（岩土工程专业论文）路堤荷载下桩网复合地基桩土应力比影响因素研究.pdf

| l l i i l i l i l i | 1 1 l l l l f i l f f f l 0 洲i | | i | y 1717 6 5 1 ar e s e a r c ho np i l e s o i ls t r e s sr a t i oe 行e c tf a c t o r so f p i l e n e tc o i n p o s i t ef o u n d a t i o nu n d e re m b a r k m e n t l o a d m 旬o r ：g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g d i r e c t i o no fs t u d y ： s u b g r a d ea n df o u n d a t i o n g r a d u a t es t u d e n t ：w b nh a i t a o s u p e r v i s o r ：p r o z h a oy a n l i n c o u e g eo fc i v i le n g i n e e r i n g 一 一 u g u i l i nu n i v e r s 时o f t e c l u l o l o g y s 印t e m b e r ，2 0 0 9t oa p r i l ，2 0lo 研究生学位论文独创性声明和版权使用授权书 独创性声明 本人声明：所呈交的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。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。对论文的完成提供过帮助的有关人员已在论文中作了明确的说明并表 示谢意。 学位论文作者( 签字) ： 签字日期： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解( 学校) 有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的印刷本和电子版本，允许论文被查阅和借阅。 本人授权( 学校) 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，可 以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技 术信息研究所将本学位论文收录到 p 。 p 口。 由受力平衡得： b 。+ b 、 儿2 雨葛五蔬面p ( 2 1 ) 式中其余符号意义见2 4 图。其中应力扩散角可取为： 口= 5 0 + 5 ( 玎一1 ) 】 ( 2 2 ) 式中：n l ，为土工合成材料的层数。 1 4 桂林理工大学硕士学位论文 善 另外，加筋垫层的扩散作用存在尺寸效应8 1 ，即路基越宽，加筋垫层的扩散 作用越有限，由式( 2 1 ) 可得： 儿= i 告一p 化。3 ) 1 + 2 希舭 2 4 3 桩土加固区的作用 桩一网复合地基的下部支撑桩，可以是木桩、c f g 桩、水泥搅拌桩、碎石桩、 粉喷桩、现浇薄壁管桩等等。刚性桩可以带桩帽，也可以不带桩帽。 桩的作用是把部分上部荷载传递、扩散到下部持力层，并对桩间土有挤密、 置换、改良作用，与桩间土协同承受上部荷载。 桩土加固区作为一个相对整体，对作用于其上方的应力也具有扩散效果，如 图2 4 所示。 根据力的竖向平衡条件，可以推得： p b ：一旦丝之型l 以 ( 2 4 ) 即2 可五i 蒜i 面办 心- 4 ) 式中应力扩散角由试验或经验确定，也可参考有关规范确定。 2 5 路堤荷载下桩一网复合地基荷载传递机理 路堤荷载下的桩一网复合地基中，桩、桩间土、路堤填料和土工合成材料的 相互作用关系如图2 5 所示哺引。 j 一。| - - - - ：! - 一：j 。4 j 7 琴 图2 5 桩网复合地基受力示意图 图2 5 中，日为路堤的高度，岛为作用在土工合成材料上的压力，吼为路堤 上的均布荷载，丁为土工合成材料的拉力值，彬为桩间填土的重量，为桩上填 1 5 桂林理工大学硕士学位论文 土的重量，+ 国为作用在桩上的垂直应力，l 为作用在桩间土上的垂直应力，f 为 沿着土楔的剪应力。 2 5 1 路堤填土中的拱效应 在路堤荷载下的桩一网复合地基中，桩的抗压刚度远大于桩间土的抗压刚度， 因此在自重形的作用下，路堤填土有向下运动的趋势。由于软土地基的存在，在 路堤荷载作用下，复合地基中桩间土的沉降量大于桩顶的沉降量，这样使得桩间 土上部的路堤填土相对于桩项上部的路堤填土产生差异沉降，二者之间会产生剪 应力以阻止不均匀变形的发展，这样桩间土上部路堤填土通过与桩顶上部路堤填 土之间相互作用的剪应力将自身的部分荷载传递给桩顶上部的路堤填土。而且使 得桩顶水平面以上一定范围内路堤填土产生应力重分布，大主应力方向发生偏 转，并将相邻两桩之间拱形区域内的路堤填土压实，形成拱状的严密壳体，从而 减小了桩间土所承担的荷载和应力而增大了桩所承担的荷载和桩顶上的应力，此 即路堤填土中产生的拱效应们。