（岩土工程专业论文）疏桩支撑路堤结构基底荷载作用效应分析.pdf

摘要 摘要 疏桩支撑路堤结构是近年来在软土地区发展起来的一种新型路堤型式，相对传统复合地基，具有深层 加固、有效“减沉”、经济合理等明显优势；目前，在国内外已开始j “泛应用。疏桩支撑路堤中基桩荷载 水平高、基底刚度差异大和路堤结构性强的综合作用，使得路堤中“土拱效应”对其基底荷载作用效应的 影响机制和路堤的结构抗力分析成为这一技术的关键问题。 本文基于路堤结构的性能特征，分别从土拱效应、基底结构抗力与稳定和垫层效应几个方面对疏桩支 撑路堤结构的基底荷载效应进行了分析。 首先，在理论分析的基础上，结合室内土工与材料试验，科学评价了石灰改良土路堤的结构性能，提 供了准确的基础参数； 其次，对桩顶平面上路堤部分的荷载转移特征进行了研究，提出了柱面剪应力转移模型的粘聚力强度 修正模型，并结合w i n k l e r 地基模型建立了基底变形协调的荷载作用效应值迭代求解的方法，明确了基底 的荷载分担； 此外，采用相对刚度判别方法分析了疏桩荷载作用下的路堤破坏模式，建立了强度特征破坏模式下承 载力塑性解修正的路堤结构抗力计算模型和变形特征破坏模式下基于孔穴扩张理论的结构抗力计算模型， 基于荷载作用效应值和结构抗力，评价了路堤结构的稳定性； 最后，基于刚性基础和柔性基础结构特征对疏桩垫层影响机理分析，就疏桩桩帽结构支撑路堤的垫层 效应进行了辨识，得出了传统碎石垫层塑性流动特征，不再适用于柔性路堤基础结构的结论。 关键词：疏桩；土拱效应；路堤；垫层；抗力分析；桩土应力比；桩帽 a b s t r a c t t h es p a r s ep i l es u p p o r t e de m b a n k m e n ti san e wt y p eo fe m b a n k m e n t t h es y s t e mh a sb e e ni n c r e a s i n g l yu s e d t oc o n s t r u c th i g h w a y so ns o f ts o i l si nr e c e n ty e a r sw o r l d w i d ed u et oi t sd e e p e rr e i n f o r c e m e n t , m o r ee c o n o m i c a l ， a n ds m a l l e rt o t a la n dd i f f e r e n t i a ls e t t l e m e n t so v e rt r a d i t i o n a ls o f ts o i l st r e a t m e n tm e t h o d s w i t h i ns u c hap i l e d e m b a n k m e n tt h ep i l e su n d e r t a k eh i l g hl o a d , t h es t i f f n e s so fp i l e sa n ds o i l sa r es i g n i f i c a n t l yd i f f e r e n t , a n dt h e e m b a n k m e n ts t r u c t u r a lb e h a v i o ri sg r e a t s i n c ec o m p r e h e n s i v ea c t i o no ft h e s ef a c t o r s ，t h ei n f l u e n c e do fs o i l a r c h i n ga n dr e s i s t a n c eo fb a s e m e n th a v eb e e nb e c o m ek e yp r o b l e m sf o rt h i sn e wt e c h n i q u e t h ep a p e ra n a l y z e dt h el o a d i n ge f f e c to fb a s e m e n tf r o ms e v e r a la s p e c t ss u c ha ss o i la r c h i n g , r e s i s t a n c ea n d c u s h i o n i n ge f f e c t ( 1 ) b a s e do nt h e o r e t i c a la n a l y z e da n dl a b o r a t o r yt e s t s ，t h es t r u c t u r a lb e h a v i o ro f l i m es o i l sw a ss t u d i e d ，a n d b a s i cp a r a m e t e r sw e r ep r o v i d e d ( 2 ) b ya n a l y z e dt h el o a d - t r a n s i t i o no fe m b a n k m e n t so np i l ec a p ，c o h e s i