桩承式路堤中加筋体工作机理研究_庄妍

Reinforcement performance of piled embankments
ZHUANG Yan1, 2, WANG Kang-yu1, 2, LIU Han-long1, 2
(1. Key Laboratory of Ministry of Education for Geomechanics and Embankment Engineering, Nanjing 210000, China; 2.Geotechnical Research Institute, HoHai University; Nanjing 210000, China)
-3
E 25
度/(kN·m ) 系数 K0 /MPa 17.0 0.5
泊松比 0.33
黏聚力 摩擦角 剪胀角 /kPa 0 /(°) 30 /(°) 0
1
1.1
数值模型的建立与验证
模型的建立与参数选择 应用有限元分析软件 ABAQUS， 建立三维有限元
分析模型。桩土的平面位置如图 1 所示。本文的分析 对象是路堤填料，路堤填料采用莫尔–库仑模型，加 筋体模型具体参数按表 1 选取，土体模型具体参数按 表 2 选取。考虑到模型的对称性，取 1/4 实体（图 1 中阴影部分）进行分析。具体几何模型及其网格划分 如图 2 所示。所建模型为立方体形状，模型四周约束
─────── 基金项目 ：国家自然科学基金高铁联合基金项目（ U1134207 ） ；江苏 省 333 项目 （BRA2011146） ； 国家自然科学基金青年项目 （51108155） ； 江苏省博士后基金项目（1102070C） 收稿日期：2013–02–28
增刊 1
庄 妍，等. 桩承式路堤中加筋体工作机理研究
水平方向位移，底部 1/4 桩帽约束竖直方向位移，桩 间土区域采用竖向均布荷载模拟软土承载力作用。模 型的底面一部分为为桩帽的 1/4 （面积为 a2 / 4） ， 其余 。路堤填料采用 8 节点 为软土（面积为（s2 - a2）/ 4） 1 次实体单元，土工格栅采用 4 节点 1 次膜单元，土 工格栅与填料的相互作用采用带有惩罚系数的接触模 拟，摩擦系数 i 分别采用 30°和 0°。
-
Program 建立有限元分析模型，得出路堤填料竖向应 力随填料深度的变化曲线（图 3 中 P & Z 分析结果） 。 本文利用 ABAQUS 建立的有限元模型进行分析，得 出路堤填料竖向应力随填料深度的变化曲线（图 3 中 本文分析结果） ， 其中 P & Z 分析结果所对应的模型路 堤高度为 4.0 m，路堤下存在直径为 2.0 m 的孔洞；本 文分析结果所对应的模型路堤高度为 3.5 m，桩间距 为 2.0 m，且路堤下桩间土对其具有支撑作用。从图 3 可以看出，路堤填料中竖向应力随着路堤填料高度的 减小而逐渐减小，且路堤填料中的竖向应力等于其自 重应力，表明填料没有受到土拱效应的影响；当路堤 填料高度减小到一定值时，路堤填料中的竖向应力小 于其自重应力，表明在土拱效应的作用下应力发生重 分布，填料间竖向应力开始减小，由于 Potts 等建立 的模型中孔洞对其上部填料没有支撑作用，故在填料 高度为零时，填料间竖向应力减小到零；而本文所建 立的模型中， 路堤下软土对其上部填料具有支撑作用， 因而在填料高度减小为零时，填料间的竖向应力不会 减小到零。由于两种情况的路堤填料高度不同，因此 两条分析线呈现平行关系，而不是重合。通过图 2 中 所描述的路堤填料竖向应力与路堤填土高度的变化关 系，可以认为本文建立的模型是合理的。
图 2 数值模型及网格划分 Fig. 2 Typical finite element mesh
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岩 土 工 程 学 报
2013 年 表 3 数值模拟工况
1.2
模型的验证 Potts 等
[15]
采用 Imperial College Finite Element
工况 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
表 1 加筋体模型所用参数 Table 1 Parameters of geogrid 加筋体层数 1 1 3 E/MPa 12000 6000 2000 泊松比 0.3 0.3 0.3 厚度/m 0.001 0.001 0.001
图 1 桩土平面示意图 Fig. 1 Plan sketch of piles and soil 表 2 数值模型中采用的材料参数 Table 2 Parameters of materials 土体饱和重 土压力
0
引
言
桩承式加筋路堤由路堤填料、 水平加筋体、 桩 （桩 帽或桩梁）和地基土组成，是近年来在软土地区兴起 的一种新型路堤形式，采用桩承式加筋路堤，能有效 地控制地基的沉降和侧向变形，从而减小工后沉降和 不均匀沉降，同时可快速填筑施工，无需预压期和二 次开挖，大大缩短施工工期，施工质量容易控制，其 造价与水泥搅拌桩地基基本相当，具有明显的经济效 益和社会效益。目前，桩承式加筋路堤在国内外已开 始应用。 桩承式加筋路堤受力性状比较复杂，涉及路堤填 土、桩、桩间土和水平加筋体之间的相互作用，其中 土拱效应和拉膜效应是桩承式加筋路堤涉及的重要研 究课题。由于桩和桩间软土的刚度存在较大的差异， 在路堤自重荷载作用下，桩间土上部的路堤填料相对 桩帽上路堤填料会发生较大的向下位移而形成差异沉
第 35 卷 增刊 1 2013 年 .7 月
岩
土
工
程
学
报