当在路堤填土中形成完整拱后，拱高度以上的荷 载将全部作用在桩项上。路堤填土中差异沉降如图2 6 所示。 甏j 啤。麓”婵2 i 髑予”。+ 带二氏 i iilili 竣童= - - - - 以釉竹冒 州 工oo 图2 6 路堤填土中差异沉降 在拱效应的作用下，随着距桩顶高度的增加，原来作用在桩间土上的荷载越 来越多地转移到桩顶上，桩顶上部土体的压缩量不断增加，桩问土与桩项上部填 土间的差异沉降逐渐减小，当填土高度增加到某一值时，差异沉降最终消失，该 高度处的平面被称为“等沉面 。在等沉面以上的各个平面上，沉降处处相等。 2 5 2 加筋垫层的刚性承台效应 与在刚性基础与复合地基之间设置柔性垫层( 如砂垫层) 相反，像路堤这类 1 6 桂林理工大学硕士学位论文 柔性基础与复合地基( 尤其在软土地基加固处理方面) 之间通常采用刚度较大的 垫层，如加筋碎石垫层、灰土垫层等，以减小桩顶向垫层的刺入，增大复合地基 中的桩土荷载分担比，使桩体更好地发挥作用，减小桩间土承担的荷载以及桩顶 与桩间土之间的差异沉降，从而改善复合地基的工作性状。 文献 6 2 通过现场试验研究发现：在相同的条件下，柔性基础下复合地基的 沉降比刚性基础下复合地基的沉降要大。柔性基础下复合地基的沉降较大的原因 有两个方面：一是土中的应力大；二是桩会向上刺入像路堤这样的柔性基础。为 了均化路堤下复合地基的桩土应力，减小复合地基的桩土荷一载比，保证桩土共同 承担荷载，一般在路堤与复合地基之间需要设置一定厚度的砂砾石垫层。当上部 荷载旌加后，允许桩项对其上部垫层产生适当的刺入，强迫桩间土首先承担一部 分荷载。当桩顶垫层被充分挤出和压密后，桩才能更多的分担增加的荷载。但是 若垫层的刺入破坏过大，又不利于桩体承载力的发挥，并可能造成过大沉降变形， 这样对沉降变形有严格要求的工程( 如在软土地区修建高速铁路，其工后沉降要 求极其严格) 来说是很不利的。因此，可以通过增加垫层的刚度即采用碎石垫层 来减小桩体向上的刺入量，并且还可以在垫层内设计加铺土工格栅，以增强垫层 整体性，有利于上部荷载均匀的传至基底。在碎石垫层中加入土工格栅，由于两 种材料弹性模量的巨大差异，在共同承受路堤荷载的情况下，其变形的不一致往 往会引起两种材料的相互错动趋势，碎石与土工格栅之间的摩擦咬合将会产生很 大的摩阻效应，这种摩阻效应限制了垫层的侧向变形，增强了垫层抗剪强度，提 高了碎石垫层的整体强度和刚度，有利于提高地基承载力和减小地基的不均匀沉 降。 加筋垫层的存在减小了桩土的差异沉降，削弱了土拱效应，但通过自身的刚 性承台效应将其承担的路堤荷载又传递到桩顶上，这又相当于加强了土拱效应。 2 5 3 土工格栅的拉膜效应 在上部荷载作用下，加筋垫层中土工格栅产生弯曲变形，如图2 7 所示。 图2 7 土工格栅拉膜效应示意图 1 7 桂林理工大学硕士学位论文 土工格栅变形后的形状近似于圆弧形或悬链线，在路堤荷载作用下，土工格 栅可以均化地基应力，减小桩土差异沉降，保证桩体分担更多的路堤荷载等作用。 随着上部路堤填土的不断增高，即路堤荷载不断加大，土工格栅将产生不同程度 的拉伸变形，土工格栅呈现拉膜效应。由于土工格栅的兜提作用，土工格栅拉力 的向上垂直分量可以抵消一部分垫层顶面桩间土范围内的路堤填土的自重荷载 使得桩间土所承担的上部荷载减小；对于桩体来说，一部分上部荷载通过土工格 栅拉力的向下垂直分量传递到桩体上。通过荷载转移，减少了桩间软土顶面沉降 及传递到路堤顶面的不均匀沉降。可见，拉膜效应在一定桩间距范围内，能够起 到增大桩土应力比的作用。试验研究表明哺朝，加筋材料的抗拉模量越大，拉膜效 应也越大，可以使得更多的桩间土上的路堤荷载转移到桩上。 2 5 4 桩端土的支承作用 试验研究哺们和数值分析5 1 结果均表明桩端下持力层土体的性质对复合地基 的性状存在较大影响。端承桩复合地基的桩土间差异沉降和桩土应力比均大于悬 浮桩复合地基，但总沉降量则小于后者。 综上，本文认为桩一网复合地基荷载传递机理是路堤填土中的土拱效应、加 筋垫层的刚性承台效应、土工格栅的拉膜效应及桩端土支承作用的组合。由各种 机理形成的荷载传递依赖于以下几个主要因素： ( 1 ) 加筋材料的层数和张拉强度； ( 2 ) 路堤填料和地基土的性质； ( 3 ) 成桩材料和桩间土的模量； ( 4 ) 桩端土的模量。 2 1 6 本章小结 本章主要对路堤荷载下桩一网复合地基的定义和基本组成，土工合成材料一 “网的定义、分类、功能、加固机理，路堤荷载下桩一网复合地基的作用机理 以及荷载传递机理进行了阐述，为后面几章的研究奠定理论基础。 桂林理工大学硕士学位论文 3 1 引言 第3 章路堤荷载下桩一网复合地基模型试验设计 加筋垫层位于桩体加固地基和上部路堤之间，对地基和路堤都有影响。桩土 模量的差异是桩土应力调整的基础，但加筋垫层对桩土应力比有直接的影响。加 筋垫层除了本身的刚性承台作用及加筋材料的拉膜效应使桩体能承担较多荷载 之外，对上部路堤填土中的拱效应也会有很直接的影响，因此加筋垫层对桩土应 力调整起到了十分关键的作用。为了较好的研究加筋垫层对路堤荷载下桩一网复 合地基桩土应力比的影响，本文设计了模型对比试验，分别对垫层底面和项面的 土压力进行了连续观测。 