o nf o r c em o d i f i e dm o d e lo f c y l i n d r i c a ls h e a rs t r e s st r a n s f e rw a se s t a b l i s h e d w i t ht h ed e f o r m a t i o nc o m p a t i b i l i t yc o n d i t i o na n dt h eh y p o t h e s i s o fw i n k l e rf o u n d a t i o nm o d e l ，a ni t e r a t i o na l g o r i t h mf o rb a s e m e n tl o a dw a so b t a i n e d m a k e sc l e a rt h el o a ds h a r i n g b e t w e e np i l e sa n ds o i l s ( 3 ) t h ec o n c e p to ff a i l u r em o d ed i s t i n g u i s h i n gm e t h o dw i t hr e l a t i v es t i f f n e s sw a si n t r o d u c e dt od i s t i n g u i s h t h ef a i l u r eo fe m b a n k m e n t s a n dt h em o d i f i e dp l a s t i cs o l u t i o no fb a s e m e n tr e s i s t a n c ef o re m b a n k m e n tw a s o b t a i n e di n s t r e n g t hf a i l u r e ，a l s oo nt h eb a s eo fc a v i t ye x p a n s i o nt h ec a l c u l a t i o nm o d e lo fr e s i s t a n c ew a s e s t a b l i s h e di np u n c h i n gf a i l u r e w i t hl o a do fp i l e sa n dr e s i s t a n c eo fb a s e m e n tt oa n a l y z e dt h es t a b i l i t yo f e m b a n k m e n t s ( 4 ) d i s c r i m i n a t e dt h ec u s h i o ne f f e c to fc a p p e dp i l es u p p o r t e de m b a n k m e n to na n a l y z e dt h ei n f l u e n c e do f r i g i df o u n d a t i o na n df l e x i b l ef o u n d a t i o n a n df o u n do u tt h a tt h ep l a s t i cf l o wo fg r a v e lc u s h i o nw a sn o ts u i t a b l ef o r p i l e de m b a n k m e n t k e yw o r d s ：s p a r s ep i l e ，s o i la r c h i n g , e m b a n k m e n t , c u s h i o n ，r e s i s t a n c e ，p i l e - s o i ls t r e s sr a t i o ，c a p i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，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，也不包含为获得东南大学或其它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了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名： 墨逸垄导师签名： ，、 日期： 绪论 0 1 研究背景 绪论 近年来我国基础设施建设进入了快速发展的阶段，公路建设方兴未艾，截至2 0 0 5 年底全国公路通车 总里程达1 9 2 万公里，其中高速公路已超过4 万公里。国家十一五规划指出“我国将进一步完善公路网 络。重点建设国家高速公路网，基本形成国家高速公路网骨架。继续完善国道、省道干线公路网络，打通 省际间通道，发挥路网整体效率。公路总里程达到2 3 0 万公里，其中高速公路6 5 万公里。”国家高速公路 网中长期规划方案( 7 9 1 8 网) 亦指出，在未来三十年内，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、交通运输量需求较旺盛的东南沿海地区。 