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摘要: 采用有限元软件P lax is建立了四个模型, 通过对比模型计算结果, 分析了土工格栅和桩帽对刚性桩加固软土路基中的作用, 并与柔性桩加固软土路基的果进行对比。结果表明: 土工格栅对调节桩土应力比、均化沉降有一定作用; 桩帽对提高桩土应力比减小差异沉降的作用较明显; 与柔性桩相比, 刚性桩更能有效控制路堤总沉降和约束地基土体的向位移。
关键词: 刚性桩; 路堤; 有限元; 桩土应力比
0. 引言
目前, 工程上已广泛使用刚性桩加固软土地基。对于刚性桩加固软土路基的设计, 存在几个关键问题: 因土拱而传递至桩上的荷载比例, 即桩土荷载分担比问题; 刚性桩处理软土地基优化设计方案的确定; 刚性桩与土工格栅共同作用时相互之间作用机理问题等等。尽管刚性桩加固软土地基已在国内得到广泛的应用, 但国内却尚无相关设计规范, 且理论落后于实践。本文采用数值模拟刚性桩加固软土地基的四种设计方法, 并对路堤变形特性以及桩体的应力特性进行对比分析, 为设计施工提供参考。
1 数值建模及参数选取
本文计算采用岩土有限元软件P lax is, 根据目前常用的四种刚性桩加固软土路基的地基处理方式, 建立了四个轴对称模型: 不加桩帽不加土工格栅、不加桩帽加土工格栅、加桩帽不加土工格栅和加桩帽加土工格栅(后述皆分别简化为: 无帽无网、无帽有网、有帽无网、有帽有网) 进行对比分析。图1为未加桩帽时有限元计算模型。假定地基土和路堤均为摩尔-库仑弹塑性材料, 土工格栅、桩及桩帽为线弹性体,路堤荷载瞬时施加。模型两侧受水平向约束, 底部为水平向和竖向约束。模型采用15节点三角形单元,以提高计算精度。表1为计算模型相关参数。桩体打穿软土层, 进入下卧硬土层2.0 m。桩间距3.5 m,桩径为0.5 m。有桩帽时, 桩帽宽取1.00 m, 厚度为0.25 m。路面车载用20 kPa的等效静载代替。
图1 计算模型
2 结果分析
2.1 桩土应力比、荷载比对比分析
通过有限元软件计算得到四种不同处理方式作用下桩(有桩帽时取桩帽下的桩顶处的应力) 与桩间土之间的应力分布。取单桩影响范围为桩两侧桩间土宽度的一半, 采用平均值方法对计算得到的数据进行处理, 得到桩顶平均应力和桩间土平均应力 ,求得桩土应力比 。图2为各桩与其影响范围内桩间土的应力比。由上述平均应力算得的桩承担荷载Pp 和桩间土承担荷载Ps 四组模型Model- 1,M odel- 2, M odel- 3, M odel- 4的桩土荷载分担比 = Pp / (Pp + Ps )分别为80.5%, 75.8%, 66.3%, 59.1%。
由图2可以看出桩土应力比均大于5, 桩顶出现了应力集中现象, 即土拱效应。具体分析: 有网有帽模型桩土应力比最大, 无土工格栅有桩帽模型次之, 无桩帽的两组模型桩土应力比明显比有桩帽的两组小, 有格栅模型的桩土应力比均大于相同条件下无格栅模型的桩土应力比。从现有的几种桩土应力比计算方法可以看出桩土应力比差异主要取决于土拱效应, 加桩帽后桩土应力比提高说明加桩帽可提高土拱调节荷载分担比的能力, 从荷载分担比也可看出, 相同情况下加桩帽后荷载分担比提高了15% 左右。当桩顶上加桩帽时能较大地提高桩土荷载分担比, 使荷载通过桩直接传到下卧硬土层, 减小桩间土所承担的荷载, 从而减小软弱土层后期的蠕变以及由此引起的路基工后不均匀沉降。有无土工格栅模型间桩土应力比的差异主要是由于土工格栅的!提兜作用使桩间土应力减小; 但土工格栅对调节软土路堤荷载分担比的作用十分有限, 只有5%左右。而土工格栅对调节软土路堤荷载分担比有一定的作用, 但作用不大。荷载分担比的作用, 还可控制不均匀沉降的发生及筋材与地基土间的摩擦作用约束地基侧向变形, 增强土体的整体性, 从而提高土体的抗剪强度, 减少地基不均匀沉降。
2.2 路堤各层沉降分析
