d s b 装置研究的相关 文献。当然，传统的d s b 装置也存在一些局限性。它能达到的最大相对位移相当有 限，所以要确定界面残余强度非常困难。另外，由土体容器的刚性环壁引起的边界效 应影响也会对试验结果造成一定的误差。 k i s h i d a & u e s u g i ( 1 9 8 7 ) 、f a k h a r i a n & e v g i n ( 1 9 9 5 ) 及e v g i n & f a k h a r i a n ( 1 9 9 6 ) 已经指出用d s b 装置不能直接测得土颗粒- 9 混凝土之间的实际滑动位移删( 图 1 1 l a ) 。而该装置测得的土盒- 9 混凝土试样之间的位移。锄。除了界面滑动位移外， 还包含了土体自身在剪应力的作用下由扭转产生的变形。 9 浙江大学申请博上学位论文第l 章绪论 a 删2 m 一ll 一 d - ( a ) d s b ll z 一l | 一 d k ( b ) d s s 图1 1 1d s b 和d s s 装置进行界面试验时土体扭转示意图 表1 1前人对土钢和土混凝土界面的d s b 试验研究 1 0 浙江大学申请博士学位论文第l 章绪论 研究了以下因素对界面的影 响：位移和剪应力的大小，加 裁循环次数。砂的初始密实度 2 、直接单剪仪 直接单剪仪( d i r e c ts i m p l es h e a rd e v i c e s ) 简称为d s s 装置。它在过去的二十年 里被广泛使用，主要用于砂土钢板和粘土钢板的界面试验。其中，砂土钢板的试验 对界面基本性状的研究提供了非常有用的依据。因此，这些试验的许多结果也被用于 研究砂土混凝土界面。表1 2 总结了以前学者用d s s 装置对界面性状进行的研究工 作。 d s s 装置的一个最大优点就是能分别测得界面总位移。一和土体扭转变形d i 。 ( 图1 1 1 b ) 。u e s u g i & k i s h i d a ( 1 9 8 6 ) 指出砂颗粒自身扭转产生的水平变形是测得 总位移的一个重要组成部分。d s s 装置的主要缺陷是：1 ) 界面应力不均匀分布；2 ) 试验准备复杂；3 ) 最大剪切位移有限，小于2 5 4 m m 。 表l ，2 前人对土钢和土混凝土界面的d s s 试验研究 浙江大学申请博上学位论文第1 章绪论 3 、大型直剪仪 s h a l l e n b e r g e r & f i l z ( 1 9 9 6 ) 对界面试验研制出一种大位移剪切盒( l a r g ed i r e c t s h e a r b o s ，简称l d s b ) ，如图1 1 2 所示。l d s b 类似于d s b 类型的装置，但界面尺 寸为7 1 l m m x 4 0 6 m m ，最大剪切位移能达到3 0 5 m m 。它已经被广泛用于粘土土工膜 的试验。与传统仪器装置相比，l d s b 有以下优点：1 ) 可以忽略边界效应；2 ) 最大 位移达到3 0 5 m m ，可以确定界面残余剪切强度；3 ) 剪切过程中无偏心法向荷载产生。 而这种装置的缺点是由于界面尺寸较大导致试验准备耗时很长，而且不能测得土样的 1 2 淅江太学申请博士学位论立 第l 章绪论 扭转变形，所以无法知道实际界面位移。此外，由于它允许的位移较大，因此还可以 用它进行法向应力分级加载的试验。 图l1 2 大型直剪仪( s h a l l e n b e r g e r 和f i l z , 1 9 9 6 ) g 6 m e ze ta l ( 2 0 0 0 ) 使用l d s b 对砂一混凝土界面进行了一系列试验，包括恒定 法向应力下单调剪切试验、恒定法向应力下往返剪切试验、分级施加法向应力剪切试 验、不同应力路径下的剪切试验。 