我国东部沿海地区的高速公路建设经常会遇到淤泥、淤泥质粘土等饱和软粘土的不良地质条件。该类 软土的孔隙比大、含水量高、渗透性差、压缩性高、承载力低，在工程实践中必须采取特殊的地基处理方 法进行处理。 表0 1 东部沿海地区饱和软粘土基本参数1 1 1 1 9 6 2 年，国际上首次提出天然地基( 基体) 与有限刚度桩体( 增强体) 组合的软土地基加同方案，称 之为复合地基( c o m p o s i t eg r o u n d c o m p o s i t ef o u n d a t i o n ) ，其涵义随着工程应用和理论研究而不断丰富和发 展。在软土地基加固处理中，传统复合地基加固方案应用十分广泛。然而，传统复合地基中竖向增强体的 刚度、有效加同深度和单桩的综合承载性能等相对传统桩基明显偏低，在某些特定( 软+ 性能差、厚度大； 荷载水平高；沉降要求严格等) 条件下，增强体与基体共同承担荷载时，一方面软弱基体可能承担过大的 荷载，使得部分地基土体在工作荷载阶段产生非线性变形或达到塑性变形阶段；另一方面可能导致竖向增 强体布置过密( 置换率过大) ，造价提高，技术合理性降低。随着我国东部沿海等这些深厚软十广泛分布 的地区上修建的高速公路、铁路越来越多。目前，这种以水泥土搅拌桩、碎石桩等柔性桩或半刚性桩为代 表的传统竖向加同体复合地基，由于竖向增强体刚度有限，以及施工机械的局限性，无论是工作机理上， 还是岩土工程技术上，处治深厚软土地基都出现明显的局限性。基于上述情况，疏桩支撑体系在岩土工程 中开始广泛的应用。 1 9 7 7 ，b u r l a n d & b r o m s 教授提出疏桩概念，并认为刚性低承台下采用少量基桩稀疏布置方案，就可 以将工作荷载作用下的基础沉降效应值减少到容许限值的要求范围内。之后的代表性研究成果【2 3 】进一步 指出，竖向刚度较大的桩土混合地基所需桩数不多，桩数进一步增加对减少最人沉降和差异沉降作用很小， 且桩距为缸8 倍桩径的基桩疏布方案，几乎与较小桩距时一样的有效，从而奠定了疏桩基础的技术支撑。 疏桩( s c a t t e r e dp i l e ) 基础系指大桩距( 一般桩距在6 倍桩径以上) 稀疏布置的低( 刚性) 承台摩擦群桩或端 承作用较小的端承摩擦桩与承台底土体共同承载的桩基础。疏桩基础中桩的设置用于补偿、改善天然地基， 合理调动浅层地基承载力“天然资源”，以控制建筑物沉降量、补偿浅层天然地基承载力不足，来确 定疏桩的补偿量，实现了桩基由强度控制向变形控制的转变。相对传统桩基础“有桩无土”的特点，疏桩 基础的疏化桩基布置，可大幅度减少用桩数量，降低丁程造价；由此可见，疏桩基础理论的实质就是在进 行软土地基桩基设计时，既要最大限度地发挥单桩极限承载力的作用，并达到控制沉降的目的，又要合理 发挥天然地基表层承载力的作用，达到疏化桩基的目的1 4 j 。疏桩深层荷载传递有效“减沉”和“协力”与 浅层天然地基承载力合理发挥的综合，理念上的科学性、技术上的先进性、资源上的节约型和环境方面的 友好型等特征毋庸置疑。 针对目前高等级公路工程建设的现状，高路堤荷载具有水平高、面积大、影响深的特征，深厚软土地 基工后沉降大和稳定周期长，利用传统增强体处理软弱地基出现明显的局限性，基于上述建筑领域刚性疏 桩的“减沉”理念，对深厚软土地基的处理出现了一种新犁的地基处理方式桩承式路堤。桩承式路堤 一般由刚性桩、桩项刚性托板( 桩帽) 或土工格栅加筋垫层等组成，为典型的多元组合结构，参见图0 1 。 东南人学硕士学位论文 由丁该种结构形式，刚性桩的间距一般较人( 5 “倍桩径甚至以上) ，因此亦可称作疏桩支撑路堤结构。 图0 1 典型桩网支撑路堤结构示意图 在该刚性疏桩支撑路堤结构犁式中，当路堤填筑剑一定高度后，路堤荷载通过垫层和桩帽的作用大部 分传递至桩顶，小部分分布至地表桩间土，因而路堤沉降大大减小；同时，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到一定程度后分期进行，这就可以人人加快施工进度，缩短 工期。此外，疏桩支撑路堤结构采用的桩间距较大，所以软基处理的费用不是很高。可见，疏桩支撑路堤 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，其在高等级公路建设工程中应用所带来 的社会和经济效益是相当明显的。 然而，目前疏桩支撑路堤1 ：程实践仍主要依赖于建筑疏桩基础的研究成果，但是两者的基底作用效应 存在显著差异；虽然已有少量的工程实例，但工程经验的总结和成果凝练刚刚起步，国内交通部门尚朱颁 布相应的设计规程，目前仅英国、德国、日本、北欧等一些国家对其设计、施二 制定了相应的规程p j ，应 用基础的研究工作可以说远落后于工程实践，适时地开展对刚性疏桩支撑路堤的研究实属必要。 o 2 疏桩支撑路堤结构的应用 疏桩支撑结构的发展历史虽然比较短，但其在工程中已有十分广泛的应用。总结起来，疏桩支撑体系 的主要应用范围有l o j ： ( 1 ) 路堤软土地基处理，如高速公路和铁路的所经地段的软土地基处理； ( 2 ) 桥台后过渡段软土地基处理，以防i ：出现“桥头跳车川现象； ( 3 ) 旧路改造中新路堤的地基处理，以防止新老路基过大的差异沉降； ( 4 ) 地基软弱下卧层处理，如房屋、码头等的软弱下卧层处理； ( 5 ) 大面积堆载下的软土地基处理，如大型油罐下的地基处理。 