Chinese Journal of Geotechnical Engineering
Vol.35 Supp.1 July 2013
桩承式路堤中加筋体工作机理研究
庄 妍
1，2
，王康宇
1，2
，刘汉龙
1，2
（1. 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，江苏 南京 210098；2. 河海大学岩土工程研究所，江苏 南京 210098）
摘
要：通过建立桩承式加筋路堤三维数值模型，对桩承式加筋路堤中的加筋体工作机理进行了分析研究，分析了路
堤高度、桩间距及加筋体拉伸强度等因素对加筋体工作机理的影响规律。研究结果表明：当加筋体具有足够大的竖向 位移时，桩间土承担的竖向荷载可以很大程度的减小；加筋体中的最大拉力位于桩帽边缘，且其值是相邻两桩对角线 中点处加筋体中拉力的 2～3 倍；桩间距和拉伸强度对加筋体的承载力具有重要影响，且桩间距的影响较大。该研究成 果可为桩承式加筋路堤设计提供有益的参考。 关键词：桩承式路堤；三维数值模拟；桩土应力比；桩土差异沉降；土拱 中图分类号：TU473 文献标识码：A 文章编号：1000–4548(2013)S1–0294–06 作者简介：庄 妍(1982– )，女，江苏徐州人，副教授，博士，2009 年毕业于英国诺丁汉大学岩土工程专业，主要从 事软基处理方面的教学与科研工作。E-mail:
土拱效应不足，桩间土承担的荷载太大，路堤顶面容 易出现过大的差异沉降，影响使用；反之则达不到桩 承式加筋路堤应有的经济效果。 近年来，国内外学者关于加筋褥垫层受力特性进 行了大量的研究：一类是单层加筋褥垫层，加筋褥垫 层表现出张拉薄膜的性质；另一类是采用双层或多层 加筋褥垫层， 加筋褥垫层表现得像板或梁[2]，Fluet 等[3] 指出采用 “梁” 系统比完全柔性的加固效果要好。 Wang [4] 等 也在假定一个近似黏聚力的情况下考虑了多层加 筋的情况。 BS8006[5]和 Russell 等[6]对单层加筋时加筋 材料的拉力进行了估算。加筋褥垫层中加筋材料张拉 力的计算方法主要有：英国 BS8006 法、Catenary 法、 Carlsson 法以及 Sintef 法。 其中 BS8006 法[5]是以薄膜 理论为基础，在对填土荷载等作了简化近似计算后得 出了桩间（或桩帽间）土工筋材的拉力，Russell 等[6] 考虑三维效应的影响，对 BS8006 法提出的公式进行 了修正。 Catenary 法[7]是由 John 假定加筋材料在竖向 荷载下变形曲线服从悬链线分布得出的，因此称为悬 链线法。 Carlsson[8]提出了一个较为简单的筋材最大挠 度计算公式和二维 平面内的筋材 拉力计算公式， Rogbeck 等[9]在此基础上提出了考虑三维效应的修正 系数。以上这 3 种方法都只考虑了单层加筋的情况， 而且除了 Catenary 法中简单考虑了桩间土作用外，其 余 3 种方法都忽略了桩间土的支撑作用。Chen 等[10] 通过 1 g 平面应变的试验分别研究了有加筋体和没有 加筋体路堤填土中的土拱效应。曹卫平等[11]通过模型 试验，研究了桩土相对位移、路堤高度、桩梁净间距、 桩梁宽度及水平加筋体等因素对桩土应力比及路堤沉 降的影响。陈福全等 [12] 基于三维土拱效应和改进的 Hewlett 土拱效应算法对桩承式加筋路堤进行了分析。 夏唐代等 [13] 通过现场试验研究了筒桩桩承式加筋路 堤的工作机制。费康等[14]通过现场试验与数值模拟对 桩承式加筋路堤进行了分析研究。本文进行了三维数 值模拟，对桩土应力分布的变化规律、路堤沉降变形 性状及其影响因素进行了较为系统的研究。
Abstract: Finite element numerical simulation is conducted to investigate the behavior of piled embankment. It is found that the geogrid is capable of reducing the ultimate stress on the subsoil to zero. The maximum tension in the geogrid occurs at the corner of the pile cap. For the case with three layers of reinforcement distributed through the bottom of the embankment, the upper two layers share relatively little tension compared to the bottom layer. The sag of the reinforcement is very sensitive to the span of the geogrid between piles, but relatively insensitive to the stiffness of the geogrid. The conclusions drawn from the tests may provide valuable reference for the practice. Key words: piled embankment; three-dimensional simulation; pile-subsoil stress ratio; differential settlement; soil arching