路堤填土自重及路面荷载会使路基产生附加应力, 引起土体固结沉降。路堤上的沉降由3 部分组成: 路堤填土自身压缩量、桩身范围内的沉降和下卧层的沉降。由于路基上桩土刚度差异, 路堤填土达到某一高度前, 会使路面产生较大的不均匀沉降,影响其正常使用功能。当路堤填土达到某一高度后,各土层沉降量相等, 形成等沉面。因此, 研究路堤填土各层沉降量有着重要的意义。图3是四组模型分别在路堤填土高度为0.5, 2.5, 4.5 m 时路基宽度范围各层沉降曲线图。
图3不同路堤填土高度处的沉降量
如图3, 在0.5 m 填土高度处, 四组模型都出现了较大的不均匀沉降, 有桩帽的两组模型的沉降量明显比无桩帽的两组模型小; 有土工格栅模型比相应的无土工格栅模型沉降要小, 但差异不大。在2.5 m 填土高度处, 有土工格栅的两组模型沉降曲线接近水平, 即已经形成了等沉面。无土工格栅的两组有明显不均匀沉降, 但除路基中间部分, 无网有帽模型已与有网无帽模型相差无几; 在4.5 m 填土高度处, 无土工格栅的两组模型不均匀沉降现象相较2.5 m 处没有得到改善, 除路基中间部分外, 有网无帽模型沉降量已小于无网有帽模型。沉降曲线在2.5, 4.5 m 两土层距中心轴10-11, 12-13 m 处分别出现明显的下凹现象。各层填土相同情况下, 有无桩帽间沉降差变化不大, 差值在5 cm 左右。采用刚性桩加固软土地基时, 加土工格栅差异沉降比不加土工格栅小, 形成等沉面的填土高度要小,说明土工格栅可有效控制不均匀沉降。从数值分析应力矢量图可知, 无土工格栅模型填土处正处于路堤潜在滑移带上, 失去了土工格栅的约束作用, 因此出现了下凹现象。
3. 刚柔性桩对比分析
为了更好地了解刚性桩与柔性桩在处理软土路基时的差异, 建立了两组柔性桩模型与相应刚性桩模型进行对比分析。两组柔性桩模型中桩体弹性模量E =240MP a, 泊松比0.23。均采用有桩帽, 桩帽材料与桩体相同, 一组模型采用无土工格栅, 另一组模型采用有土工格栅, 其它参数与之前建立的模型相同。
图4为两组柔性桩模型有限元计算路堤填土高度为0.5, 2.5, 4.5 m 处路基宽度范围各层沉降曲线,并与M odel- 1 (有网有帽) , M odel- 3 (无网有帽)进行对比。图5为路堤坡底下方(距中心轴距离为27 m ) 沿路基度土体的水平位移。
从图4钢—柔性桩沉降对比
从图4可知, 采用刚性桩处理软土路基的两组模型沉降量比柔性桩的两组模型的沉降量减小50%以上。有土工格栅情况下, 在填土高度为2.5 m 处时, 刚、柔性桩模型都已经基本形成等沉面, 并没有因为采用刚性桩时由于桩土刚度差异大而增高等沉面形成所需的填土高度; 无土工格栅的情况下, 采用柔性桩模型差异沉降更大。
从图5看出, 刚性桩对桩范围内土体侧向位移的约束能力比柔性桩强, 有土工格栅模型桩体对土体侧向位移约束能力明显加强, 影响范围达软土深层。由于下卧硬土层压缩模量较大, 水平向位移明显减小, 此时刚性桩模型与柔性桩模型的差异不明显。与柔性桩处理软土路基相比, 采用刚性桩能有效控制沉降和约束土体侧向位移, 且并不会因为刚度差异大而增高等沉面形成所需的填土高度。在修建高速公路、鐵路等对沉降控制要求很高的路堤, 特别是对路基总沉降及工后沉降、路堤侧向变形要求严格时,采用刚性桩体加固软土路基更为合理。采用柔性桩加土工格栅处理软土路基, 也可较好地控制不均匀沉降, 在处理低等级公路路基且对路基总沉降及工后沉降、路堤侧向变形要求不高时, 从经济方面考虑也可采用柔性桩体加固, 对使用功能影响不大。
4. 结语
( 1) 刚性桩加固软土地基, 土工格栅对调节桩土应力比、均化沉降方面有一定作用; 桩帽对提高桩土应力比、减小差异沉降的作用较明显。
( 2) 刚性桩加固软土地基, 采用土工格栅加桩帽优化设计方案, 更能提高桩土应力比, 减小路堤沉降和差异沉降。