从二十世纪八十年代开始，刚性疏桩支撑路堤结构在国外开始了实践与研究，伦敦s t a n s t e d 机场的铁 路连接线加宽：i = 程1 7 l 、巴西圣保罗北部的公路拓宽工程【8 1 和荷兰的部分高速公路等均采用该种结构形式， 这些工程所在的位置往往都有土性比较差的下卧软土层，但处理效果良好。美国t e x a sa m 大学的 c e a u b e n y 通过查阅文献，也收集了人量国外的桩承式路堤的工程实例，详见表0 2 。 在国内，疏桩支撑路堤的应用刚刚起步，首先在沪杭甬高速公路拓宽t 程一期_ t 程中得到大规模的应 用【m 1 1 】，与常规的排水固结法、搅拌桩复合地基等处理方法相比，疏桩支撑路堤结构具有施i r = 方便、工期 短、易于调：f l 了和控制地基沉降量、侧向变形小、对老路堤的影响小，而造价与水泥搅拌桩基本相当等突出 优点，鉴于在该工程应用中疏桩体系诸多优点的充分体现，沪宁高速公路路基拓宽改造工程( 王斌等， 2 0 0 4 ) 、上海f 1 赛场1 1 2 】、苏沪高速公路【1 3 】、京珠高速公路( 广东段) 等工程中都得剑了广泛应用。 近年来，国内疏桩支撑路堤多采用p t c 预制薄壁管桩，相对传统地基加同技术，集约化程度显著提 高，施工环境更加友好，降低了上程建设难度，提高了施：r 质量控制水平，且超过一定加同深度( 一般认 为1 5 m ) 后，桩承路堤的疏布方案用桩量少( 总体造价低) 、有效加同深、控沉效果好和施工进度快等特 2 绪论 征更加显著，实现了技术可靠、经济节省和环境友好等目标追求上的统一。 表0 2 桩承式加筋路堤t 程实例9 l 0 3 疏桩支撑路堤结构的研究现状 o 3 1 疏桩支撑路堤结构的关键问题 疏桩支撑路堤结构是一个由基体、刚性桩( 带托板) 、加筋垫层和路堤填土共同组成的复杂系统，这 四部分相互作用，相互影响，其工作机理和应力应变特性非常复杂。目前，该结构型式在工程实践中的设 计理论仍主要依赖于建筑疏桩基础的研究成果，但是两者基底作用效应存在显著差异，针对路堤下的疏桩 支撑结构效j 踅研究存在不完善之处，其中对于路堤基底荷载效应的研究至关重要，不仅直接影响疏桩与天 然地基相互作用共同承载路堤荷载的分配问题，同时对一定厚度的有限刚度路堤的结构设置也有着显著影 响。 超载q 图0 - 2 疏桩支撑路堤荷载传递 由于桩和桩间软土的刚度存在较大的差异，在路堤荷载作用下，桩间软土上部的路堤填料相对桩帽上 3 东南大学硕j ：学位论文 填料会发生向下的位移趋势，这一趋势受到了桩帽上部路堤填料的约束作用，使得路堤填料内部应力重分 布，桩和桩之间的路堤填料内部形成十拱，桩间软土上部部分荷载通过土拱传递到桩帽上，使桩承受较人 的荷载，桩间软士上的荷载减小，这一荷载转移现象被t c r z a g h i 称为“土拱效应”。路堤填料中竖向土拱 效应的客观存在及其发挥程度，是疏桩支撑路堤结构上部路堤荷载传递得以实现的根本原因，是疏桩支撑 路堤结构工程应用的重要理论依据。 此外，路堤基底褥垫层以及桩顶桩帽的存在，客观上亦促使上部荷载向刚性疏桩的转移，是影响上部 路堤荷载转移的重要因素。褥垫层位于加固地基和路堤填土之间，是疏桩支撑路堤体系的一个关键部分， 与桩基础相比，设置了褥垫层可以保证桩土共同承担荷载，降低了对桩体的要求；褥垫层的性质与土拱效 应的发挥程度有密切的关系，直接影响到土拱转移荷载的效率。褥垫层对路堤基底桩土荷载效应的调整也 起了十分重要的作用。 因此，疏桩支撑路堤结构荷载效应的分析涉及到路堤内部士拱效应、疏桩刺入效应及稳定性、以及基 底垫层效应等，但截至目前，在疏桩支撑路堤结构基底荷载效应分析中，基于路堤结构特征的荷载传递机 理的研究仍十分少见，土拱效应对桩体应力集中影响的研究还不深入，甚至关于传统褥垫层在疏桩支撑路 堤结构中的作用还存在不同观点。可见，适时的开展对桩承路堤结构基底荷载效应的研究具有重要的意义。 o 3 2 路堤荷载效应研究现状 任何系统的阵列都不可避免的出现阻塞现象，如交通阻塞、颗粒材料的压密现象、恐慌出现时人群逃 逸的阻塞等等【l 卯。在路堤填土、土工加筋材料与桩体共同作用这样一个特定系统下，路堤荷载传递的真正 机制是路堤填士向下沉陷受剑了桩体的阻塞而造成的荷载转移现象，是路堤填筑材料堆载士拱效应的作用 机制。因此，路堤荷载传递的真正机制应是十拱效应，即填筑材料在自重和特定约束作用下的虑力重分配。 土拱效应是由于介质的不均匀位移引起的，土拱的形成改变了介质中的应力状态，引起应力重新分布 后，并把作用于拱后或拱上的压力传递到拱脚及周嗣稳定介质中去。国际上对十拱效应的通用定义是：应 力从十体的屈服部分迁移到邻近的未屈服部分或十体的约束边界。可见，土拱效应概括了疏桩支撑路堤的 特点，影响着路堤的荷载传递和沉降变形性状，是确定桩土荷载分担的关键，而同时桩土荷载分担也是反 应十拱效应的重要参数。 r o b e r t s ( 1 8 8 4 ) 首次发现的“粮仓效应”：粮仓地面所承受的力在粮食堆积高到一定程度后达剑最大 值并保持不变，这就是通常所说的r 十拱效虑。