樁承式加筋路堤土拱形成-演化機理及承載特性宏細觀分析.pdf

1、隨著經(jīng)濟的飛速發(fā)展，交通運輸資源的需求而日益增大，高速公路和鐵路作為最為便捷的交通運輸方式得到了大力發(fā)展。樁承式加筋路堤，因其經(jīng)濟高效的優(yōu)點已在高速公路和鐵路工程建設(shè)中得到了廣泛應用。土拱效應作為樁承式加筋路堤中主要的荷載傳遞機制而倍受專家學者關(guān)注。然而，目前在“土拱結(jié)構(gòu)”的形成-演化機理及其承載特性等方面的研究，嚴重滯后于樁承式加筋路堤的實際工程應用。因此，本文基于室內(nèi)模型試驗和顆粒流數(shù)值分析模型，對“土拱結(jié)構(gòu)”的形成-演化機理及其承

2、載特性進行系統(tǒng)的研究。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴基于室內(nèi)二維模型試驗，對“土拱結(jié)構(gòu)”的形態(tài)特征及演化規(guī)律進行分析。試驗通過攝影成像技術(shù)獲取路堤填料位移場分布規(guī)律，以研究“土拱結(jié)構(gòu)”的形態(tài)特征；同時，結(jié)合樁土壓力隨樁土相對位移Δs增大的變化規(guī)律，對“土拱結(jié)構(gòu)”演化規(guī)律進行了初探；在此基礎(chǔ)上，研究了路堤填筑高度H及格柵加筋對“土拱結(jié)構(gòu)”的影響。試驗結(jié)果表明：“土拱結(jié)構(gòu)”隨樁土相對位移Δs的增大而逐漸發(fā)展，土拱效應逐漸顯著。路堤填筑高

3、度H對“土拱結(jié)構(gòu)”形態(tài)的影響顯著，當H<0.7(s-a)（(s-a)為樁凈間距）時，路堤中僅能形成“傾斜剪切面”；當0.7(s-a)≤H≤1.4(s-a)時，路堤中可形成不閉合的弧形“部分土拱”；而當H>1.4(s-a)時，路堤中則能形成“完全土拱”。格柵加筋對“土拱結(jié)構(gòu)”的發(fā)展有影響，但基本不會影響“土拱結(jié)構(gòu)”的形態(tài)及其承載力。然而，受路堤填料與模型箱體之間摩阻力的影響，“土拱結(jié)構(gòu)”的形成-演化機理未能被完全揭示。⑵基于前人的室內(nèi)模型

4、試驗建立顆粒流數(shù)值分析模型，從宏細觀角度對“土拱結(jié)構(gòu)”的形成-演化機理進行綜合分析。首先，提出了一種改進的分層壓實法以建立初始應力狀態(tài)較為合理的顆粒流數(shù)值模型，并通過試驗數(shù)據(jù)對數(shù)值模型的正確性進行了驗證。隨后，對相關(guān)宏觀指標（如，土壓力和路堤填料位移）及細觀指標（如，接觸力鏈、應力主方向及組構(gòu)各向異性主方向）的變化規(guī)律進行了系統(tǒng)分析。模擬結(jié)果表明：路堤中“土拱結(jié)構(gòu)”的主體結(jié)構(gòu)主要由強力鏈構(gòu)成，而弱力鏈則主要起支撐作用；“完全土拱”（即H

5、>1.4(s-a)的路堤）的發(fā)展與樁土相對位移Δs密切相關(guān)。在較小的Δs條件下，路堤中僅能形成“傾斜剪切面”，并隨Δs的增大而逐漸演變成拱高約為0.5(s-a)的“懸鏈線形拱”；隨后，該“懸鏈線形拱”的拱高隨Δs的增大而增大，達到0.8(s-a)后保持相對穩(wěn)定。⑶基于前人的室內(nèi)模型試驗建立顆粒流數(shù)值分析模型，從宏細觀角度對準靜態(tài)荷載下“土拱結(jié)構(gòu)”的演化規(guī)律進行深入分析。數(shù)值模型中，路堤表面的準靜態(tài)荷載通過伺服機制分級施加，并系統(tǒng)分析了相

6、關(guān)宏觀指標（如，路堤荷載傳遞效率）和細觀指標（如，接觸力鏈、應力主方向及組構(gòu)各向異性）的演化規(guī)律。模擬結(jié)果表明：在準靜態(tài)荷載作用下，“完全土拱”的荷載傳遞能力被充分調(diào)動，并隨準靜態(tài)荷載的增加而經(jīng)歷“發(fā)展-劣化-重構(gòu)”的演化規(guī)律；承載強力鏈的顆粒集合發(fā)生“垮塌”是“土拱結(jié)構(gòu)”發(fā)生劣化的直接原因，并導致強力鏈組構(gòu)各向異性程度及路堤荷載傳遞效率的降低。⑷基于前人室內(nèi)模型試驗建立了樁承式路堤動力響應顆粒流數(shù)值模型。模型中，通過在路堤表面施加正弦

7、波循環(huán)荷載以模擬車輛荷載，并系統(tǒng)分析了相關(guān)宏觀指標（如，路堤荷載傳遞效率、路堤填料位移）及細觀指標（如，接觸力、組構(gòu)各向異性）的動力響應特性，從宏細觀角度對循環(huán)荷載作用下“土拱結(jié)構(gòu)”的動力響應特性進行了綜合分析。研究結(jié)果表明：在循環(huán)荷載作用下，“完全土拱”的荷載傳遞能力先逐漸減弱，最后達到相對穩(wěn)定狀態(tài)；在循環(huán)荷載施加過程中，“土拱結(jié)構(gòu)”始終存在于路堤中，其發(fā)揮程度則根據(jù)路堤荷載傳遞需求而有所不同；加載階段，“土拱結(jié)構(gòu)”的荷載傳遞能力逐漸