3 2 试验目的 本试验的目的主要是通过模型试验来探究路堤荷载下桩一网复合地基中垫层 加筋与否、加筋垫层厚度以及加筋材料铺设位置对桩土应力比及路堤填土中拱效 应的影响，为实际工程设计提供一定的参考。 3 3 试验装置和试验材料 3 3 1 试验装置 本试验的试验装置为14 4 0 m m ( 长) 1 4 4 0 m m ( 宽) 1 5 0 0 m m ( 高) 的砖砌长 方体槽，模型槽平面示意图如图3 1 所示，模型槽立面面示意图如图3 2 所示。 图3 1 模型槽平面示意图图3 2 模型槽立面示意图 1 9 桂林理工大学硕士学位论文 为了减小模型槽内壁与路堤填料之间产生的摩擦力对试验的影响，本试验采 用在模型槽内壁“挂贴 塑料薄膜的方法来减小摩擦，如图3 3 所示。并且在每 次分层填筑前，用细砂将模型槽内壁砖与砖之间砂浆不饱满处填塞饱满，保证塑 料薄膜平整。 3 3 2 试验材料 图3 3 护壁塑料薄膜 本试验使用材料如下： ( 1 ) 持力层 由于时间和试验条件的限制，本试验直接把水泥地面当作桩端持力层( 类似 于桩端持力层为基岩) ，因此持力层为刚性，桩端则直接与水平水泥地面粘结固 定，桩体不存在下刺现象。所以，本模型试验所得的结果均是在刚性持力层条件 下所测得的结果。 ( 2 ) 桩间土填料 对于土工模型试验，要满足所有的相似条件是很困难的。根据放宽的相似原 则中“只考虑特现象的相似原则，本试验桩间土的填料采用中砂。 ( 3 ) 模型桩 本试验采用的模型桩为c 2 0 预制素混凝土模型桩，桩截面为圆形，如图3 4 所示。模型桩的桩长为3 0 c m ，桩的直径为1 0 c m ( 原型桩的直径为5 0 c m ，相似比 为1 ：5 ) 。为了保证各素混凝土模型桩之间的抗压强度值不出现过大的偏差，除 了在配比上进行了计算外，还制作了3 个标准试块进行轴心抗压试验。试验结果 如表3 1 所示。 从表3 1 可知，标准试块轴心抗压强度平均值为1 3 9 m p a ，混凝土的配制强 度满足c 2 0 的强度要求。 桂林理工大学硕士学位论文 表3 1 标准试块轴心抗压试验结果 标准试块试块1试块2试块3 轴心抗压强度( m p a )1 3 81 4 21 3 7 图3 4 模型桩 ( 4 ) 垫层填料 本试验垫层填料选用粒径2 c m 的小粒径碎石( 用前筛选) ，如图3 5 所示。 物理力学性质指标如表3 2 所示。碎石密度通过灌水法测得，如图3 6 所示。 图3 5 垫层填料图3 6 灌水法测垫层填料密度 表3 2 垫层填料的物理力学性质指标 最大重度( k n m 3 )最小重度( k n m 3 )平均重度( k n m 3 ) 2 0 0 4 1 9 6 3 1 9 8 3 2 l 桂林理工大学硕士学位论文 ( 5 ) 加筋材料 本试验的加筋材料选用山东大庚玻纤有限公司生产的土工网，如图3 7 所 示。土工网的技术指标如表3 3 所示。 表3 3 土工网技术指标 网孔尺寸( m m )8 6 ) 2 拉伸强度( k n m ) 7 6 8 厚度( m m )3 3 o 3断裂伸长率( ) 2 0 2 单位面积质量( g m 2 ) 5 3 0 5 0 “ 1 0 伸长率时拉伸力- ( k n m ) 6 8 0 图3 7 土工网 ( 6 ) 路堤填料 本试验选用的路堤填料为中砂。中砂的密度采用灌水法进行测定，如图3 8 所示；中砂的内摩擦角采用直剪法( 快剪) 进行测定，如图3 9 所示；中砂直剪 试验结果如图3 1 0 所示。路堤填料中砂的主要物理力学性质指标如表3 4 所示。 图3 8 灌水法测中砂密度 ( b ) 桂林理工大学硕士学位论文 表3 4 中砂的物理力学性质指标 重度 平均重度内摩擦角平均内摩擦粘聚力平均粘聚力 ( k n m 3 )( k n m 3 )( 。)( 。)( k p a )( k p a ) 1 5 2 4 1 5 9 71 5 6 03 0 4 3 0 93 0 31 2 2 41 8 图3 9 中砂直剪试验 ( a ) ( b ) ( b ) 图3 10 中砂直剪试验结果 ( d ) 桂林理工大学硕士学位论文 3 4 试验测点布置和量测设备 3 4 1 测点布置 ( 1 ) 垫层底面土压力盒的布置 垫层底面共布置3 个土压力盒，土压力盒顶面与桩项在同一平面上。其中， 在垫层底面中心桩桩顶布置1 个土压力盒a ，测桩顶土压力；在垫层底面桩间土 表面的两个部位( 土压力盒1 a 位于两桩中心，土压力盒2 a 位于正三角形的形心 位置) 各布置1 个土压力盒，测桩间土表面土压力。垫层底面土压力盒布置情况 如图3 1 l 所示。4 个试验中，桩间土表面土压力盒分别布置在4 个不同的正三 角形中。 ( 2 ) 垫层项面土压力盒的布置 垫层项面同样布置3 个土压力盒。其中，在垫层顶面中心桩桩顶范围内布置 1 个土压力盒b ，测垫层顶面中心桩桩项范围内的土压力；在垫层顶面桩间土范 围内的两个部位各布置1 个土压力盒( 土压力盒1 b 位于两桩中心，土压力盒2 b 位于正三角形的形心位置) ，测垫层顶面桩间土范围内的土压力。