a ) 单调加截单调剪切试验 b 】舟级加载单调剪切试验 f 浙江大学申请博士学位论文第l 章绪论 ( c ) 往返剪切试验 ( d ) 不同应力路径下的剪切试验 图1 1 3 不同应力路径下的砂一混凝土接触面剪切试验( g 6 m e ze ta 1 ，2 0 0 0 ) 图1 1 4 是法向应力不变条件下砂混凝土接触面单向剪切试验结果。试验结果反 映了峰值强度和残余强度的关系以及剪切初期剪应力随相对位移非线性增长的特性。 图1 1 5 是分级固结剪切试验结果，在固结过程中，虽然没有剪切位移发生，但土的 强度随固结而增加，接触面剪应力相对位移曲线呈阶梯式增长。图1 1 6 表明循环剪 切过程中抗剪强度基本不变，卸荷过程混凝土土界面表现出一定的粘滞特性，即有 残余的摩擦相对变形存在，卸荷刚度与初始刚度基本相同。 1 4 浙江人学申请博士学位论文 第l 章绪论 4 f _ - o 一 图1 1 5 法向应力不变条件下砂一混凝土接触面单向剪切( g 6 m e ze t a l ，2 0 0 0 ) d $ 傩 “坤 图1 1 6 砂- 混凝土接触面分级固结剪切试验( g 6 m e ze ta 1 ，2 0 0 0 ) 。+ 一 - - _ - 。衅k 翱_ 一斯科 图1 1 7 砂- 混凝土接触面循环剪切试验( g 6 m e z e ta i ，2 0 0 0 ) 1 5 浙江大学申请博士学位论文 第1 章绪论 张嘎( 2 0 0 2 ) 用大型土与结构接触面循环加载剪切试验对不同粗糙度下粗粒土一 钢板界面进行了研究。试验发现，粗糙度对峰值强度影响不明显，相对位移约5 m m 时，接触面达到峰值强度。粗糙度r = o 1 、1 和1 0 m m 下，接触面都未见明显的软化 现象。图1 1 8 和图1 1 9 分别为均匀砾与粗糙钢板接触面抗剪强度与法向应力的试验 关系及抗剪强度与法向应力的关系。 4 0 0 3 0 0 芷2 0 0 0 0 o 2 5 0 2 0 0 ，、1 5 0 盘- 苫1 0 0 5 0 o o1 02 0o 4 0 5 001 02 03 04 05 0 “( r a m )h ( r a m ) 图1 1 8 不同粗糙度对粗粒土一钢板单调剪切试验的影响( 张嘎，2 0 0 2 ) | l i r 。1 1 c r n l 毒 l p d 4 7 翌一 l ij 匕，之手二照 。辈燕麓? ：s 甓一 图1 - 1 9 均匀砾与粗糙钢板接触面抗剪强度与法向应力的试验关系与拟合结果( 张嘎2 0 0 2 ) 4 、其他装置 为了克服传统界面试验装置的缺点，一些研究人员发展了另外的仪器装置。 b r u m m u n d & l e o n a r d s ( 1 9 7 3 ) 使用了一种环形装置。在试验中，把试验土样装入外 面的环形容器内，在围压稳定的条件下按轴向拉动内部圆柱形柱心进行剪切。该装置 主要用于模拟土与桩体的剪切。但是，使用这种装置时需要复杂的准备工作，而且作 用在界面上的法向应力受结构物和砂的相对刚度影响，所以很难控制( k i s h i d a & u e s u g i ，1 9 8 7 ) 。 另外，h u c k & s a x e n a ( 1 9 8 1 ) 及y o s h i n d & k i s h i d a ( 1 9 8 1 ) 用圆形剪切装置( r i n g 1 6 瓣 燃 磁 燃 黝 燃 彩 浙江大学申请博士学位论文第1 章绪论 s h e a rd e v i c e s ) 进行了砂混凝土和砂一钢板的界面试验。该装置有以下优点：1 ) 界面 位移不受限制，可以测得残余剪切强度；2 ) 整个试验中可以按相同的界面进行试验； ( 3 ) 剪切时无偏心荷载。它的缺点是：1 ) 试验准备很复杂，尤其是对于砂混凝土界面 ( k i s h i d a & u e s u g i ，1 9 8 7 ) ；2 ) 土试验较小，易产生尺寸边界效应；3 ) 径向剪应力 不均匀( s t a r ke ta 1 ，1 9 9 6 ) ；4 ) 无法知道界面的实际滑动位移。 