j a n s s e n ( 1 8 9 5 ) 用连续介质模型对这种十拱效应进行了定量 解释1 1 6 】。t e r z a g h i ( 1 9 4 3 ) 1 1 7 - 1 8 j 总结了前人的成果，将十拱效应的研究提高到了一个新的高度，首次提出 了等沉面的概念，并通过著名的活动门( 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，得出了士拱效应存在的条件：相邻七体单元产生相对位移： 作为支撑的拱脚的存在。h a n d y ( 1 9 8 5 ) 应用摩尔圆分析了士体中主应力方向变化后，指出土拱的形状 就像悬挂于两同定拱脚之间的悬链线。此后几十年间，不断有学者对土拱效应进行了研究，为对桩承路堤 中土拱效应进行深入研究奠定了良好基础。 目前，国内外用于疏桩支撑( 桩承式) 路堤分析的土拱模型主要有：m a r s t o n 或t e r z a g h i 土拱模型、 三角形( 四棱锥) 土拱模型、半球形土拱模型等。 o 3 2 1 m a r s t o n 埋管理论 m a r s t o n ( 1 9 1 3 ) 1 1 9 提出沟内埋管散体极限平衡条件下的竖向土拱压力模型。当埋管为刚性埋管的情 况时，在填土臼重和均布荷载作用下，沟壁两侧向下沉陷，而刚性埋管上部十体沉陷较小，管顶上部土柱 向上刺入十体中，沟壁两侧对土柱产生向下的拖拽力，填士一定高度出现等沉面。基于m a r s t o n 埋管理论， 英国最早建立了一套桩承式路堤的设计计算方法，填补了桩承路堤无设计规范的空白。刘吉福( 2 0 0 1 ) 【2 0 】 通过工程检验总结，基于m a r s t o n 模型建立了桩体上刺入模型，通过力学分析给出了桩十应力比公式和均 匀沉降面高度的计算公式，并根据实测桩顶平面的桩土相对位移计算得到了桩土应力比和沉降面高度。陈 仁朋、许峰等( 2 0 0 5 ) 2 1 懈路堤、桩、桩间土作为一个整体，综合考虑了路堤的拱效应和桩土荷载传递性 状，建立了完整解析模型，获得了桩土荷载分担、桩和士的沉降等结果。 0 3 2 2t r a p d o o r 谢猫! 模型 4 绪论 t e r z a g h i ( 1 9 4 3 ) 在前人研究成果的基础上，将十拱效应的研究提高到一个新的高度，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，揭示了剪应力是“土拱效应”荷载传递的主要机理， 图0 3 、0 - 4 和0 5 解释了这个概念。在图0 - 3 中，士体在刚性边界处没有相对运动的趋势，所以没有土拱 存在，点a 处应力就是上部覆七产生的应力丫h ，这里丫是土的重度，h 是十柱体的高度。当移走a 处的活 动门时，上部土体随之下陷，但由于和周围十体之间的剪应力的发展，约束了该下沉趋势的发展，最终达 到平衡( 见图o - 4 、0 5 ) 。这个荷载从变形部分传递剑静止部分的过程就叫成拱。 t e r z a g h i ( 1 9 4 3 ) 的t r a p d o o r 试验与m a r s t o n 埋管理论的研究思路极为相似，以简洁、独特的方式对 士拱效应进行了诠释，以至于t r a p d o o r 成为土拱效应的代名词。在此后几十年间，不断有学者对其进行研 究，为我们对疏桩支撑路堤结构中土拱效应的深入研究奠定了良好的基础。 图0 3 活动门试验演示模型图o - 4 抽走活门时的临时水平土拱 反拱 图0 5 平衡后形成反拱 0 32 3 三角形( 四棱锥) 士拱模型f 2 2 l 三角形拱、四棱锥模型示意图如图0 6 、0 7 所示。图0 6 中，两桩桩顶由于路堤荷载的作用在桩顶形 成倒梯形的土柱，土柱荷载由桩体承担，中间三角形- 十体荷载由桩间土或加筋体承担。采用这一方法的有 c a r l s s o n ，c a r d 等，该土拱模型计算较为简单，但仍属于二维模型，其中顶角的假定也是凭经验确定的。 图o 7 所示为正四棱锥土拱模型，其中中部四棱锥十体荷载由桩问土或加筋体承担，其它荷载由桩体承担。 g u i d o 等人利用该模型对土拱效应进行了研究。 图0 - 6 三角拱模型示意图 5 图0 7 四棱锥模型示意图 东南大学硕j ：学位论文 o 3 2 4 半球形十拱模砸1 1 4 j 1 4 半球形十拱模型示意图如图0 8 所示，h e w l e t t & r a n d o l p h ( 1 9 8 8 ) 用模型试验分析了砂填料在正方形 布置的刚性桩支撑路堤中的空间土拱效应，假定相邻四桩间的空间拱为支撑于此四桩帽上的半球形土拱， 认为塑性破坏点不是在拱顶就是在桩帽顶的拱脚处，并进一步获得了桩的荷载分担比的计算式。 图0 8 半球形士拱模型示意图( h e w l e t t & r a n d o l p h ，19 8 8 ) 但h e w l e t t 和r a n d o l p h 在分析过程中假定土拱为球对称半球拱且填料处于极限平横状态，而这不满足 竖向受力平衡条件。