垫层项面桩问 土范围内土压力盒布置情况如图3 1 2 所示。4 个试验中，桩间土表面土压力盒 分别布置在4 个不同的两桩中心中。 图3 1 1 垫层底面土压力盒布置示意图图3 12 垫层顶面土压力盒布置示意图 3 4 2 量测设备 ( 1 ) 土压力盒 本试验所用土压力盒为武汉亚圣自动化仪表有限公司生产的单膜土压力盒， 如图3 13 所示；其技术参数如表3 5 所示。 桂林理工大学硕士学位论文 图3 13 土压力盒 表3 5 土压力盒技术参数 压力量程分辨率温度量程测温精度外型尺寸 型号 ( m p a )( m p a )( )( )( m m ) y s p 0 6o o 60 o 0 0 12 0 + 1 2 50 1 8 8 2 2 ( 2 ) 数据采集系统 本试验所用土压力盒数据采集系统为武汉亚圣仪表有限公司生产的y s z x l 型智能综合数显仪，如图3 1 4 所示；其技术参数如表3 6 所示。 图3 14y s z x 一1 型智能综合数显仪 表3 6y s z x 一1 型智能综合教显仪技术参数 振弦频率振弦频率温度量程测温精度数据储存 型号 ( h z ) 精度 ( )( ) ( 个) y s z x 一16 0 0 3 5 0 00 5 一2 0 + 1 2 50 12 1 6 0 桂林理工大学硕士学位论文 3 5 试验方案 3 5 1 不变条件 ( 1 ) 桩径d ：1 0 c m ；( 2 ) 桩间距s ：3 6 c m ( 原型桩桩间距为1 8 0 c m ，相似比 为1 ：5 ) ；( 3 ) 桩数刀：7 根( 每个试验均相同) ；( 4 ) 桩长，：3 0 c m ；( 5 ) 布桩 形式：正三角形；( 6 ) 地基土层厚度：3 0 c m ；( 7 ) 填土高度：1 0 0 c m ：( 8 ) 土工 网层数：一层。 3 5 2 可变条件 ( 1 ) 垫层是否加筋；( 2 ) 垫层厚度i l ；( 3 ) 垫层中加筋材料夹铺位置。 3 5 3 试验分组 按垫层是否加筋、垫层厚度的不同以及垫层中加筋材料夹铺位置的不同，共 进行4 个独立试验，具体如下： ( 1 ) 桩间距：3 6 c m ，垫层：6 c m ( 未加筋) ，填土高度：1 0 0 c m ，用( 6 ，0 ) 表示； ( 2 ) 桩间距：3 6 c m ，垫层：6 c m ( 加筋一层，加筋位置距垫层项面与底面均 3 c m ) ，填土高度：1 0 0 c m ，用( 6 ，3 ) 表示； ( 3 ) 桩间距：3 6 c m ，垫层：10 c m ( 加筋一层，加筋位置距垫层顶面与底面均 5 c m ) ，填土高度：1 0 0 c m ，用( 1 0 ，5 ) 表示； ( 4 ) 桩间距：3 6 c m ，垫层：6 c m ( 加筋一层，加筋位置距垫层底面1 5 c m ) ， 填土高度：1 0 0 c m ，用( 6 ，1 5 ) 表示。 以上4 个独立试验( 填土高度均为1o o c m ) 完成后，将其分为以下3 组进行 试验结果的对比分析： 第l 组( 研究在桩长、桩间距、垫层厚度不变的情况下，垫层是否加筋对桩 土应力比及路堤填土中拱效应的影响) ： ( 1 ) 桩间距：3 6 c m ，垫层：6 c m ，未加筋，即( 6 ，0 ) ； ( 2 ) 桩间距：3 6 c m ，垫层：6 c m ，加筋位置距垫层底面3 c m ，即( 6 ，3 ) 。 第2 组( 研究在桩长、桩间距、加筋材料夹铺位置不变的情况下，垫层厚度 对桩土应力比及路堤填土中拱效应的影响) ： ( 1 ) 桩间距：3 6 c m ，垫层：6 c m ，加筋材料距垫层底面3 c m ，即( 6 ，3 ) ； ( 2 ) 桩间距：3 6 c m ，垫层：1 0 c m ，加筋材料距垫层底面5 c m ，即( 1o ，5 ) 。 第3 组( 研究在桩长、桩间距、垫层厚度不变的情况下，加筋材料夹铺位置 2 6 桂林理工大学硕士学位论文 对桩土应力比及路堤填土中拱效应的影响) ： ( 1 ) 桩间距：3 6 c m ，垫层：6 c m ，加筋材料距垫层底面3 c m ，即( 6 ，3 ) ； ( 2 ) 桩间距：3 6 c m ，垫层：6 c m ，加筋材料距垫层底面1 5 c m ，即( 6 ，1 5 ) 。 3 6 试验操作步骤 3 6 1 模型桩的布置 本试验模型桩采用正三角形布置。每个模型试验共布置- 7 根桩，中心桩圆心 与模型槽对角线交点( 即模型槽中心) 重合；其余6 根桩以中心桩桩心为固定点， 按规定桩间距依次布置。模型桩布置如图3 1 5 所示。 3 6 2 桩间土的装填 为了使桩间土在上部路堤荷载的作用下能够产生一定的沉降，本试验采用虚 铺的形式将桩间土填入模型槽中，其目的在于使之在上部荷载作用下可以产生一 定的压缩沉降。填筑总高度为3 0 c m ，即填筑后桩间土与桩顶平面齐平。 9 仉 圳93 6 。93 6 。( 琵。 4 2 。q3 6 0 4 2 。 ( a ) 图3 15 模型桩的布置 3 6 3 垫层底面土压力盒的布放 ( b ) 按图3 1l 所示的位置在桩顶与桩间土上布放好土压力盒，并使土压力盒在 同一水平面上，如图3 1 6 所示。