道路与铁道工程大论文.docx

1、道路与铁道工程大论文分类号 U 416 学号 131*3 密 级 无 U D C 625 硕 士 学 位 论 文高路堤软基预应力管桩加固现场试验与数值模拟分析牛永前指导教师姓名： 吴建涛 副教授 河海大学道路与铁道工程研究所 南京市西康路一号 申请学位级别： 工学硕士 专 业 名 称：道路与铁道工程 论文提交日期： 2016.4.24 论文答辩日期： 2016.5.28 学位授予单位： 河海大学 学位授予日期： 2016.6.22 答辩委员会主席： 李国维 论文评阅人: 张坤勇、李健 2016年 5 月 中 国 南 京分类号（中图法） U416 UDC（DDC） 625 密级 无 论文作者姓名

2、 牛永前 学号 131*3 单位 河 海 大 学 论文中文题名 高路堤软基预应力管桩加固现场试验与数值模拟分析论文中文副题名 无 论文英文题名 Field tests and numerical simulation analysis on the PHC pile reinforced soft foundation under high embankment论文英文副题名 无 论文语种 汉语 论文摘要语种 汉、英 论文页数 77论文字数3.8(万)论文主题词 PHC管桩、软土地基 、高填方路堤、原位试验 、稳定性、 数值模拟 申请学位级别 硕士 专 业 名 称 道路与铁道工程 研 究 方

3、向 软基高填方路堤 指导教师姓名 吴建涛 导师单位 河海大学道路与铁道工程研究所 论文答辩日期 2016年5月 28日 Field tests and numerical simulation analysison the PHC pile reinforced soft foundation under high embankmentDissertation Submitted toHohai UniversityIn Fulfillment of the RequirementFor the Degree ofMaster of EngineeringByNiu Yongqian(Inst

4、itute of Highway & Railway Engineering)Dissertation Supervisor: Associate Professor Wu JiantaoMay,2015 Nanjing, P. R. China学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。也不包含为获得河海大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同学对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名： 签字日期： 年

5、 月 日学位论文使用授权说明河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊（光盘版）电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，并可以采用影印、缩印或扫描等其它复制手段保存论文。本人学位论文电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布（包括刊登）授权河海大学研究生院办理。学位论文作者签名： 签字日期： 年 月 日 摘 要较高的路堤填土对地基的承载力有较高的要求，当高路堤路段位于承载力很差的软土地基时，必须进行地基处理。预应力管桩(PHC)以施工便捷、质量有保证的优势被广泛应用于软土地基的加固工程当中。采用

6、PHC管桩作为路基地基的竖向增强体，可发挥PHC桩质量保证率高、抗压性能好的优势。然而现有的大部分规范和资料都是针对刚性基础的，而路堤填土作为柔性基础，其自身存在不可忽略的较大变形，且存在桩顶向上部路堤填土刺入后的应力重分布等问题。在满足地基承载力的条件下，软基高填方路基还存在整体失稳破坏可能。本研究依托包头至茂名国家高速公路粤境段工程，采用原位监测方法监测不同填土荷载作用下刚性桩复合地基中的PHC桩的桩顶荷载、桩身沉降、桩间土沉降与桩间土水平位移、桩身水平位移、路堤填土水平位移差。结合数值计算软件对现场工况进行简化建模计算，研究刚性桩复合地基加固的软基高填方路堤的变形特征和柔性基础下的刚性桩

7、的作用机理。研究表明：对于软土深约67m，且置换率为6.3%的刚性桩复合地基，其桩土应力比范围在2040左右，远大于散体材料竖向增强体的桩土应力比。桩间土应力折减系数在填土达到15m之后趋于稳定，说明在填土达15m时管桩上部的路堤填土形成完全土拱。实测桩顶荷载稳定值远小于规范计算的单桩承载力极限值，说明在路堤柔性基础下的PHC管桩，由于桩顶向路堤刺入变形导致PHC桩出现负摩阻力工作区。在填土高度较低时，刚性桩加固的软基高填方路基的水平变形最大点位于路堤坡脚；随着填土高度的增大，水平位移场最终形成“中间大，两头小”的分布特点。通过强度折减法对刚性桩加固的软基高填方进行稳定性计算，发现在地基水平位