陈云敏等( 2 0 0 4 ) l 2 3 | 修正了h e w l e t t & r a n d o l p h 的方法，引进了系数a 以满足竖向平 衡条件，并研究了桩问距、桩帽人小和填料内摩擦角对桩体荷载分担比的影响。l o w 等( 1 9 9 4 ) 1 2 4j 通过模 型试验比较了加筋体存在与否情况下桩梁中土拱效应，将三维半球土拱模型二维化，也分析了桩士荷载分 担的情况，但与疏桩支撑路堤的三维土拱效应并不相同。 o 3 3 褥垫层技术研究现状 褥垫层技术是疏桩支撑结构的核心技术之一，其设置的合理与否对路堤荷载的传递也将产生直接的影 响。一般常采用一定厚度碎石加一层或多层水平十工格珊组成的加筋碎石垫层。在建筑工程中，对于刚性 基础( 承台) 和桩体不直接相连的分离式疏桩基础有着广泛的应用，并取得良好效果，目前桩承路堤也是 沿用了这种建筑工程中的设置方法。 褥垫层由于其显著的褥垫作用( 垫层材料的塑性流动效应) 和桩体的刺入效应，更加合理地分配了桩 土之间荷载。主要宏观特征为：显著降低了加载初期的桩顶应力集中现象，避免了桩体破坏，同时有效地 实现了桩问基体承载能力的早期发挥，实现了疏桩桩土加载全过程的共同承载。 图0 - 9 桩台荷载效应 尽管疏桩基础，尤其是分离式疏桩基础研究与应用发展的很快，但是垫层的设计目前仍主要基于经验 或现场试验。多数学者认同垫层技术的重要作用，并根据垫层调整作用分析【2 5 1 ，指出当厚度小于2 0 c m 时， 其厚度的减小对桩土应力比影响很大；当厚度大于4 0 c m 时，其厚度的增加对桩土应力比调节作用变化不 大；厚度2 0 4 0 c m 是桩土应力比对垫层厚度变化反应敏感程度的分界区间。张波( 2 0 0 6 ) 【2 6 】假设基础与垫 层材料的摩擦系数为0 2 5 - 4 ) 4 5 ，通过试验研究认为，垫层厚度不小于1 0 c m ，桩体不会发生折断，复合地 基比天然地基抗水平力的能力更强。在实际：i 二程中，垫层厚度一般取3 0 c m 左右，根据上部结构荷载大小 可做适当增减，使得刚性桩能适当减小应力集中的程度。 垫层材料，以颗粒类材料为主，发挥其流动性好的特征，且一定范围内模量愈低，荷载分配的调整作 6 绪论 用愈明显。同时，大量现场试验表明，垫层材料刚度愈高( 碎矛i 混合料) 、整体性( 素混凝十垫层) 愈好， 相对传统纯砂垫层的承载性能明显改善，充分说明了垫层性质好坏对复合地基影响比较大1 2 。 其它许多学者也分别从不同角度对褥垫层在地基基础受力性状中的作用进行了研究。李宁等( 2 0 0 0 ) 【2 8 】利用数值分析的方法，系统研究了4 种模晕的代表性群桩基础( 极柔性桩、一般柔性桩、半刚性桩、刚 性桩) 施加垫层后的承载性状，分析了垫层在地基基础中的加同机理与作用，并分别就垫层的模量和厚度 对桩土应力比的影响进行了详细的分析，提出了利用褥垫层对地基基础承载力进行优化设计的基本方法与 思路。 李进军等( 2 0 0 3 ) 1 2 9 j 通过分析褥垫层的作用机理，简化分析，从变形协调的角度对复合地基褥垫层厚 度和桩十应力比的关系进行了理论推导分析，并采用在水泥土桩单桩复合地基载荷试验中设置不同厚度、 刚度垫层的方法，研究了垫层作用下桩十应力比的分布规律，验证了理论分析成果。 张建伟( 2 0 0 5 ) 1 3 0 l 通过有限元数值模拟，分析了桩土沉降与荷载之间的关系，获得了垫层厚度及其压 缩量对桩七应力比、桩十沉降等的影响规律。 朱奎等( 2 0 0 6 ) 1 3 1 1 通过静载荷试验，对有无垫层两种情况下刚一柔性桩地基基础的性状进行对比研究， 发现有褥垫层刚柔性桩地基基础的桩土共同作用情况优于无褥垫层的情况。 综合垫层模量和厚度对地基基础性状的影响来看，随着垫层模最的增大，桩土应力比也是增人的，并 且当模量增大到无穷大时应力比趋向一定值，此时地基模式可视为刚性承台的桩基形式；随着垫层厚度的 增加，桩十应力比减小，当垫层为零时与垫层模量趋于无穷时情况相同，也可视为桩基形式【3 2 1 。可见，褥 垫层的设置对桩土应力比有直接的影响，对上部荷载的转移亦产生着重要的作用。 此外，许多学者也针对刚性基础一f h i j 性桩体对垫层的刺入变形以及褥垫层的破坏模式进行了大量的研 究。毛前等( 1 9 9 8 ) 1 3 3 】根据刘绪普( 19 9 5 ) 提出的运用v e s i c 小孔扩张理论计算桩端刺入量的方法计算桩 项刺入量，并对这一方法的设计应用进行了探讨。王年云( 1 9 9 9 a ) p 4 1 在探讨垫层最大厚度时，采用了如 t e r z a g h i 破坏模式。桩项向垫层刺入时，当垫层厚度相当大时，承台底面不与滑动面接触，桩顶垫层内土 体的滑动面形状符合t e r z a g h i 对数螺旋线的破坏模式；当垫层厚度不大时，承台底面与滑动面相交，承台 底面与滑动面顶点刚接触时的垫层厚度是可取的最大值，基于t e r z a g h i 的滑动面形状，利用极限平衡方法 所得到的极限承载力公式给出垫层厚度的最大值。通过采用上述相同原理和滑动面形状，亦可得到垫层内 摩擦角的上限值及垫层的最小厚度【35 1 。在之后，基于t e r z a g h i 滑移线理论分析垫层桩体刺入思路，针对工 程中常见的垫层较薄的情况，建议了一种破坏模式m a n d e l 与s a l e n c o n 破坏模式【3 6 1 。