( 3) 与柔性桩相比, 刚性桩控制路堤总沉降和约束地基土体侧向位移的效果更好, 且不会因刚度差异大而增高等沉面形成所需的填土高度。在修建高速公路、铁路等对路基总沉降及工后沉降、路堤侧向变形方面要求严格时, 采用刚性桩体加固软土路基更为合理。
注：文章中所涉及的公式和图表请用PDF格式打开
关键词: 刚性桩; 路堤; 有限元; 桩土应力比
0. 引言
目前, 工程上已广泛使用刚性桩加固软土地基。对于刚性桩加固软土路基的设计, 存在几个关键问题: 因土拱而传递至桩上的荷载比例, 即桩土荷载分担比问题; 刚性桩处理软土地基优化设计方案的确定; 刚性桩与土工格栅共同作用时相互之间作用机理问题等等。尽管刚性桩加固软土地基已在国内得到广泛的应用, 但国内却尚无相关设计规范, 且理论落后于实践。本文采用数值模拟刚性桩加固软土地基的四种设计方法, 并对路堤变形特性以及桩体的应力特性进行对比分析, 为设计施工提供参考。
1 数值建模及参数选取
本文计算采用岩土有限元软件P lax is, 根据目前常用的四种刚性桩加固软土路基的地基处理方式, 建立了四个轴对称模型: 不加桩帽不加土工格栅、不加桩帽加土工格栅、加桩帽不加土工格栅和加桩帽加土工格栅(后述皆分别简化为: 无帽无网、无帽有网、有帽无网、有帽有网) 进行对比分析。图1为未加桩帽时有限元计算模型。假定地基土和路堤均为摩尔-库仑弹塑性材料, 土工格栅、桩及桩帽为线弹性体,路堤荷载瞬时施加。模型两侧受水平向约束, 底部为水平向和竖向约束。模型采用15节点三角形单元,以提高计算精度。表1为计算模型相关参数。桩体打穿软土层, 进入下卧硬土层2.0 m。桩间距3.5 m,桩径为0.5 m。有桩帽时, 桩帽宽取1.00 m, 厚度为0.25 m。路面车载用20 kPa的等效静载代替。
图1 计算模型
2 结果分析
2.1 桩土应力比、荷载比对比分析
通过有限元软件计算得到四种不同处理方式作用下桩(有桩帽时取桩帽下的桩顶处的应力) 与桩间土之间的应力分布。取单桩影响范围为桩两侧桩间土宽度的一半, 采用平均值方法对计算得到的数据进行处理, 得到桩顶平均应力和桩间土平均应力 ,求得桩土应力比 。图2为各桩与其影响范围内桩间土的应力比。由上述平均应力算得的桩承担荷载Pp 和桩间土承担荷载Ps 四组模型Model- 1,M odel- 2, M odel- 3, M odel- 4的桩土荷载分担比 = Pp / (Pp + Ps )分别为80.5%, 75.8%, 66.3%, 59.1%。
由图2可以看出桩土应力比均大于5, 桩顶出现了应力集中现象, 即土拱效应。具体分析: 有网有帽模型桩土应力比最大, 无土工格栅有桩帽模型次之, 无桩帽的两组模型桩土应力比明显比有桩帽的两组小, 有格栅模型的桩土应力比均大于相同条件下无格栅模型的桩土应力比。从现有的几种桩土应力比计算方法可以看出桩土应力比差异主要取决于土拱效应, 加桩帽后桩土应力比提高说明加桩帽可提高土拱调节荷载分担比的能力, 从荷载分担比也可看出, 相同情况下加桩帽后荷载分担比提高了15% 左右。当桩顶上加桩帽时能较大地提高桩土荷载分担比, 使荷载通过桩直接传到下卧硬土层, 减小桩间土所承担的荷载, 从而减小软弱土层后期的蠕变以及由此引起的路基工后不均匀沉降。有无土工格栅模型间桩土应力比的差异主要是由于土工格栅的!提兜作用使桩间土应力减小; 但土工格栅对调节软土路堤荷载分担比的作用十分有限, 只有5%左右。而土工格栅对调节软土路堤荷载分担比有一定的作用, 但作用不大。荷载分担比的作用, 还可控制不均匀沉降的发生及筋材与地基土间的摩擦作用约束地基侧向变形, 增强土体的整体性, 从而提高土体的抗剪强度, 减少地基不均匀沉降。
2.2 路堤各层沉降分析
路堤填土自重及路面荷载会使路基产生附加应力, 引起土体固结沉降。路堤上的沉降由3 部分组成: 路堤填土自身压缩量、桩身范围内的沉降和下卧层的沉降。由于路基上桩土刚度差异, 路堤填土达到某一高度前, 会使路面产生较大的不均匀沉降,影响其正常使用功能。当路堤填土达到某一高度后,各土层沉降量相等, 形成等沉面。因此, 研究路堤填土各层沉降量有着重要的意义。图3是四组模型分别在路堤填土高度为0.5, 2.5, 4.5 m 时路基宽度范围各层沉降曲线图。