8、移最大的中间地带会出现最为明显的塑性区，说明在软土地基与路堤填土交界的中间地带，且更靠近中线的区域产生了滑动失稳的趋势，认为该区域的地基软土发生了桩间土水平变形明显大于管桩的“桩土绕流”现象。“桩土绕流”的出现导致该区域附近的桩间土承载能力降低，路堤荷载向桩身传递，表现为桩顶荷载增大，桩身沉降加剧。关键词：高填方；PHC管桩；刚性桩复合地基；数值模拟；稳定性AbstractHigh earth-filled embankment has relatively higher requirements on the bearing capacity of its foundation, if th

9、e high earth-filled embankment is located on soft soil foundation which has poor bearing capacity, it is necessary to carry out treatment to foundation. Prestressed high-strength concrete pile (PHC) is widely used in the reinforcement engineering of soft soil-composite foundation due to its advantag

10、es of convenience and high quality. PHC pile can be adopted as the vertical reinforcement of the foundation of embankment as it has assured quality and good compressive performance. However, most of the existing specifications and data are only applied to the rigid foundation, the soil embankment ma

11、y deform greatly, and the strain may redistribute when the pile top entrusts into embankment. Under the condition of meeting the bearing capacity of foundation, soft soil-filled foundation of high embankment may lose stability and collapse in a whole.This thesis studies the case of the the Gungdoung

12、 section of expressway from Baotou to Maoming by in situ monitoring method to test the load on the top of PHC pile, settlement of pile and soils between PHC piles, horizontal displacement of soils between PHC piles, as well as the horizontal displacement differences of the soil embankment. Numerical

13、 simulation software is also adopted to simplify construction procedures and conduct modeling calculation, based on which, the deformation characteristics of high fill embankment whose composite foundation is reinforced by rigid pile and the working mechanism of rigid pile under flexible subgrade ar

14、e studied.Results indicate that the pile-soil stress ratio of composite foundation reinforced by PHC pile to soft soil whose depth is 6 to 7 m ranges from 20 to 40, which is greatly bigger than that of foundation vertically reinforced by discrete material pile. The reduction factor of the stress of

15、soils filled among piles will stabilize when the filling depth reaches 15 meters, indicating a complete soil arch on the top of piles can be formed only the filling depth reaches 15 meters. The measured load stable value of pile top is far smaller than the limited value of single pile bearing capaci

16、ty calculated by standard method, indicating that negative frictional resistance is generated due to deformation of PHC pile as it thrusts into the flexible foundation of embankment. When the filling height is low, the biggest horizontal deformation point of high fill embankment whose soft foundatio

17、n is reinforced by rigid pile is located at the slope toe of embankment. With the increase of filling depth, obvious changes have taken place in the horizontal displacement field, featuring bigger deformation in the middle while smaller at both ends finally. Strength subtraction method is adopted to

18、 calculate the stability of high fill embankment whose soft foundation is reinforced by rigid pile, finding that the area bordering foundation and soil shows the highest plasticity, and the area closest to middle line of pile slides. it can be concluded that horizontal deformation of soil among pile

19、s in soft foundation is bigger than that of tubular pile which is caused by soil flowing around piles. Soil flowing around piles can reduce the bearing capacity of soil among piles, and pass load to pile, increasing the load on the top of pile, and enhancing the settlement of piles.Keywords: High em

20、bankment; PHC pile; rigid-pile composite foundation;Numerical simulation; Stability 目录 IV第一章 绪论1.1研究背景在全面建设小康社会和社会经济均衡房展的指导精神下，越来越多的高等级公路选在经济欠发达的山地丘陵地区进行建设。在山区高速公路建设过程中，为了满足选线的要求，同时降低因路堑和隧道开挖产生的废弃土方的运输和场地堆放的代价，高填方路堤的设计形式已经越来越多地被采用。目前，相当多的路堤设计高度达到20m以上，有的甚至达到50m1。高填方路堤的失稳破坏通常发生在施工和试运营期，究其原因主要是高填方路堤修筑

