CN108842805B - 桩承式加筋路堤桩土应力确定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种桩承式加筋路堤桩土应力确定方法，包括如下步骤：(10)参数获取：获取桩承式加筋路堤的物理参数，包括桩长、桩距、桩帽尺寸，路堤填土高度，加筋体格栅的位置，路堤顶面外加荷载等；(20)桩顶附加压力计算：基于加筋路堤失稳破坏模式，根据加筋体设置位置，计算桩顶附加压力；(30)桩顶分布荷载计算：根据桩顶附加压力和无筋路堤中桩顶分布荷载，计算桩顶分布荷载；(40)桩间土反力计算：根据路堤总荷载和桩顶分布荷载，计算桩间土反力。本发明的桩承式加筋路堤桩土应力确定方法，基于路堤破坏模式，同时考虑加筋体设置方式，结果更为准确。

Description

桩承式加筋路堤桩土应力确定方法
技术领域
本发明属于道路工程技术领域，特别是一种基于路堤破坏模式，同时考虑加筋体设置方式，结果更为准确的桩承式加筋路堤桩土应力确定方法。
背景技术
桩承式加筋路堤通常由土、桩、水平加筋体、桩帽和路堤填土等组成。当采用桩承式加筋路堤时，一部分路堤荷载通过土拱效应被直接传递给桩，并通过桩传递到坚硬下卧层；另一部分荷载通过土工合成材料(即水平加筋体)的传到桩顶，由桩传递到坚硬下卧层。
目前桩承式加筋路堤的简化计算方法大多将土拱效应和加筋体的拉膜效应隔离起来单独考虑，采用两步进行分析：第一步，基于不同破坏模式应用土拱效应理论，给出作用在加筋体顶面的压力；第二步，根据加筋体顶面压力大小，应用拉膜理论确定加筋材料的拉力。这种方法在拉力的计算中仅考虑地基承载能力的影响和加筋材料刚度影响，不能同时满足路堤填土中的竖向平衡条件和加筋材料的变形相容条件，也不能考虑筋土界面的相互作用性质及其对桩承式加筋路堤性状的影响。所以不同简化方法计算的结果也存在较大差异，如在给定最大应变的情况下，英国规范BS8006的加筋体拉力计算结果要比日本细则计算结果大2倍左右，比北欧手册计算结果大近5倍。
因此，现有技术存在的问题是：由于未考虑加筋体设置效应和筋、土的共同作用，导致桩承式加筋路堤桩土应力的计算结果误差大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种桩承式加筋路堤桩土应力确定方法，基于路堤破坏模式，同时考虑加筋体设置方式，结果更为准确。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种桩承式加筋路堤桩土应力确定方法，其特征在于，包括如下步骤：
(10)参数获取：获取桩承式加筋路堤的物理参数，包括桩长、桩距、桩帽尺寸，路堤填土高度，加筋体格栅的位置，路堤顶面外加荷载；
(20)桩顶附加压力计算：基于加筋路堤失稳破坏模式，根据加筋体设置位置，计算桩顶附加压力；
(30)桩顶分布荷载计算：根据桩顶附加压力和无筋路堤中桩顶分布荷载，计算桩顶分布荷载；
(40)桩间土反力计算：根据路堤总荷载和桩顶分布荷载，计算桩间土反力。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
本发明的桩承式加筋路堤桩土应力确定方法，考虑了加筋体设置位置和刚度的影响，以及筋、土的相互作用，基于桩承式加筋路堤的实际滑动面进行推导，故更接近实际情况，误差减小，并且计算方法简洁方便，易于在实际工程中推广应用。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明桩承式加筋路堤桩土应力确定方法的主流程图。
图2为加筋路堤变形云图。其中，图2a为加筋体设置在桩顶以上一定距离u处，图2b为加筋体设置在桩顶处。
图3为加筋体设于桩顶以上u处示意图。
图4为加筋体设于桩顶处示意图。
图5为刚度较小的加筋体设于桩顶以上u处的变形图。
图6为土楔体OO’A静力分析示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明桩承式加筋路堤桩土应力确定方法，包括如下步骤：
(10)参数获取：获取桩承式加筋路堤的物理参数，包括桩长、桩距、桩帽尺寸，路堤填土高度，加筋体格栅的位置，路堤顶面外加荷载等；
(20)桩顶附加压力计算：基于加筋路堤失稳破坏模式，根据加筋体设置位置，计算桩顶附加压力；
加筋路堤失稳破坏模式是通过PFC数值分析，建立桩承式加筋路堤各要素(填土-加筋体-桩-路堤)整体分析模型，其中加筋体采用平行粘结模型圆形颗粒生成，加筋体细观参数通过试算方式对拉伸试验得到的加筋体(通常为土工格栅)的拉力-变形曲线反复拟合得到的。