m a n d e l 与s a l e n c o n 破坏模式发生的条件是当土层下埋藏着粗糙刚性层且基底下土层的厚度较薄，地基破坏时的滑动面受到限 制的情况。m a n d e l j 与s a l e n c o n j 利用塑性理论并借助于数值积分的方法，对粗糙刚性基底提出了极限承载 力公式。刚性桩复合地基一般要求桩端落入硬土层、且桩间距尽虽大疏桩布置。因此假定了桩端土层 坚硬，桩顶向垫层刺入，产生了极限平衡区并处于极限平衡状态，符合m a n d e l 与s a l e n c o n 破坏模式。池 跃君( 2 0 0 1 ) 1 3 6 1 着重对垫层参数与桩土应力比n 之间的相互关系进行了讨论。王风池( 2 0 0 4 ) p 7 l 则对垫层 破坏模式进行了讨论，并对垫层最小厚度和扩散影响宽度确定进行了分析。 近期也有学者大月f 提出了新的见解，郑俊杰等( 2 0 0 3 ) 3 s j 将分离疏桩基础中的桩与土视为一整体结构， 桩土之间的应力分配变化，亦可看作是整个结构的内力调整，只是桩与土间安全储各的转移，对于整个分 离疏桩基础的承载能力来说并无影响，仅仅是对沉降量大小有一定影响。同时，基于建筑物控制沉降差更 为关键的观点，认为这一沉降量大小影响极为有限。并进一步指出了，当桩为摩擦桩或端承摩擦桩时，分 离疏桩基础不设褥垫层比设垫层更安全和经济的观点。工作荷载作用下，褥垫层设置降低桩体应力集中水 平，是确保疏桩的桩身结构稳定措施之一。也有学者提出新的观点，杨素春( 2 0 0 4 ) 3 9 1 通过c f g 桩单桩和 三桩复合地基静载荷试验，采用5 - 2 0 c m 厚度的褥垫层进行试验，发现褥垫层较薄时，沉降变形明显降低， 且桩头并未破坏。并进一步指出，垫层5 c m 厚时，c f g 桩体反向刺入均大于1 5 c m ，说明并未发生过火应 力集中，因此工程实践中可尝试减小褥垫层的厚度，通过合理利用桩体的承载能力，来有效控制建筑物的 沉降。因此，无论是分离疏桩桩土共同作用，还是疏桩桩身稳定，是否设计垫层和垫层厚度影响机制，仍 存在不同观点。 从以上研究成果可以看出，目前大多研究主要集中于刚性基础一f ( 特别时分离式疏桩基础) 的褥垫层 技术，对路堤土二 结构下的垫层技术研究较少。而路堤土工结构一般可视为柔性基础，工作性状较刚性基 7 东南大学硕十学位论文 础有很人的区别，这就导致了褥垫层的影响效应也有所差别。龚晓南( 2 0 0 2 ) 【4 0 l 通过基础刚度对疏桩基础 的影响的研究，认为在柔性基础下的疏桩顶有必要设置垫层，但在柔性基础下刚性疏桩基础的垫层应具有 一定的刚度和劲度，他建议柔性基础下宜在刚性疏桩上设置一层灰土垫层或加筋土垫层。而何良德等人 2 0 0 6 ) 1 4 l 】在苏一沪高速公路疏桩基础处理工程中，通过自由带帽p t c 管桩和双带帽p t c 管桩疏桩基础 的现场足尺试验研究，建议取消碎石垫层，但并未在工程中应用。可见，截至目前关于路堤下刚性疏桩基 础垫层的设置仍无定见。 o 4 存在的问题 通过以上对国内外研究的综述和分析，路堤荷载下刚性疏桩补偿地基结构理论和应用还存在以下一些 问题有待进一步解决： ( 1 ) 路堤结构特征的研究分析。正确的认识路堤结构与建筑工程刚性基础( 承台) 的性状差异，是将 建筑领域的疏桩基础理论合理引入与应用于道路工程的关键所在； ( 2 ) 路堤基底荷载效应的分析。合理的考虑桩体( 帽) 与桩间十的荷载分担问题是刚性疏桩支撑路堤 结构应用的第一步，涉及到路堤内部士拱效应、基底垫层效应、路堤稳定性分析等一系列问题； ( 3 ) 针对路堤内部士拱效应的研究仍有待完善，特别是对其影响冈素的研究。目前有关路堤填料性质 ( 尤其是对填料粘聚力的考虑) 、基底桩十刚度差异以及桩土差异沉降等这些对土拱效应发挥有着重要影 响的因素的研究仍不多见，对基底荷载效应的合理分析产生一定的影响； ( 4 ) 疏桩支撑路堤结构褥垫层的作用机理、工作性状及工程应用有待进一步辨识。目前，疏桩支撑路 堤垫层技术仍基本套用建筑领域刚性基础下的传统做法，其合理性有待论证； ( 5 ) 基于合理的垫层技术和对土拱效应的深入研究，综合分析路堤基底处的荷载效应。 0 5 本文研究思路及主要内容 刚性疏桩补偿地基由于其较好的加同效果和较广泛的应用领域，得到了国内外学者的广泛关注。但对 于路堤下桩体补偿地基，尤其是刚性疏桩补偿地基，还未建立起系统的理论，理论研究大大落后于工程实 践。设计中常常套用刚性基础下复合地基的设计理论和方法，仍以经验占主导地位。由于路堤土体与刚性 界面相互作用的复杂性，对其荷载传递机理的研究仍然有待进一步深入。 路堤结构上拱 作用效应荷载 荷载效应影响 桩卜刺效应 底路基抗力 堤稳定分析 图0 1 0 主要研究内容及关联性 因而，本文以疏桩支撑路堤结构( 疏桩补偿地基) 路堤荷载传递机理为主要研究对象，围绕疏桩支撑 路堤结构丁作机理和工程应用中急需解决的关键问题，展开路堤内部土拱效应、基底垫层效应以及疏桩刺 入效应与稳定性等问题的研究：并在全面考虑以上关键因素的基础上，对基底荷载效应进行综合分析，明 确了桩土荷载分担，为疏桩支撑路堤结构的工程应用与设计提供理论支撑。