21、技术还不还不完善，缺乏相应的施工和设计规范。目前的高填方路堤并没有严格定义，公路路基设计规范做出了如下的规定：对于土、石质边坡，当填土总高度达到20m时需要进行稳定性验算；对于以碎石、粗砂、中砂为路堤填料的路堤，当填土高度达到12m时需进行稳定性验算2。因此可以理解为填土高度大于20m的路堤属于高路堤的范畴，在参照较为笼统的土质路堤设计和施工规范的基础上，更多的是靠施工人员和设计人员的经验来进行的，存在较大的安全隐患。较高的路堤填土高度对于地基的承载力有较高的要求，高路堤路段位于地基承载力很差的软土路基时，就必须进行地基处理。高强预应力混凝土管桩（PHC管桩）软土复合地基是刚性竖向增强体复合地

22、基的一种常用形式，在建筑工程领域已经较多应用，但是现有的大部分资料规范都是针对刚性基础（如条形基础，桩筏基础，高承台桩基础）的34，而填土路堤作为柔性基础，其本身存在不可忽略甚至较大的变形，且桩顶存在刺入路堤后的应力重分布的问题，从而影响整个路堤和地基的稳定性。而且上部路堤的较大位移与地基软土本身的较大沉降甚至可能导致PHC管桩本身的破坏，从而使整个复合地基承载力丧失。在满足地基承载力的同时，路堤本身还存在不均匀沉降和失稳破坏的风险。高填方路堤的不均匀沉降不但会导致路基本身的损坏，还会因路基顶面的不平整在路面结构内产生附加应力，附加应力本身或与车辆荷载等共同作用，将导致路面结构的损坏。此外，当

23、路堤和地基内部不均匀沉降达到无法协调的程度后，则会产生高路堤和地基的整体失稳破坏。从作用机理上讲，土体的滑动剪切破坏才是失稳破坏的内在原因5，当路堤和复合地基沿某一滑动面塑性应变过大，产生滑动趋势时，则整个软基高填路基就会有失稳的危险，甚至会出现滑坡，垮塌等危害生命财产安全的重大事故。本文依托包茂高速公路粤境段的PHC管桩加固的软基高填方路基进行现场原位试验，结合通用有限元软件ABAQUS的数值模拟分析，对高路堤软基PHC管桩的竖向受力特征、高路堤的变形特性、软基高路堤刚性桩复合地基的整体稳定性进行研究分析，为工程实践提供参考。1.2 发展概况1.2.1 PHC管桩发展预制桩的发展有100多年

24、的历史。最早的预制混凝土桩于1884年诞生于德国；1915年澳大利亚发明了离心密实混凝土成型方法；日本在1934年采用离心法制造出第一根混凝土管桩，1962年又通过试验研究了预应力混凝土管桩。 而目前应用最为广泛的高强度预应力混凝土管桩，即PHC管桩，诞生于1970年。PHC管桩凭借其以下优点，越来越多的应用于工业与民用建筑，水利工程，道路与铁路工程，等各项工程建设领域。PHC管桩优点：单桩承载力高：PHC 管桩采用混凝土强度等级大于或等于C80，其强度大，600的PHC管桩的单桩允许承载力达到2500 kN 3200kN 。因其较大的强度，在土的挤密作用影响下，桩端承载力比原状土质提高70%

25、80%,侧摩阻力提高20%40%。因此，PHC管桩的承载力设计值比同直径的沉管灌注桩、钻孔灌注桩和人工挖孔桩都要高6。应用范围广：PHC管桩是由侧阻力和端阻力共同承担上部荷载，可选择强风化岩层，全风化岩层，坚硬的黏土层或密实的砂层等多种土质作为持力层，且对持力层起伏变化的地质条件适应力强，因此适用地域广，建筑类型多。沉桩质量可靠：管桩是工业化、专业化、标准化生产，桩身质量可靠；运输吊装方便，接桩快捷；机械化施工程度高，操作简单，易控制。工程造价低：通过对多项工程实例的总结，PHC管桩单位承载力的造价比预制混凝土方桩和钻孔灌注桩都要低，仅为钢桩的1/21/3。PHC管桩施工速度快、工期短，且管桩