1 5 2 土拱效应 土拱效应只是一个概念，表示了路堤中不同区域填料之间通过相互作用的剪应力 而发生荷载转移的现象。目前，国内外学者采用不同的参数来表示土拱效应( l o we t a 1 ，1 9 9 4 ；h a n & g a b r ，2 0 0 2 ；陈仁朋等，2 0 0 7 ) ，可以相互换算。其中，比较常用 的是桩土应力比( s t r e s sc o n c e n t r a t i o nr a t i o ) 和桩体荷载分担比( 1 0 a ds h a r er a t i oo f p i l e ) 。 桩土应力比是桩托板上平均土压力与桩间土上平均土压力的比值，桩体荷载分担比为 基桩承担的路堤荷载与基桩处理范围内路堤总荷载的比值。桩土应力比与桩体荷载分 担比在表示土拱效应方面是有差别的。桩土应力比越大，表示土拱效应的发挥程度越 高。桩体荷载分担比越大，表示桩承担的路堤荷载份额越大，但并不表示土拱效应发 挥程度高，因为桩体荷载分担比考虑了桩托板面积大小，而桩土应力比消除了桩托板 面积大小的影响。 h e w l e t t & r a n d o l p h ( 1 9 8 8 ) 通过模型试验，研究了路堤中的空间土拱效应，他 们用干砂模拟路堤填料，用方木块、塑料泡沫材料分别模拟桩和桩间土。根据试验观 测到的现象，他们将路堤中的土拱理想化为半圆形球拱，并认为拱顶、拱脚的土体达 到极限状态，建立了求解土拱效应的解析方法，得到了荷载分担比的计算公式，并与 试验结果作了对比。但是h e w l e t t 没有考虑桩托板的作用，在分析过程中假定砂填料 处于极限状态，但此时并不满足土体的受力平衡条件。 英国标准b s 8 0 0 6 根据h e w l e t t 的土拱理论，提出一个“临界高度”的概念，如图 1 2 0 所示，为稳定的半圆拱影响区图。由这一概念要求具有足够高度的填土，才有条 件发展形成完全拱，土拱以上的任意荷载或超载也不会对桩间产生影响，而荷载只传 递作用到边缘支承点桩托板上。其临界高度以为： 皿1 4 ( 鼠一6 ) ( 1 1 ) 1 7 浙江大学申请博上学位论文第1 章绪论 式中，瓯为桩间距；b 为桩托板宽度。b s 8 0 0 6 对土拱分析计算，引用了m a r s t o n 的 关于埋入式刚性管道的土拱应力计算公式。 图1 2 0 半圆拱影响区图( b s8 0 0 6 ，1 9 9 6 ) 刘吉福( 2 0 0 3 ) 从粉喷桩复合地基中桩顶沉降量小于桩间土沉降量，存在沉降差 的情况出发，根据路堤填土的竖向受力平衡条件，获得了计算荷载分担比的表达式， 但计算时必须先知道桩土沉降差，而这桩土沉降差只能凭经验来确定。 陈云敏等( 2 0 0 4 ) 从单桩有效处理范围内路堤受力平衡出发，改进了h e w l e t t 的 空间土拱极限分析方法，研究了桩托板大小、桩间距和填料内摩擦角对桩体荷载分担 比的影响，并与h e w l e t t 的极限分析法作了对比。 彰h 图1 2 l 桩体荷载分担比随桩间距的变化( 陈云敏等，2 0 0 4 ) 陈福全等( 2 0 0 7 ) 认为土拱效应是三维空间问题，假定土拱是以对角桩的桩心连 浙江火学申请博士学位论文第1 章绪论 线为直径的半球环，边界条件与h e w l e t t 的假定有所不同，并以此为出发点，对h e w l e t t 塑性点出现在桩顶时的土拱效应计算方法作出改进。但没有考虑桩土沉降差对荷载分 担比的影响。 以上这些研究还是比较初步和简单的，并且只侧重对路堤土拱效应的研究，没有 对桩承式路堤进行整体分析。 1 5 3 桩基负摩阻力 当桩侧土发生相对于桩向下的位移时，桩侧就产生负摩阻力。桩基负摩阻力研究 的关键问题在于中性点位置及负摩阻力分布模式的确定。