疏樁路基系統(tǒng)荷載傳遞機理與穩(wěn)定機制研究.pdf

1、由路基、軟土地基、疏樁與樁帽、以及（加筋）墊層等若干要素組成的樁承式（加筋）路基結構形式這一有機整體可簡稱為“疏樁路基系統(tǒng)”。近年來，疏樁路基系統(tǒng)以其深層加固效果好、控沉穩(wěn)定、經(jīng)濟合理等優(yōu)點在深厚軟土地區(qū)修建的高速公路、高速鐵路中得到廣泛應用。然而疏樁路基系統(tǒng)作為一個新生事物，其理論研究滯后于工程實踐，亟需深入系統(tǒng)的開展其工作機制研究，完善相關分析理論和設計方法。本文以深厚飽和軟黏土地區(qū)的疏樁路基系統(tǒng)為研究對象，在科學認知深厚飽和軟黏土

2、的工程特性的基礎上，有針對性的開展了區(qū)域性飽和軟黏土中基樁的設置效應研究，并重點圍繞深厚軟土中疏樁路基系統(tǒng)的工作機理和穩(wěn)定機制展開研究，采用現(xiàn)場試驗、理論分析與數(shù)值模擬相結合的綜合研究手段，建立了路基荷載轉移模型、疏樁荷載傳遞模型、疏樁路基穩(wěn)定分析模型，揭示了深厚軟土地區(qū)疏樁路基系統(tǒng)中路基荷載的轉移特點、疏樁的荷載傳遞特點，繼而建立了疏樁路基系統(tǒng)的實用沉降計算方法和穩(wěn)定分析方法，完善了設計理論;并對相關分析模型和計算方法進行了程序實現(xiàn)和

3、工程驗證。相關研究不僅具有重要的理論價值，而且具有重要的實用意義。本研究主要內(nèi)容包括：
　?、呕谑覂?nèi)天然沉積土原狀樣和重塑土樣的對比試驗，提取了表征土體結構性的強度靈敏度St，屈服應力比YSR、應力靈敏度Sσ、穩(wěn)定指數(shù)SI等參數(shù)，進而分析了結構性對天然沉積黏土的原位壓縮特性的影響;并驗證了可考慮結構性和初始各向異性影響的彈塑性本構模型在分析本文區(qū)域性飽和軟黏土應力應變關系的合理性;并基于該模型，引入表征結構性土壓縮變形的參數(shù)a和

4、b，推導了K0固結結構性軟土的不排水抗剪強度的計算公式，通過典型軟土的實測數(shù)據(jù)驗證了計算方法的正確性，為后續(xù)計算提供了重要參數(shù);
　?、圃谛拚齽蚰Ｐ偷幕A上，將可考慮初始各向異性影響的傾斜屈服面方程引入到柱孔擴張理論中，結合重塑土的不排水抗剪強度的理論計算公式，建立了天然狀態(tài)下飽和土體中柱孔擴張的完整半解析半數(shù)值解，求得了樁孔擴張的極限擴孔力和超孔隙水壓力，并利用該解答分析了沉樁的擠土效應，回答了飽和軟黏土中基樁的設置效應問題;

5、在基于修正劍橋模型的球孔擴張理論的近似解答的基礎上，引入樁端破壞類似于球孔擴張引起的壓縮和剪切破壞模式，求得了球孔擴張應力與樁端極限端阻之間的計算公式，并分析了Boston Blue Clay土中樁端阻力的極限值，與規(guī)范推薦做了對比，驗證了本文分析的正確性;并提出了半經(jīng)驗半理論的樁端荷載位移模型，探討了沉樁阻力的臨界深度和最小厚度等關鍵工程問題;
　?、腔赨nit Cell單元分析模型，引入鏡像樁彈性疊加原理模擬大樁群疏樁相互作