土压力盒布放好后，在整个表面铺上一层约2 c m 厚的砂层，以尽量避免土压力盒顶面直接与碎石直接接触受到破坏及产生较为明 2 7 桂林理工大学硕士学位论文 显的应力集中，如图3 1 7 所示。 图3 16 垫层底面土压力盒布置图3 17 垫层底面2 c m 厚的砂层 3 6 4 碎石垫层及土工网的铺设 碎石垫层采用分层铺设。先进行碎石垫层下层的铺设；下层铺好后，在其上 铺上一层土工网，如图3 1 8 所示；再进行碎石垫层上层的铺设。垫层铺设时， 需轻轻敲打碎石，使碎石之间及碎石与土工网能够较好的接触，以形成整体性较 好的加筋碎石垫层。因此，本试验选用粒径不大于2 c m 的小粒径碎石的目的就是 为了使土工网和碎石之间能有很好的摩擦力和咬合力。对于土工网的固定，本试 验采用将土工网回折固定的方法，如图3 1 9 所示，土工网回折好后其上铺压碎 石将其固定。 图3 18 土工网的铺设图3 19 土工网的回折 桂林理工大学硕士学位论文 3 6 5 垫层顶面土压力盒的布置 垫层顶面土压力盒布置前，先在垫层顶面铺设一层1 c m 厚的找平层，如图 3 2 0 所示，以使土压力盒在受荷载后尽可能保持水平且均匀受力，然后按图3 1 2 所示的位置布放好土压力盒。垫层顶面土压力盒的实际布置情况如图4 2 l 所示。 压力盒布置完毕后，其周围用砂填充至与压力盒顶面齐平，上部路堤填筑前读取 土压力盒数值作为其在试验中的初始读数，之后可进行路堤填筑。 图3 2o 垫层顶的找平层 ( a ) 图3 2 1 垫层顶面的土压力盒 ( b ) 3 6 6 路堤填料的填筑 为了保证在每个模型试验中，路堤填料填入模型槽后有基本相同的物理力学 桂林理工大学硕士学位论文 性质，本试验采用分层填筑的方式进行填筑。路堤每层的填筑厚度为1 0 c m ，填 铺完一层后，将该层填料顶面整平并进行适当压实，然后进行堆载压实。卸载读 数后，略微捣松该层表面的砂后进行下一层砂的填筑，以保证每层填土在板结过 程中层与层之间能够结合得比较紧密。堆载砌块总重约2 15 k g 。试验堆载压实如 图3 2 2 所示。 3 7 试验数据观测与记录 3 7 1 数据观测 图3 2 2 堆载压实 本试验模拟路堤分层填筑加载，因此铺设一层填土后还要对该层填土进行堆 载压实，只有待卸载后方可进行数据观测。数据观测中，数显仪上的读数可能存 在不稳定的跳动现象，这种现象是卸载后路堤填土自我调整的表现，待数据稳定 后方可读数，每个土压力盒读数3 次，并将3 次读数的平均值作为该层路堤填筑 后土压力盒所测得的数值。 3 7 2 数据记录 确认观测数据有效后，及时、准确的将每次观测的数据记入相应的试验记录 表，以便数据处理使用。 3 8 试验数据处理 试验结束后，对试验中所采集的数据用e x c e l 进行整理并绘制成相应图、表， 桂林理工大学硕士学位论文 以便数据分析。 3 9 本章小结 本章介绍了模型试验的相关理论，并根据相关理论设计了模型试验，指出了 试验的目的、装置、材料、测量设备，试验的分组方案，试验的操作步骤，试验 的数据观测、记录及数据处理等内容，为研究路堤填土高度、垫层加筋与否、加 筋垫层厚度及加筋材料在垫层中的铺设位置对桩一网复合地基桩土应力比、路堤 填土中拱效应等的影响打下基础。 3 l 桂林理工大学硕士学位论文 4 1 引言 第4 章试验结果与分析 通过对4 个独立试验垫层底面和顶面土压力进行连续观测，揭示了加筋垫层 底面、顶面土压力的变化规律以及垫层加筋与否、加筋垫层厚度、加筋材料夹铺 位置对桩一网复合地基桩土应力比和路堤填土中拱效应变化的影响。 4 2 单个试验结果与分析 4 2 1 无筋垫层( 6 ，0 ) 试验 ( 1 ) 垫层底面 图5 1 填筑过程中无筋垫层底面土压力的变化 从图5 1 可以看出，填筑过程中，填土高度小于1 0 c m 时，垫层底面中心桩 桩顶和桩问土表面土压力基本相同；填土高度大于1o c m 时，中心桩桩顶土压力 的增幅远大于桩间土表面土压力的增幅。当填土高度为10 0 c m 时，中心桩桩顶土 压力为4 1 0 3 k p a ，大于按填土高度、重度和垫层厚度、重度计算所得的土压力 1 6 8 0 k p a ；桩间土表面1 a 、2 a 处土压力分别为l0 5 6 k p a 、1 0 1 1k p a ，均小于按 填土高度、重度和垫层厚度、重度计算所得的土压力。图5 1 表明垫层底面桩间 土表面土压力的分布是不均匀的。 ( 2 ) 垫层顶面 3 2 桂林理工大学硕士学位论文 2 5 盘2 0 l 杂1 5 器l o 5 o 3 04 05 0 6 0 7 0 8 0 9 01 0 0l i o 填土高度咖 图5 2 填筑过程中无筋垫层顶面土压力的变化 从图5 2 可以看出，填筑过程中，填土高度小于1 0 c m 时，垫层底面中心桩 桩项和桩间土表面土压力基本相同；填土高度大于10 c m 时，中心桩桩顶范围内 土压力的增幅大于桩间土表面范围内土压力的增幅。当填土高度为10 0 c m 时，中 心桩桩项范围内土压力为2 6 4 3 k p a ，大于按填土高度、重度计算所得的土压力 1 5 6 0 k p a ；桩间土表面范围内1 b 、2 b 处土压力分别为9 6 4 k p a 、9 0 1 k p a ，均小 于按填土高度、重度计算所得的土压力。