PCC桩桩承式路堤土拱效应与地基-垫层-路堤共同作用机理研究

刚性桩复合地基是有效控制高速公路、高速铁路软土地基工后沉降和不均匀沉降的重要技术方法，而刚性桩复合地基桩-土协调共同作用的关键性技术问题就是：土拱效应的形成条件和荷载传递机理。本项目结合大型模型试验、数值模拟和理论分析对PCC桩桩承式路堤中土拱效应，桩-土荷载分担以及加筋褥垫层影响进行系统研究。分析路堤几何参数和材料参数等因素对土拱效应的形成条件和荷载传递特性的影响规律；加筋褥垫层性质、加筋体的数量和抗拉强度等因素对加筋褥垫层传力特性的影响规律；桩间土性质和厚度等因素对软土承载力作用特性的影响规律；继而对PCC桩桩承式加筋路堤进行力的传递机理的理论研究，并建立地基-垫层-路堤相互共同作用的计算方法。研究成果将丰富并创新桩-土相互作用机理和土拱效应分析理论，对阐明复合地基PCC桩-土荷载分担机理具有重要的理论意义，对指导高速公路、高速铁路等软基处理工程设计、施工具有重要的实用价值和经济效益。

刚性桩复合地基是有效控制高速公路、高速铁路软土地基工后沉降和不均匀沉降的重要技术方法，而刚性桩复合地基桩-土协调共同作用的关键性技术问题就是：土拱效应的形成条件和荷载传递机理。本项目通过开展大型模型试验，研究了PCC桩承式路堤中竖向应力的分布，单层和多层加筋体的作用特性，以及软土的承载作用，分析了PCC桩承式路堤的荷载传递机理。基于模型试验的参数，进行了有限元分析，研究结果表明：路堤高度h与桩间距s的比值对土拱效应的产生具有重要影响，当h/s ≤ 0.5时，没有土拱效应发生； 当0.5 ≤h/s ≤ 1.5时，土拱效应没有完全产生；当1.5 ≤h/s时，产生完整的土拱效应。路堤中的加筋体对分担桩间软土的竖向应力，减小路堤的沉降和差异沉降具有重要的作用，且受桩间距的影响较大。采用Orthotropic膜单元模拟加筋体更能符合加筋体真实的作用特性，且作用结果与英国规范BS 8006计算结果更为接近。随着软土弹性模量的增大，软土表面的最大沉降降低，软土所承担的竖向应力增加，软土的沉降和竖向应力可以近似用一维压缩公式进行描述。在模型试验和数值模拟的基础上，本项目从土拱内外拱高度和土体侧压力系数两个方面对Hewlett & Randolph土拱理论进行了修正，修正结果更符合土拱的实际作用情况，且有效的减小了原理论对桩间软土竖向应力的高估。最后建立了路堤-加筋褥垫层-地基共同作用的理论分析模型，为桩承式加筋路堤的设计和分析提供了方法。研究成果丰富并创新了桩-土相互作用机理和土拱效应分析理论，对阐明复合地基PCC桩-土荷载分担机理起到了重要的理论意义，对指导高速公路、高速铁路等软基处理工程设计、施工也具有重要的实用价值和经济效益。