6、用，引入樁土接觸面剪切位移理想彈塑性模型，建立了疏樁地基荷載傳遞廣義剪切位移單元分析模型，推導出適用于三元地基結構的疏樁地基荷載傳遞廣義剪切位移理論分析方法。通過算例分析，揭示了疏樁間距、荷載水平對疏樁地基減沉效果的重要影響，闡明了疏樁與基體的荷載位移傳遞特征，以及樁頂相對位移、樁端持力層剛度對疏樁基體體系工作性狀的影響機制，且驗證了該模型的正確性和算法的靈活性?；谏鲜鰪V義剪切位移單元分析模型，結合Marston路基內(nèi)柱面剪切位移“土

7、拱”效應理論分析原理，提出路床頂為結構等層面的概念，且引入柱面剪切位移理想彈塑性模型，建立了疏樁路基基底荷載轉移柱面廣義剪切位移單元分析模型，推導出路基-墊層雙層體系時的基底荷載轉移的剪切位移理論分析方法。通過上述疏樁地基樁土剪切位移的荷載傳遞理論分析方法和路基內(nèi)柱面剪切位移的基底荷載轉移理論分析方法的聯(lián)合求解，根據(jù)疏樁路基基底基底荷載與位移相容性（位移協(xié)調(diào)與應力平衡）邊界條件，進一步提出了疏樁路基系統(tǒng)整體廣義剪切位移基底荷載傳遞與疏樁

8、荷載傳遞的理論分析方法。
　　⑷基于上述基底荷載轉移與疏樁荷載傳遞的理論分析，可直接得到由疏樁路基系統(tǒng)中疏樁的向上刺入、自身壓縮和向下貫入三項組成的“疏樁相關位移”值;且同時可以得到基底樁土荷載分擔和疏樁荷載分布。據(jù)此，提出了疏樁相關位移和樁端下臥層壓縮變形組成疏樁路基系統(tǒng)總沉降的概念模型?；谑铇堵坊幕讟锻梁奢d分擔和疏樁荷載分布，運用Boussinesq和Mindlin彈性理論應力解答疊加算法分析得到了疏樁間軟弱基體與樁端下

9、臥層附加應力場，揭示了疏樁基底荷載分擔與深層荷載傳遞效應，闡明了樁間軟弱基體附加應力顯著減小的疏樁補償軟土的“減沉”機制;但提高了樁端下臥層的附加應力水平，且進一步提出了樁端下臥層疏樁傳遞荷載效應修正系數(shù)1.2～1.4，建立了由均質地基Boussinesq理論解答修正的簡化樁端下臥層附加應力計算方法。綜合樁端下臥層附加應力與下臥層天然沉積土的變形規(guī)律，提出了疏樁下臥層壓縮變形計算的實用方法。
　　⑸基于極限狀態(tài)設計原理中的使用極限

10、狀態(tài)設計原則，提出了基于路基基底荷載疏樁分擔（應力集中）抑制樁間軟弱基體剪切塑流的疏樁路基疏樁補償穩(wěn)定概念模型。首先根據(jù)疏樁路基系統(tǒng)整體的廣義剪切位移理論分析所得到的疏樁路基基底樁帽間地基分擔荷載，概化為基底面疏樁補償后的分布荷載Pk;然后推導了分布荷載地基梁軸力為定常的解析解答，用于分析了軟土地基硬殼層豎向荷載的板體擴散效應，建立硬殼層豎向應力擴散至軟土頂面的分布荷載pk的概化模型，并提出了僅采用Boussinesq彈性理論應力解答，

11、分析疏樁路基樁間軟弱基體附加應力場的實用分析方法;最后基于飽和軟土不排水強度的軟土地基側向位移特征判別方法，建立了疏樁路基系統(tǒng)疏樁補償軟土地基穩(wěn)定的路基“臨界高度”的疏樁路基補償穩(wěn)定簡化判別方法，即pk＜3Su。
　?、驶跇O限狀態(tài)設計中的承載力極限狀態(tài)設計原理，提出了被動區(qū)軟土塑流荷載作用于疏樁時，疏樁構件彎拉破壞導致疏樁路基失穩(wěn)的疏樁屈服失穩(wěn)概念模型?；陲柡蛙涴ね敛慌潘畯姸萐u理論分析，完善了路基下軟土地基剪切塑流的彈塑性理