图3不同路堤填土高度处的沉降量
如图3, 在0.5 m 填土高度处, 四组模型都出现了较大的不均匀沉降, 有桩帽的两组模型的沉降量明显比无桩帽的两组模型小; 有土工格栅模型比相应的无土工格栅模型沉降要小, 但差异不大。在2.5 m 填土高度处, 有土工格栅的两组模型沉降曲线接近水平, 即已经形成了等沉面。无土工格栅的两组有明显不均匀沉降, 但除路基中间部分, 无网有帽模型已与有网无帽模型相差无几; 在4.5 m 填土高度处, 无土工格栅的两组模型不均匀沉降现象相较2.5 m 处没有得到改善, 除路基中间部分外, 有网无帽模型沉降量已小于无网有帽模型。沉降曲线在2.5, 4.5 m 两土层距中心轴10-11, 12-13 m 处分别出现明显的下凹现象。各层填土相同情况下, 有无桩帽间沉降差变化不大, 差值在5 cm 左右。采用刚性桩加固软土地基时, 加土工格栅差异沉降比不加土工格栅小, 形成等沉面的填土高度要小,说明土工格栅可有效控制不均匀沉降。从数值分析应力矢量图可知, 无土工格栅模型填土处正处于路堤潜在滑移带上, 失去了土工格栅的约束作用, 因此出现了下凹现象。
3. 刚柔性桩对比分析
为了更好地了解刚性桩与柔性桩在处理软土路基时的差异, 建立了两组柔性桩模型与相应刚性桩模型进行对比分析。两组柔性桩模型中桩体弹性模量E =240MP a, 泊松比0.23。均采用有桩帽, 桩帽材料与桩体相同, 一组模型采用无土工格栅, 另一组模型采用有土工格栅, 其它参数与之前建立的模型相同。
图4为两组柔性桩模型有限元计算路堤填土高度为0.5, 2.5, 4.5 m 处路基宽度范围各层沉降曲线,并与M odel- 1 (有网有帽) , M odel- 3 (无网有帽)进行对比。图5为路堤坡底下方(距中心轴距离为27 m ) 沿路基度土体的水平位移。
从图4钢—柔性桩沉降对比
从图4可知, 采用刚性桩处理软土路基的两组模型沉降量比柔性桩的两组模型的沉降量减小50%以上。有土工格栅情况下, 在填土高度为2.5 m 处时, 刚、柔性桩模型都已经基本形成等沉面, 并没有因为采用刚性桩时由于桩土刚度差异大而增高等沉面形成所需的填土高度; 无土工格栅的情况下, 采用柔性桩模型差异沉降更大。
从图5看出, 刚性桩对桩范围内土体侧向位移的约束能力比柔性桩强, 有土工格栅模型桩体对土体侧向位移约束能力明显加强, 影响范围达软土深层。由于下卧硬土层压缩模量较大, 水平向位移明显减小, 此时刚性桩模型与柔性桩模型的差异不明显。与柔性桩处理软土路基相比, 采用刚性桩能有效控制沉降和约束土体侧向位移, 且并不会因为刚度差异大而增高等沉面形成所需的填土高度。在修建高速公路、鐵路等对沉降控制要求很高的路堤, 特别是对路基总沉降及工后沉降、路堤侧向变形要求严格时,采用刚性桩体加固软土路基更为合理。采用柔性桩加土工格栅处理软土路基, 也可较好地控制不均匀沉降, 在处理低等级公路路基且对路基总沉降及工后沉降、路堤侧向变形要求不高时, 从经济方面考虑也可采用柔性桩体加固, 对使用功能影响不大。
4. 结语
( 1) 刚性桩加固软土地基, 土工格栅对调节桩土应力比、均化沉降方面有一定作用; 桩帽对提高桩土应力比、减小差异沉降的作用较明显。
( 2) 刚性桩加固软土地基, 采用土工格栅加桩帽优化设计方案, 更能提高桩土应力比, 减小路堤沉降和差异沉降。
( 3) 与柔性桩相比, 刚性桩控制路堤总沉降和约束地基土体侧向位移的效果更好, 且不会因刚度差异大而增高等沉面形成所需的填土高度。在修建高速公路、铁路等对路基总沉降及工后沉降、路堤侧向变形方面要求严格时, 采用刚性桩体加固软土路基更为合理。
注：文章中所涉及的公式和图表请用PDF格式打开