桩基负摩阻力问题的一个重 要特点是负摩阻力随地基土固结处于一个变化过程中，桩顶荷载大小、施加时间对负 摩阻力的大小、中性点位置都有重要影响( f e l l e n i u s ，1 9 7 2 ；f e l l e n i u s ，1 9 7 5 ；f e l l e n i u s ， 1 9 7 9 ；f e l l e n i u s ，1 9 8 4 ；f e l l e n i u s ，2 0 0 6 ) 。早期学者研究桩基负摩阻力时，常常根据 经验假定中性点的位置，并认为负摩阻力达到了极限值，没有考虑负摩阻力的时间效 应及桩土相对位移的影响( t e r z a g h i & p e c k ，1 9 6 7 ) 。p o u l o s & m a t t e s ( 1 9 6 9 ) 、p o u l o s & d a v i s ( 1 9 8 0 ) 基于m i n d l i n 解，利用弹性理论求解了桩基负摩擦问题，但弹性理论 无法考虑桩土之间复杂的相互作用。s e e d & r e e s e ( 1 9 5 7 ) 最早应用荷载传递法求解 了软土中桩的负摩阻力问题，在此基础上，a l o n s oe ta 1 ( 1 9 8 4 ) 、w o n g & t e h ( 1 9 9 5 ) 分别用双折线、双曲线模拟桩土之间的荷载传递关系并求解了桩身负摩阻力。周国林 ( 1 9 9 1 ) 采用桩土荷载传递的理想弹塑性模型，求解了均质地基中的单桩负摩擦问题。 王建华等( 2 0 0 0 ，2 0 0 1 ) 和高绍武等( 2 0 0 5 ) 基于b i o t 固结理论和积分变换方法分 别求解了单层和层状饱和土中的桩基负摩擦问题。周万欢( 2 0 0 5 ) 采用一维固结理论 分析地基中有效应力和变形随时间的增长，结合桩土界面剪切模型，建立了桩和土之 问的荷载传递平衡方程，得到了问题的d q m 解，并利用该模型对桩基负摩擦问题进 行了分析。曹卫平( 2 0 0 7 ) 对传统桩土荷载传递双曲线模型进行了改进，分析了大面 积堆载下地基土固结过程中桩身摩阻力问题。 但是上述研究都没有考虑桩托板，而且由于桩土刚度的差异，桩承式路堤中出现 了土拱效应，且土拱效应在路堤填筑过程及地基土固结过程中一直在变化，即桩和桩 间土承担的路堤荷载大小有一个逐渐调整的过程，这决定了其桩侧负摩阻力的变化比 较复杂，目前还鲜见专门针对桩承式路堤负摩阻力研究方面的报道。 1 9 浙江大学申请博士学位论文第1 章绪论 1 5 4 桩承式路堤共同作用的解析方法与数值分析 池跃军等( 2 0 0 2 ) 通过现场试验分析了荷载作用下桩身轴力、沉降、桩土荷载分 担比的变化规律，在试验结果的基础上考虑桩、土的荷载传递基本微分方程并给了解 答，但是在分析过程中没有考虑垫层中的土拱效应。 雷金波等( 2 0 0 5 ) 基于单桩承载力试验的受力模式，采用荷载传递函数法，对桩 承式路堤桩土相互作用的力学性状进行了线性分析，得到了桩体沉降、桩托板下土体 的竖向位移、桩托板间土体的竖向位移、桩身轴向应力、桩托板下土体的竖向应力、 桩托板间土体的竖向应力、桩身侧摩阻力等与荷载水平、深度之间的控制微分方程， 并得到其解析表达式。但因基于单桩承载力的受力模式，没有考虑桩承式路堤中桩间 土会对桩产生负摩擦力作用的特性，与实际工程中的受力模式有一定的出入。 曹卫平等( 2 0 0 6 ) 基于最小势能原理，分析了路堤填土、水平加筋体、桩( 桩顶 托板) 及桩间土之间的相互作用，研究了桩间距、路堤高度、桩顶托板宽度、路堤填 土剪切模量、水平加筋体拉伸强度及桩土相对刚度对桩体荷载分担比的影响，并指出 设计桩承式路堤时主要应通过增大路堤高度与桩间距之比及桩顶宽度与桩间距之比 来提高荷载分担比。 y ue ta 1 ( 2 0 0 6 ) 在j o n e s 的基础上提出了可以考虑加筋体的桩承式路堤理论方法， 提出桩土荷载分担比和路堤沉降的计算公式，但该方法主要是针对上部路堤研究的， 没有考虑桩与地基土体的相互作用，无法确定桩侧负摩阻力和桩身轴力。 