图5 2 表明垫层顶面土压力分布不均匀。 4 2 2 加筋垫层( 6 ，3 ) 试验 ( 1 ) 垫层底面 图5 3 填筑过程中加筋垫层( 6 ，3 ) 底面土压力的变化 桂林理工大学硕士学位论文 从图5 3 可以看出，填筑过程中，中心桩桩顶土压力的增幅远大于桩间土表 面土压力的增幅。当填土高度为1 0 0 c m 时，中心桩桩顶土压力为4 2 5 6 k p a ，大 于按填土高度、重度和垫层厚度、重度计算所得的土压力1 6 8 0 k p a ；桩间土表 面l a 、2 a 处土压力分别为l o 1 6 k p a 、9 6 7 k p a ，均小于按填土高度、重度和垫 层厚度、重度计算所得土压力。图5 3 表明垫层底面桩间土表面土压力的分布是 不均匀的。 ( 2 ) 垫层顶面 2 5 田2 0 山 1 5 穴 鹾1 0 5 o o1 02 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 1 0 01 1 0 填土高度c m 图5 4 填筑过程中加筋垫层( 6 ，3 ) 顶面土压力的变化 从图5 4 可以看出，填筑过程中，填土高度小于2 0 c m 时，垫层底面中心桩 桩顶和桩间土表面土压力基本相同；填土高度大于2 0 c m 时，中心桩桩顶范围内 土压力的增幅大于桩间土表面范围内土压力的增幅。当填土高度为1 0 0 c m 时，中 心桩桩顶范围内土压力为2 2 8 3 k p a ，大于按填土高度、重度计算所得的土压力 1 5 6 0 k p a ；桩间土表面范围内1 b 、2 b 处土压力分别为1 0 0 6 k p a 、9 6 6 k p a ，均 小于按填土高度和填土重度计算所得的土压力。图5 4 表明挚层顶面土压力的分 布是不均匀的。 4 2 3 加筋垫层( 10 ，5 ) 试验 ( 1 ) 垫层底面 从图5 5 可以看出，填筑过程中，中心桩桩顶土压力的增幅远大于桩间土表 面土压力的增幅。当填土高度为1 0 0 c m 时，中心桩桩项土压力为5 0 6 3 k p a ，大 于按填土高度、重度和垫层厚度、重度计算所得的土压力16 8 0 k p a ；桩间土表 面1 a 、2 a 处土压力分别为1 0 2 4 k p a 、10 4 7 k p a ，均小于按填土高度、重度和垫 桂林理工大学硕士学位论文 层厚度、重度计算所得的土压力。图5 5 表明垫层底面桩间土表面土压力的分布 是不均匀的。 5 0 4 5 母4 0 耋| | 刊1 5 1 0 5 0 01 02 0 3 0 4 05 06 07 0 8 0 9 01 0 0l l o 填土高度c m 图5 5 填筑过程中加筋垫层( 1o ，5 ) 底面土压力的变化 ( 2 ) 垫层顶面 图5 6 填筑过程中加筋垫层( 1o ，5 ) 顶面土压力的变化 从图5 6 可以看出，填筑过程中，填土高度小于2 0 c m 时，垫层底面中心桩 桩顶和桩间土表面土压力基本相同；填土高度大于2 0 c m 时，中心桩桩顶范围内 土压力的增幅大于桩间土表面范围内土压力的增幅。当填土高度为10 0 c m 时，中 心桩桩顶范围内土压力为2 0 6 9 k p a ，大于按填土高度、重度计算所得的土压力 3 5 桂林理工大学硕士学位论文 1 5 6 0 k p a ，桩间土表面范围内1 b 、2 b 处土压力分别为1 1 o lk p a 、1 0 6 8 k p a ，均 小于按填土高度、重度计算所得的土压力。图5 6 表明垫层顶面土压力分布是不 均匀的。 4 2 4 加筋垫层( 6 ，1 5 ) 试验 ( 1 ) 垫层底面 从图5 7 可以看出，填筑过程中，中心桩桩项土压力的增幅远大于桩间土表 面土压力的增幅，但并非线性增加。当填土高度为1 0 0 c m 时，中心桩桩顶土压力 为4 3 9 9 k p a ，大于按填土高度、重度和垫层厚度、重度计算所得的土压力 1 5 2 3 k p a ，桩间土表面l a 、2 a 处土压力分别为9 9 4 k p a 、9 7 9 k p a ，均小于按填 土高度、重度和垫层厚度、重度计算所得的土压力。图5 7 表明垫层底面桩间土 表面的土压力是不均匀的。 图5 7 填筑过程中加筋垫层( 6 ，1 5 ) 底面土压力的变化 ( 2 ) 垫层顶面 从图5 8 可以看出，填筑过程中，填土高度小于1o c m 时，垫层底面中心桩 桩顶和桩间土表面土压力基本相同；填土高度大于1 0 c m 时，中心桩桩顶范围内 土压力的增幅大于桩间土表面范围内土压力的增幅。当填土高度为1 0 0 c m 时，中 心桩桩顶范围内土压力为2 3 4 3 k p a ，大于按填土高度、重度计算所得土压力 1 5 6 0 k p a ，桩间土表面范围内1 b 、2 b 处土压力分别为9 6 3 k p a 、9 4 6 k p a ，均小 于按填土高度、重度计算所得土压力。图5 8 表明垫层顶面土压力的分布是不均 匀的。 