本文主要研究内容如下： ( 1 ) 首先对道路工程中路堤结构特征进行论证，指出路堤荷载下疏桩补偿地基与一般建筑领域疏桩基 础的不同之处，评价路堤填料( 如灰土等) 的工程性质与结构性能，提出路堤荷载下疏桩补偿地基上程应 用需解决的关键问题。 ( 2 ) 针对桩承路堤中路堤荷载转移特征，基于土拱效应的理论分析，提出柱面剪应力转移模型的强度 8 绪论 修正模型。在充分考虑路堤填十强度特征和桩十刚度差异的基础上，建立柱面剪应力分布( 发挥度) 与变 形协调的工作状态基底荷载作用效应值迭代求解方法，结合其它经典计算方法进行对比计算分析：并进一 步探讨影响路堤荷载转移的主要因素。 ( 3 ) 基于刚性桩较人间距的考虑，开展疏桩刺入效应与稳定性研究，采用相对刚度判断方法分析疏桩 反力作用下的路堤破坏模式，建立强度特征破坏模式下承载力塑性解修正的路堤结构抗力计算模型及变形 特征破坏模式下基于小孔扩张理论的结构抗力计算模型，并基于荷载作用效应和结构抗力，评价路堤结构 稳定性。 ( 4 ) 针对路堤基础与刚性基础工作性状的差异，开展疏桩支撑体系中褥垫层效应的研究，对不同刚度 基础形式下的褥垫层效应进行辨识，深化疏桩支撑路堤结构中褥垫层技术的研究，并对垫层在桩承路堤中 的作用效应进行探讨分析，为工程应用中褥垫层的设计提供理论基础。 9 东南人学硕士学位论文 1 1 概述 第一章路堤结构性能分析 目前研究表明，桩承路堤的结构特征有别于建筑刚性承台的“桩七等应变”状态( 龚晓南，2 0 0 7 ) 和 理想柔性基础的“自由应变”状态( a l a m g i r 等，1 9 9 6 ) 。实际上，疏桩支撑路堤基底面的桩+ 应变状态处 于等应变状态和自由应变状态之间，宏观上具有相对“柔性”( 相对刚性基础) 和相对“刚性”( 相对理想 柔性基础) 的特点。一方面，路堤刚度相对偏低，降低了基底荷载向疏桩的转移水平，桩间地基分担荷载 偏高，引起非线性变形和塑性变形，因此必须在其基底采取一定的结构设置措施，如在基底加设桩项托板 或垫层等；另一方面，疏桩和桩间地基显著的刚度差异，势必引起一定的( 桩体) 应力集中，桩顶反力作 用引起的路基基底抗力和稳定问题，不容忽视：此外，由于基底沉降差异而引起的路堤内部应力重分布( 拱 效应) ，也与路堤结构性能的好坏有着密切的联系，路堤结构性能好，将使其内部产生显著的土拱效应幽j ， 有利于疏桩支撑体系工作性能的发挥。可见，疏桩支撑路堤结构基底荷载作用效应所涉及的路堤内部拱效 应、桩体上刺与路堤基底稳定、垫层设置等关键性问题，均与高速公路路堤结构的性能有关，路堤结构性 能的好坏将直接关系剑疏桩补偿地基支撑体系工作性状的发挥。 然而，我国沿海一带及内陆湖泊地区广泛分布着深厚的软粘土层，软枯土具有天然含水量高、孔隙比 大，压缩性、灵敏度高、强度低等工程性质。随着经济的发展，在软土地区进行高层建筑、高等级公路、 高速铁路的修建是不可避免的。由于软粘土本身的工程性质不良，所以在软七地区进行建筑施工时要进行 地基处理。尤其是修筑道路等大型交通工程需要大量填料，为节省工程造价，不得不就近开挖取士，取用 力学性质较差的软粘土作为路基填料。因此，必须对路基填料进行改良，用石灰改良填料既简便义经济， 它是软粘土地区常用来改良路基填料的一种方法，近年来得到了越来越广泛的应用。例如，江苏省高速公 路上程中明确要求路床0 。8 0 c m ，基底处置不小于4 0 c m ，必须采j ；j 改良土填筑；同时，要求路堤中间层位 填筑总方量约8 0 ，采用石灰改良土填筑。南方多雨潮湿地区( 长江、珠江三角洲区广阔区域) 的雨季周 期长，部分区域还存在冬季施工休l = 期等不利因素，对路堤填筑施工进度的影响很大。为确保建设周期， 以及如期投入运营带来的显著经济效应，石灰改良土俨然已成为高等级高速公路主要填筑材料。 由此可见，积极开展针对石灰改良十路堤结构性能的研究，尤其是考虑其粘聚力高的材料特点，进一 步研究其与疏桩补偿地基支撑体系刚度差异的基底作用效应，将为疏桩支撑路堤结构的深入研究打开一扇 方便之门，理论与实践的意义重大。 1 2 石灰改良土的研究 石灰改良土作为一种稳定固化七，具有相对较好的承载力和抗剪能力，一般主要用于承受抗弯作用的 道路和机场跑道的基层和底基层，以及建筑物的地基处理。用石灰改良土做路基填料，是近儿年修筑高速 公路、干线公路、地方一般公路过程中迅速发展起来的一种路基施l = 技术。 日本、美国及两欧一些国家一直在开展这方面的研究r t 作。国外有关研究石灰改良士静力特性的报道 很多，b e l l ( 1 9 9 6 ) 【4 2 】研究了石灰对粘土及其常见矿物成分高岭士、蒙脱石、石英等的工程力学性质的改 良作用；o s u l a ( 1 9 9 6 ) 1 4 3 1 等对比研究了石灰和水泥对红土进行改良时，龄期对改良效果的影响；l o c a t ( 1 9 9 6 ) l 删等研究了经石灰处理后的有机质软土的力学和硬化特征。a i a b d u lw a h h a b ( 1 9 9 7 ) 4 5 1 等分析研究了利 用石灰和水泥改良不良士在干旱地区修建高速公路的可行性。综合现有试验研究来看，一定剂