在桩承式加筋路堤表面加载，并循环至平衡要求，记录各荷载下的相应位移、应力等参量。
通过PFC中FISH语言进行“变形云图”的绘制，如图2所示。通过对变形大小设置不同颜色，从而分辨土中位移变化和分布。并根据路堤应力变化及位移分布刻画得到加筋路堤的失稳滑动模式，得到填土-加筋体-桩-路堤共同作用下的系统滑移面形成和发展模式。由数值计算和试验分析可知，加筋体设置位置不同，滑动失稳模式发生改变，设置加筋体时，破坏面受到加筋材料的阻隔作用，土体相对位移减小，故通过改变加筋体的设置位置和刚度，将路堤滑动面限制在路堤范围较为合理(如图2)。
加筋体设置位置考虑以下两种情况：加筋体设置位置分别位于桩顶以上u处，如图3所示，加筋体位于桩顶处，如图4所示。
设定滑动破坏面为OABC或OAB’C’，考虑了加筋体设置位置和刚度的影响，在破坏模式基础上推导出桩顶附加压力的计算公式。
所述(20)桩顶附加压力计算步骤包括：
(21)当加筋体设于桩顶以上一定距离u时，加筋体刚度较大，且其拉伸模量大于50GPa时，
一层格栅桩顶附加压力:
Figure GDA0002354470550000031
两层及两层以上的n道格栅桩顶附加压力：
Figure GDA0002354470550000032
当加筋体刚度较大时，以三角形土楔体OO’A作为考察对象，推导得由于加筋体的拉力作用而增加的桩顶分布荷载Δpt。
(22)当加筋体设于桩顶以上一定距离u时，加筋体刚度较小，且其拉伸模量不大于50GPa时，
一层加筋体桩顶附加压力：
Figure GDA0002354470550000033
两层及两层以上的n道加筋体桩顶附加压力：
Figure GDA0002354470550000034
其中：T为加筋体拉力，u为格栅离桩顶的垂直距离；
Figure GDA0002354470550000035
为土体内摩擦角；A为桩帽横截面面积，对于方形桩帽A＝a2，a为桩帽横截面的宽度，圆形桩帽
Figure GDA0002354470550000047
a为桩帽的直径；α为破坏面与水平面的夹角，即OA或O’A边与水平面夹角，
Figure GDA0002354470550000041
当基础底面完全粗糙时，α为
Figure GDA0002354470550000042
当基础底面完全光滑时，则夹角为
Figure GDA0002354470550000043
h为路堤填土高度，i为格栅的层数。
当加筋体刚度较小时，在极限荷载作用下，加筋体将沿O’A和OA产生变形，如图5所示，由土楔体OO’A(如图6所示)的静力平衡，推导得到加筋体引起的条形荷载下桩顶的附加荷载Δpt。
(23)当加筋体设于桩顶处，加筋体刚度较大，且其拉伸模量大于50GPa时，桩顶附加压力：
Figure GDA0002354470550000044
当加筋体刚度较大时，荷载作用下，格栅的竖向变形小
(24)当加筋体设于桩顶处，加筋体刚度较小，且其拉伸模量不大于50GPa时，桩顶附加压力：
Figure GDA0002354470550000045
其中：δ为加筋体与土体间的摩擦角，δ的平均值取
Figure GDA0002354470550000046
当加筋体刚度较小时，由土楔体OO’A的静力平衡，推导得由于加筋体的拉力作用而增加的桩顶分布荷载Δpt。
(30)桩顶分布荷载计算：根据桩顶附加压力和无筋路堤中桩顶分布荷载，计算桩顶分布荷载；
所述(30)桩顶分布荷载计算步骤具体为，按下式计算桩顶分布荷载：
p总＝p+Δpt。
其中：p为无筋路堤中桩顶分布荷载，根据土拱效应的相关公式得到。Δpt为桩顶附加压力，由前面过程得到。
上式为考虑到路堤破坏模式及土中加筋体附加拉力的作用，荷载作用下桩顶分布荷载p总的简化公式。
(40)桩间土反力计算：根据路堤总荷载和桩顶分布荷载，计算桩间土反力。
所述(40)桩间土反力计算步骤具体为，按下式计算桩间土反力：
Figure GDA0002354470550000051
其中：σ’s为桩间土反力，γ为路堤填土的加权重度，h为路堤填土高度，s为桩间距，q为路堤顶面外加荷载。
本发明由于采取了基于加筋路堤失稳破坏模式，根据加筋体设置位置，计算桩顶附加压力的步骤，考虑了路堤的破坏模式和加筋体刚度的影响，推导得到桩顶应力的简化计算方法，使得本发明的方法得到的桩顶应力更为合理。