c h e ne ta 1 ( 2 0 0 8 ) 把桩承式路堤中的路堤、桩、软土看作一个整体，综合考虑 路堤填筑材料中的土拱效应和桩土的荷载传递性状，建立了路堤托板桩土体分析模 型和应力应变的协调平衡方程，针对一维路堤荷载情况提出了比较完整的桩土荷载分 担比、桩的受力及沉降等的计算方法。 上述研究，虽然已经考虑了桩承式路堤各组成部分之间的相互作用，但由于整个 体系非常复杂，尚未考虑固结问题。随着近年来计算机技术的发展，有限元方法则为 桩承式路堤固结性状的研究提供了一种有效的手段。 h a r t & g a b r ( 2 0 0 2 ) 采用有限差分计算程序f l a c2 d ，按单桩轴对称模型分析 了在路堤高度、桩身模量和水平加筋体本身刚度不断变化时水平加筋体对土拱效应、 沉降、沉降差的影响，计算结果表明( 如图1 2 2 和图1 2 3 ) ：与水平加筋体不存在的 情况相比，水平加筋体能有效地促进荷载从桩间土传向桩顶，提高荷载分担比，减小 2 0 浙江大学申请博上学位论文 第1 章绪论 桩顶和路堤表面的沉降和沉降差。但其在分析中没有考虑桩顶托板的作用，对桩端存 在下卧软弱土层的情况也没有进行分析。 图1 2 2 沉降差随桩体模量的变化图1 2 3 桩土应力比随桩体模量的变化 w h i t ee ta 1 ( 2 0 0 5 ) 用p l a x i s 有限元软件详细分析了路堤中的平面土拱效应， 研究发现水平加筋体的作用很小，桩间土上荷载转移到桩托板上的大小与桩土差异沉 降成正比。 陈仁朋等( 2 0 0 5 ) 将单桩处理范围及上部路堤等效为圆柱体，并假定地基软土及 路堤均为m o h r - c o u l o m b 弹塑性材料；格栅、桩及桩托板为线弹性体。假定路堤荷载 瞬时施加，用p l a x i s 有限元软件分析了打穿及未打穿软土层两种情况下，地基中初 始超静孔隙水压力分布及消散，格栅受力和地基土体变形及路堤沉降等，并对桩长、 桩间距和桩托板大小等因素作了分析。研究发现，桩长是控制路堤沉降的最主要因素， 其次是桩间距和桩托板尺寸。 夏元友和芮瑞( 2 0 0 6 ) 在现场试验的基础上用f l a c3 d 软件比较了桩网复合地 基和桩承式路堤，揭示了不同处理方式桩顶平面沉降变形的特性，同时对桩体的应力 进行了对比研究。研究发现：1 ) 采用桩网复合地基形式，桩体上刺入量大，图形呈 现“钉板”状，上刺现象明显；而桩承式路堤出现“蘑菇”状突起( 图1 2 4 和图1 2 5 ) 。2 ) 桩网复合地基对周围影响较大；加设桩托板的管桩路基路堤外侧沉降小，加载几乎不 会造成周围土体沉降。3 ) 桩网复合地基轴力形式为“纺锤型”，上下两头小中间大； 而桩承式路堤桩体轴力下端较小，中间略大，上部和中部大小变化不大。4 ) 桩网复 合地基处理方式桩侧负摩阻力较大，发生的深度也较深，超过了桩体长度的一半以上； 2 l 浙江大学申请博学位论文 第1 章绪论 桩承式路堤桩侧债摩阻匀转小，与艟体下部出现的正摩阻力相比可以忽略 蕊一) 1 0 麟2 0 2 5 田l2 4 桩网复合地基“钉板”状刺入( 夏元友和芮瑞，2 0 0 6 图12 5 桩承式路堤“蘑菇”状突起( 夏元友和芮瑞，2 0 0 6 陈仁朋等( 2 0 0 7 ) 将单桩处理范围及上部路堤等效为圆柱体，采用p l a x l s 有限 元软件研究了桩承式加筋路堤应用中的几个关键问题，包括桩承式路堤的沉降组成和 分布规律、适用条件、桩体荷载分担比的影响因素等。研究了未打穿软土情况下不同 路堤高度时的路堤沉阵规律，发现路堤沉阵主要决定于桩端以下软土层的压缩。分析 了在软土层打穿和未打穿两种情况下荷载分担比随桩托板尺寸，桩闯距、路堤高度等 因素变化的规律。 15 5 桩承式路堤试验 h e w l e t _ t r a n d o l p h ( 1 9 8 8 ) 通过模型试验，研究了路堤中的空问土拱效应。