桂林理工大学硕士学位论文 2 5 2 0 山 1 5 穴 h 曼l o 州 5 o o 1 02 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 l o o1 1 0 填土高度c m + 中心桩桩顼范围内土压力+ 桩问土范围内l b 处土压力 + 桩间士范围内2 b 处士压力 图5 8 填筑过程中加筋垫层( 6 ，1 5 ) 顶面土压力的变化 4 3 试验结果对比分析 4 3 1 垫层是否加筋的影响 ( 1 ) 垫层底面土压力与桩土应力比变化 图5 9 填筑过程中垫层底面中心桩桩顶土压力的变化 从图5 9 可以看出，填筑过程中，无筋垫层( 6 ，0 ) 与加筋垫层( 6 ，3 ) 底面中心 桩桩顶土压力均随着填土高度的增加而增大，加筋垫层( 6 ，3 ) 底面中心桩桩顶土 压力大于无筋垫层( 6 ，0 ) 底面中心桩桩顶土压力。填土高度0 3 0 c m 时，由于无 3 7 桂林理工大学硕士学位论文 筋垫层的刚度较加筋垫层小，荷载向桩顶集中较加筋垫层慢，因此无筋垫层底面 中心桩桩项土压力的增幅较加筋垫层小；填土高度3 0 1 0 0 c m 时，随着填土高度 的增加，无筋垫层上部填土中的拱效应愈发明显，使得越来越多桩间土上的荷载 向无筋垫层底面桩顶转移，使得无筋垫层底面中心桩桩顶的土压力逐渐增大。 图5 1 0 填筑过程中垫层底面桩间土土压力的变化 图5 儿填筑过程中垫层底面桩土应力比的变化 从图5 10 可以看出，填筑过程中，无筋垫层( 6 ，0 ) 与加筋垫层( 6 ，3 ) 底面桩 间土土压力平均值均随填土高度的增加而增大。填土高度o 2 0 c m 时，填筑高度 及上部荷载均较小，无筋、加筋垫层受荷后的变形也较小，填土中的拱尚未形成、 加筋垫层中加筋材料的兜提作用也较小，从而使得向桩顶转移的荷载较少，因此 桂林理工大学硕士学位论文 加筋垫层( 6 ，3 ) 与无筋垫层( 6 ，0 ) 底面的桩间土土压力基本相同；填土高度2 0 1 0 0 c m 时，随着填土高度的不断增加，垫层上部荷载不断增加，垫层变形也不断 加大，填土中的拱渐趋于完整，加筋垫层中加筋材料的兜提作用愈发明显，使得 加筋垫层通过拱效应和加筋垫层效应向桩顶转移的荷载较无筋垫层多，因此加筋 垫层( 6 ，3 ) 底面中心桩桩顶土压力小于无筋垫层( 6 ，0 ) 底面中心桩桩顶土压力。 从图5 1 l 可以看出，填筑过程中，无筋垫层( 6 ，0 ) 与加筋垫层( 6 ，3 ) 底面的 桩土应力比均随填土高度的增加而增大，加筋垫层( 6 ，3 ) 底面的桩土应力比大于 无筋垫层( 6 ，3 ) 底面的桩土应力比。这表明，与无筋垫层相比，加筋垫层能使荷 载较快的向桩项集中，从而提高垫层底面的桩土应力比。 ( 2 ) 垫层顶面土压力与桩土应力比变化 图5 12 填筑过程中垫层顶面中心桩桩顶范围内土压力的变化 图5 13 填筑过程中垫层顶面桩间土范围内土压力的变化 3 9 桂林理工大学硕士学位论文 从图5 1 2 可以看出，填筑过程中，无筋垫层( 6 ，0 ) 与加筋垫层( 6 ，3 ) 顶面中 心桩桩顶范围内的土压力均随填土高度的增加而增大。当填土高度o 3 0c m 时， 无筋垫层( 6 ，o ) 顶面中心桩桩项范围内的土压力与加筋垫层( 6 ，3 ) 顶面中心桩桩 顶范围内的土压力基本相同；当填土高度3 0 l0 0c m 时，无筋垫层( 6 ，o ) 顶面中 心桩桩顶范围内土压力的增幅明显大于加筋垫层( 6 ，3 ) 顶面中心桩桩顶范围内土 压力的增幅。 从图5 1 3 可以看出，填筑过程中，无筋垫层( 6 ，0 ) 与加筋垫层( 6 ，3 ) 顶面桩 间土范围内的土压力平均值随着填土高度的增加而增大。由于无筋垫层的刚度较 加筋垫层小，其抗变形能力较加筋垫层弱，因此随着路堤填土高度的增加作用在 垫层上的荷载不断增大，使得无筋垫层的变形较加筋垫层大，而且无筋垫层上部 路堤填土中拱的形成也较快，使得较多的上部路堤荷载通过拱效应向桩项集中， 直接作用于桩间土上的荷载减少。 图5 1 4 填筑过程中垫层项面桩土应力比的变化 从图5 14 可以看出，填筑过程中，无筋垫层( 6 ，0 ) 与加筋垫层( 6 ，3 ) 顶面桩 与桩间土范围内的桩土应力比均随着填土高度的增加而增大，无筋垫层( 6 ，0 ) 顶 面的桩土应力比大于加筋垫层( 6 ，3 ) 顶面的桩土应力比。 图5 12 、5 13 、5 14 表明无筋垫层( 6 ，0 ) 上部填土中的拱效应明显大于加筋 垫层( 6 ，3 ) 上部填土中的拱效应，但这样也使无筋垫层上部路堤的不均匀沉降增 大。 4 3 2 加筋垫层厚度的影响 ( 1 ) 垫层底面土压力与桩土应力比变化 桂林理工大学硕士学位论文 从图5 15 可以看出，在填筑过程中，加筋垫层( 6 ，3 ) 与加筋垫层( 1o ，5 ) 底面 中心桩桩顶土压力随着填土高度的增加而增大，加筋垫层( 1 0 ，5 ) 底面中心桩桩顶 土压力明显大于加筋垫层( 6 ，3 ) 底面中心桩桩顶土压力。这表明，增加加筋垫层 的厚度可使更多的上部荷载向桩顶集中，从而使桩一网复合地基中的桩体能够承 担更多的上部荷载，减小桩、土差异沉降。 