PCC桩复合地基路堤中竖向土拱效应的数值模拟

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1、http://www.paper.edu.cnPCC桩复合地基路堤中竖向土拱效应的数值模拟刘庆河海大学岩土工程科学研究所，南京(210098)E-mail：liuqing467@hotmail.com摘要：本文通过ABAQUS有限元程序，并结合盐通高速公路PCC桩复合地基现场试验，建立了有限元分析模型，对PCC桩复合地基路堤中竖向土拱效应进行了数值模拟，重点分析了褥垫层模量与厚度、填土模量与填土高度、桩体模量、桩间土模量、桩间距等因素对土拱效应系数的影响，从分析结果可以看出，桩间距及填土高度对土拱效应的发挥影响较大。关键词：PCC桩复合地基，土拱效应，有限元分析，土拱效应系

2、数，影响因素中图分类号：TU1．引言河海大学岩土工程研究所刘汉龙教授领导的科研小组在广泛工程实践的基础上自主开[1]发研制了PCC桩软基加固专利技术，具有施工适用性强、施工质量易于控制、桩基检测方便、加固深度可达25m以上、造价低、承载力高、地基的稳定性增加和地基沉降降低等显著特点。PCC桩复合地基己经在很多路基软土处理工程中得到广泛的应用，如天津威乌高速公[2][3]路软基加固、江苏盐通高速公路等工程地基处理中PCC桩复合地基被大量采用。在理论研究方面，有一些学者对PCC单桩复合地基荷载传递机理和沉降规律、PCC桩复合地基群[4,5]桩工作原理和性状做了一些研究，但作为一

3、种新型软基加固技术，其作用机理还缺乏深入的研究，PCC桩复合地基路堤中竖向土拱效应的研究还很少涉足，因此对其研究不仅具有理论意义也具有实践意义。土拱效应是由于介质的不均匀位移引起的。土拱的形成改变了介质中的应力状态，引起[6]应力重新分布，把作用于拱后或拱上的压力传递到拱脚及周围稳定介质中去。换句话说，土拱是用来描述应力转移的一种现象，这种应力转移是通过土体抗剪强度的发挥来实现的。PCC桩复合地基中由于桩的压缩性远小于土的压缩性，在填土荷载作用下，桩间土的沉降量远大于桩的沉降量，这种差异沉降使桩间土上部填土对桩顶上部填土产生向下的剪力，使桩顶水平面上一定范围内的填土产生应力

4、重分布，大主应力方向发生偏转而大致平行于相邻两桩帽之间的椭圆形拱连线，从而将此拱形区域内的路堤填土压实，形成一个拱状的压密壳体，路堤荷载就通过这一大主应力拱传递到桩帽上，这种现象称为土拱效应。2．路堤中竖向土拱效应研究现状[7]早在1936年，太沙基(Terzaghi)就在模型实验中发现存在土拱效应，并于1943年将土拱效应定义为应力由发生屈服的土体向相邻未屈服的土体转移的现象。[8][9]英国规范(BS8006，1995)采用了Marston的管道土压力理论来计算桩帽、桩间土土压力，并假定等沉面的临界高度为1.4(sb−)。[10]棱柱模型多采用卡尔松(Carlsson)

5、等提出的土楔形式，并发展成为卡尔松土楔方法，[11]得以广泛运用；鲁长亮等人利用Carlsson的土楔理论与加筋单元的受力平衡条件，推导出桩承土工加筋地基桩土应力比的计算式。[12]Guido等人认为土拱的形状为正四棱锥，棱锥侧面与底面的夹角假设为45°，土工格栅仅承担该四棱锥部分的荷载，其余荷载由桩来承担。-1-http://www.paper.edu.cn[13]Hewlett&Randolph通过对填土为无粘性砂土的正方形布置桩承式路堤进行模型试验，提出了二维圆拱模型和三维弯顶拱模型，分别运用土体的弹塑性平衡方程对圆柱模型和和半球形模型的土拱效应进行了分析。[14]国

6、内刘吉福较早开展了填土拱效应的研究，从存在沉降差出发，根据路堤填土的竖向受力平衡条件，获得了计算荷载分担比的表达式，但必须先凭经验确定桩土沉降差，而且也没有考虑加筋褥垫层的作用。[15]陈云敏等人对Hewlett的半球形模型进行了改进，引入一个系数α来对Hewlett基于极限状态的分析方法进行修正，取σ=ασK，并根据单桩等效处理范围内的路堤平衡方程θpr求解α。[16]陈仁朋将刚性桩加固软土地基的各个组成部分作为一个整体，综合考虑路堤填土中的土拱效应，根据Marston的计算理论，建立了考虑桩-土-路堤变形和应力协调的平衡方程，得到了路堤的桩土荷载分担n。[17]芮瑞通过

7、FLAC-3D对路堤竖向土拱效应进行了数值分析，通过绘制位移三维透视等值云图可知，土拱的形式并非为标准的半圆和半球形，而是以桩顶弹性区域—刚性核为拱脚形成了弧形拱和球面拱，形成的土拱拱顶高度要低于半球形土拱，四棱锥状弹性区域与桩帽形成一个整体，分别得出了两个荷载分担比的公式。根据Terzaghi的极限承载力计算法，当刚性界面为绝对粗糙界面时，刚性核底角φ等于土体的内摩擦角ϕ，如果顶面的摩擦力不足以完全限制土体的侧向变形时，则φ将介于ϕ与(45°+ϕ/2)之间。3．计算模型及计算工况3.1模型的建立[18]PCC复合