他 们用干砂模拟路堤填科，用方木块、塑料泡竦材料分别模拟柱和桩闻土。在h e w l e a 模型试验及理论分析的基础上，l o w 眦a i ( 1 9 9 4 ) 制作了平面土拱效应试验装置，如 新大学申请博学位论文 第1 章结论 田12 6 所示干砂、长木块及泡沫材j 卑被分别用来模拟路堤填料，桩梁和桩问土。 在试验时使用了水平加筋体，并且研究了路堤高度桩粱间距对土拱效应的影响。此 外，考虑了桩间土土压力分布的不均匀性，将h e w l e t _ 【空间土拱效应计算方法退化到 平面应变状态下，并与试验结果进行了比较，发现当没有使用水平加筋体时，计算结 果与试验结果比较接近，而使用水平加筋体时，计算结果与试验结果差别较大。但没 有研究土拱效应对桩承式路堤变形性状的影响，也没有指出试验得到的桩土应力比对 应的桩土相对位移 p m ? 攀；d f | ；蚤嬉；s 器 搿媳暑暑器；器；琢 围l2 6 平面土拱效应试验装置( l o w na l ，1 9 9 4 c h e w 乱a l ( 2 0 0 4 ) 进行了几乎足尺的模型试验( 图12 7 ) ，采用了接近于工程实 际的土作为路堤填料，重点研究了水平加箭体的作用，发现水平加筋体的变形曲线接 近于悬链线，使用水平加筋体能增强土拱效应。但在路堤填筑到预定高度时，将水平 加筋体下的桩间土全部挖去，印完全不考虑桩闸土的承载作用，与工程实际情况不符， 因而得到的结论值得商榷。 瑟 a ) 模型试验坑及模型桩( b ) 模型试驻柱及水平加筋体 图l2 7 空阿土拱效应试验装置( c h e we ta l ，2 0 0 4 浙江大学申请博士学位论文 第1 章绪论 o r i a n n ee ta 1 ( 2 0 0 5 ) 采用与l o we ta 1 ( 1 9 9 4 ) 相似的试验装置，采用类比材料 ( a n a l o g i c a ls o i l ) 研究了土拱效应，但类比材料与实际路堤填料相差很大，因此试验 所得结果可能难以直接应用。 曹卫平等( 2 0 0 6 ) 用干净中粗河砂作为路堤填料，对平面土拱效应进行了模型试 验研究( 图1 2 8 ) 。研究指出，桩土应力比存在上、下限，随着桩土相对位移增加， 桩土应力比先增大，达到峰值后逐渐减小，最终趋于稳定值。路堤高度与桩梁净间距 之比越大，桩土应力比越大。桩梁宽度与桩梁净间距之比越大，桩土应力比越大，路 堤顶面差异沉降越小。水平加筋体能提高桩土应力比，水平加筋体拉伸强度较高时， 对桩土应力比的提高作用较大。对于平面土拱，等沉面约在1 4 1 6 倍桩梁净间距的 路堤高度处。 图1 2 8 桩粱模型试验装置( 曹卫平等，2 0 0 6 ) 1 6 本文的主要工作及创新点 桩承式路堤是由上部路堤填土、托板、桩和地基土共同组成的受力体系，其各组 成部分之间的相互作用关系比较复杂。从现有研究成果来看，主要集中在对土拱效应、 水平加筋体、桩土相互作用等几方面，少数学者将桩承式路堤的各组成部分联系起来， 进行了较全面分析，但这些解析方法都没有考虑地基固结对桩承式路堤工作性状的影 响。虽然使用有限元软件可以进行模拟，对其规律性的研究十分有益，但因在计算过 程中建模和参数选取比较复杂，同时受到计算机容量的限制，对于固结问题的计算耗 浙江大学申请博上学位论文第1 章绪论 时很长，较为不便。目前，桩承式路堤的工程应用日益广泛，而实际工程设计仍凭经 验或根据以往理论方法来桩土荷载分担后，沿用传统刚性基础复合地基或常规复合地 基的沉降分析方法，其分析结果与实际往往存在较大误差，没有考虑地基固结引起的 桩承式路堤工作性状的变化。因此，开展能反映实际情况的深入研究，提出适合桩承 式路堤自身特点的理论计算方法，显得十分必要。 本文在国内外学者研究成果的基础上，首先通过软粘土混凝土界面剪切试验研 究了桩土界面的剪切特性，然后通过有限元分析了桩承式路堤的固结规律，建立了考 虑路堤托板桩地基耦合作用的桩承式路堤半解析固结理论模