图5 15 填筑过程中垫层底面中心桩桩顶土压力的变化 图5 16 填筑过程中垫层底面桩间土表面土压力的变化 从图5 1 6 可以看出，在填筑过程中，加筋垫层( 6 ，3 ) 与加筋垫层( 10 ，5 ) 底面 桩间土表面的土压力平均值均随填土高度的增加而增大，加筋垫层( 1o ，5 ) 底面桩 间土表面的土压力平均值大于加筋垫层( 6 ，3 ) 底面桩间土表面的土压力平均值。 4 l 桂林理工大学硕士学位论文 图5 1 7 填筑过程中垫层底面桩土应力比的变化 从图5 17 可以看出，在填筑过程中，加筋垫层( 6 ，3 ) 与加筋垫层( 1o ，5 ) 底面 的桩土应力比均随着填土高度的增加而增大，加筋垫层( 1 0 ，5 ) 底面的桩土应力比 明显大于加筋垫层( 6 ，3 ) 底面的桩土应力比。这表明，在路堤荷载作用下，增加 加筋垫层的厚度可以增大桩一网复合地基的桩土应力比，尤其在填筑初期桩土应 力比增大较快。 刚性基础对桩头有很强的约束作用，限制其上刺，但随着桩体与基础之间的 褥垫层厚度的增加，基础对桩项的约束作用不断减弱，通过褥垫层的调节，桩周 土承担的荷载增加，这就导致了桩土应力比减小。但在柔性路堤下，加筋垫层较 路堤对桩项通常有更强的限制作用，增加加筋垫层厚度实际上是增加这种约束作 用，限制了桩体的上刺以及荷载向桩周土的转移，因此使桩土应力比增大了。 当然，当加筋垫层厚度增加到某一数值时，整个垫层的刚度变得很大，此时 可将加筋垫层近似看作一刚性基础，若再增加其厚度，在上部荷载作用下桩土应 力比变化很小。所以，设计一个合理的加筋垫层厚度对调配桩、土所承担的上部 荷载及减小桩土间的差异沉降来说很重要。 ( 2 ) 垫层顶面土压力与桩土应力比变化 从图5 1 8 可以看出，在填筑过程中，加筋垫层( 6 ，3 ) 与加筋垫层( 10 ，5 ) 顶面 中心桩桩顶范围内的土压力随着填土高度的增加而增大。由于加筋垫层( 6 ，3 ) 变 形较加筋垫层( 10 ，5 ) 大，通过拱效应向桩顶转移的荷载较加筋垫层( 10 ，5 ) 多，因 此加筋垫层( 6 ，3 ) 顶面中心桩桩顶范围内的土压力略大于加筋垫层( 1o ，5 ) 项面中 心桩桩顶范围内的土压力。 从图5 19 可以看出，在填筑过程中，加筋垫层( 6 ，3 ) 与加筋垫层( 10 ，5 ) 顶面 桩间土范围内的土压力平均值随着填土高度的增加而增大。填土高度o 3 0 c m 4 2 桂林理工大学硕士学位论文 时，上部路堤荷载较小，加筋垫层变形较小，拱效应作用不明显，加筋垫层( 6 ，3 ) 与加筋垫层( 1 0 ，5 ) 顶面桩间土范围内的土压力平均值基本相同；填土高度3 0 1 0 0 c m 时，上部荷载逐渐增大，加筋垫层变形渐渐增加，刚度较小的加筋垫层( 6 ，3 ) 的变形较加筋垫层( 1 0 ，5 ) 大，所以加筋垫层( 1 0 ，5 ) 顶面桩间土范围内的土压力平 均值大于加筋垫层( 6 ，3 ) 顶面桩间土范围内的土压力平均值。 图5 18 填筑过程中垫层顶面中心桩桩顶范围内土压力的变化 图5 19 填筑过程中垫层顶面桩间土范围内土压力的变化 从图5 2 0 可以看出，在填筑过程中，加筋垫层( 6 ，3 ) 与加筋垫层( 1 0 ，5 ) 顶面 的桩土应力比均随着填土高度的增加而增大，加筋垫层( 6 ，3 ) 底面的桩土应力比 明显大于无筋垫层( 6 ，3 ) 底面的桩土应力比。 4 3 桂林理工大学硕士学位论文 图5 1 8 、5 1 9 、5 2 0 表明加筋垫层( 6 ，3 ) 上部路堤填土中的拱效应大于加筋 垫层( 1 0 ，5 ) 上部路堤填土中的拱效应。 图5 2 0 填筑过程中垫层顶面桩土应力比的变化 4 3 3 加筋材料夹铺位置的影响 ( 1 ) 垫层底面土压力与桩土应力比变化 图5 2 1 填筑过程中垫层底面中心桩桩顶土压力的变化 从图5 2 1 可以看出，在填筑过程中，加筋垫层( 6 ，1 5 ) 与加筋垫层( 6 ，3 ) 底 面中心桩桩项土压力均随着填土高度的增加而增大，且增加的趋势基本相同，但 桂林理工大学硕士学位论文 加筋垫层( 6 ，1 5 ) 底面中心桩桩顶土压力略大。 图5 2 2 填筑过程中垫层底面桩间土土压力的变化 从图5 2 2 可以看出，在填筑过程中，加筋垫层( 6 ，1 5 ) 与加筋垫层( 6 ，3 ) 底 面桩间土表面的土压力平均值均随填土高度的增加而增大，增大的趋势基本相 同，但加筋垫层( 6 ，3 ) 底面桩间土表面的土压力略大。 图5 2 1 、5 2 2 表明在加筋材料夹铺层数相等的条件下，加筋垫层中加筋材 料的夹铺位置对桩一网复合地基中桩顶土压力和桩间土表面土压力均有一定影 响，但影响有限。 图5 23 填筑过程中垫层底面桩土应力比的变化 4 5 桂林理工大学硕士学位论文 从图5 2 3 可以看出，在填筑过程中，加筋垫层( 6 ，3 ) 与加筋垫层( 6 ，1 5 ) 底 面的桩土应力比均随填土高度的增加而增大，加筋垫层( 6 ，1 5 ) 底面的桩土应力 略大。这表明在加筋材料夹铺层数相等的条件下，改变加筋垫层中加筋材料的夹 铺位置对桩一网复合地基的桩土应力比有一定影响，与加筋材料夹铺在垫层中部 相比，将加筋材料夹铺在垫层的下部可使桩土应力比略有提高。其实降低加筋垫 层中加筋材料夹铺位置的根本目的是为了限制桩体向垫层的刺