Claims (4)

1.一种桩承式加筋路堤桩土应力确定方法，其特征在于，包括如下步骤：
（10）参数获取：获取桩承式加筋路堤的物理参数，包括桩长、桩距、桩帽尺寸，路堤填土高度，加筋体格栅的位置，路堤顶面外加荷载；
（20）桩顶附加压力计算：基于加筋路堤失稳破坏模式，根据加筋体设置位置，计算桩顶附加压力；
（30）桩顶分布荷载计算：根据桩顶附加压力和无筋路堤中桩顶分布荷载，计算桩顶分布荷载；
（40）桩间土反力计算：根据路堤总荷载和桩顶分布荷载，计算桩间土反力。
2.根据权利要求1所述的桩土应力确定方法，其特征在于，所述（20）桩顶附加压力计算步骤包括：
（21）当加筋体设于桩顶以上一定距离u时，加筋体刚度较大，且其拉伸模量大于50GPa时，
一层格栅桩顶附加压力:
Figure 701687DEST_PATH_IMAGE002
，
两层以上的n道格栅桩顶附加压力：
Figure 556511DEST_PATH_IMAGE004
；
（22）当加筋体设于桩顶以上一定距离u时，加筋体刚度较小，且加筋体的拉伸模量不大于50GPa时，
一层加筋体桩顶附加压力：
Figure 273931DEST_PATH_IMAGE006
；
两层以上的n道加筋体桩顶附加压力：
Figure 606823DEST_PATH_IMAGE008
，
其中：T为加筋体拉力，
Figure 860343DEST_PATH_IMAGE010
为格栅离桩顶的垂直距离；
Figure 620489DEST_PATH_IMAGE012
为土体内摩擦角；
Figure 887522DEST_PATH_IMAGE014
为桩帽横截面面积，对于方形桩帽
Figure 24106DEST_PATH_IMAGE016
，
Figure 630667DEST_PATH_IMAGE018
为桩帽横截面的宽度，圆形桩帽
Figure 60249DEST_PATH_IMAGE020
，
Figure 752262DEST_PATH_IMAGE018
为桩帽的直径；
Figure 426957DEST_PATH_IMAGE022
为破坏面与水平面的夹角，即OA或O’A边与水平面夹角，
Figure 950342DEST_PATH_IMAGE024
，当基础底面完全粗糙时，
Figure 317870DEST_PATH_IMAGE022
为
Figure 16221DEST_PATH_IMAGE012
，当基础底面完全光滑时，则夹角为
Figure 291345DEST_PATH_IMAGE026
，
Figure DEST_PATH_IMAGE028
为路堤填土高度，i为格栅的层数；
（23）当加筋体设于桩顶处，加筋体刚度较大，且其拉伸模量大于50GPa时，桩顶附加压力：
Figure 747865DEST_PATH_IMAGE030
；
（24）当加筋体设于桩顶处，加筋体刚度较小，且其加筋体的拉伸模量不大于50GPa时，桩顶附加压力：
Figure 519250DEST_PATH_IMAGE008
，
其中：
Figure 185854DEST_PATH_IMAGE032
为加筋体与土体间的摩擦角，
Figure DEST_PATH_IMAGE033
的平均值取
Figure DEST_PATH_IMAGE035
。
3.根据权利要求2所述的桩土应力确定方法，其特征在于，所述（30）桩顶分布荷载计算步骤具体为，按下式计算桩顶分布荷载：
Figure 140035DEST_PATH_IMAGE037
，
其中：
Figure 77160DEST_PATH_IMAGE039
为无筋路堤中桩顶分布荷载，根据土拱效应的相关公式得到。
4.根据权利要求3所述的桩土应力确定方法，其特征在于，所述（40）桩间土反力计算步骤具体为，按下式计算桩间土反力：
Figure DEST_PATH_IMAGE040
，
其中：
Figure DEST_PATH_IMAGE042
为桩间土反力，
Figure DEST_PATH_IMAGE044
为路堤填土的加权重度，
Figure 661857DEST_PATH_IMAGE045
为路堤填土高度，
Figure 48713DEST_PATH_IMAGE047
为桩间距，
Figure 931219DEST_PATH_IMAGE049
为路堤顶面外加荷载。
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