26、施工机械化程度高，现场整洁，施工环境好，不会发生钻孔灌注桩泥浆满地的脏乱情况，施工较为文明。由此可见，管桩的直接成本和间接成本都相对较低。常用地基处理桩型主要指标见表1-1。表1-1 不同桩型主要指标比较7主要指标PHC管桩水泥搅拌桩CFG桩主要承力方式端阻力与侧摩阻力共同承受荷载主要靠桩体承担荷载主要靠桩体承担荷载持力层软质岩、强风化岩1-3m硬粘土密实砂层等承载力比较大的土层选择承载力相对较高的土层造价3.20元/kN6.15元/kN8.05元/kN目前先张法预应力混凝土管桩的生产过程可做如下的简述：（1）制作管桩受力钢筋；（2）将钢筋笼放入模具后，封闭模板并进行预应力张拉；（3）在模具中

27、浇筑高强混凝土，高速离心10分钟；（4）将管桩和模具一起放入80摄氏度的温水中养护6小时后，拆模，再将管桩放入10个大气压的高压仓内继续养护，仓内温度控制在180摄氏度。具体制作过程见图1-1。(a) 钢筋骨架成型(b) 高强混凝土入模(c) 高速离心成型(d) 高压蒸养图1-1 先张预应力高强混凝土管桩生产过程1.2.2刚性桩复合地基的发展PHC管桩加固的软土地基属于竖向增强体复合地基的一种。复合地基的涵义随着工程应用的发展在不断变化。最早的时候，在天然地基中设置碎石桩而形成了复合地基的概念。随着施工工艺的不断进步，深层搅拌法和高压喷射注浆法开始逐步推广，水泥土桩成为了复合地基的重要形式之一

28、。碎石桩和水泥土桩分别属于散体材料和粘结体材料，目前已经有较为完备的理论基础和可靠的实际设计和操作的规范。随着PHC管桩的出现，刚性桩加固软土地基成为软基处理的常用形式。学术上对于刚性桩加固的软土地基是否属于复合地基一直存在争论，有一种观点一直坚持认为刚性桩加固的软弱地基属于复合桩基而非复合地基。龚晓南教授指出，经典桩基理论认为刚性桩属于摩擦桩，采用摩擦桩基是不考虑桩间土直接参与承担荷载的，而复合地基的本质是基础下的桩和土共同直接承载荷载，因此PHC管桩加固的软弱地基在荷载传递路径上、在受力性状上与复合地基的定义是一致的89。综上所述，复合地基的分类如图1-2所示。图1-2 复合地基的分类1.

29、2.3高填方路堤的应用高填方在水利工程中运用相当普遍，技术工艺也较为成熟，其中以土石坝最为典型。由于路堤与土石坝在功能上有显著的区别，高路堤的理论发展速度滞后于实际的应用。普通细粒土填筑的填土路堤和石块等无粘性大颗粒坚硬材料填筑的填石路堤统称为填方路堤。普通填方路堤设计只要求：填方路堤的填料的压实度；填方路基填料加州承载比CBR(土壤颗粒锤击试验指标)；地基土表面的荷载弯沉关系和其得到的地基模量、回弹反应模量2。由此可知，在普通填方路堤设计中，并未对地基承载力做出要求。而高填方路堤由于填土自重要远大于一般路堤，且当填方路堤处于不良地质条件下时，就必须要在一般路堤的基础上，再对地基承载力和路堤稳

30、定性进行设计验算3。相对一般路堤而言，高路基具有以下几个特点10：高路堤填方高、荷载大，在公路工程中一般较受重视。在满足坡面防冲刷要求的同时，高路堤的稳定性和地基承载力需专门进行分析论证。土路堤的稳定安全系数需达到1.25。特殊地质条件下，填方路堤本身的强度和稳定性应达到要求，路堤和特殊地基的整体稳定性同样应予考虑。 由于路堤填土高，为了满足整体稳定性的要求，路堤必须有足够的放坡。因此，高路堤的填筑截面远大于一般路堤，填筑工程量巨大，填筑质量较难保证，所以压实度较一般路堤应予提高。高路堤的土石混合料，由于较大的自重，会引起较大的自身压缩沉降和地基沉降。加之高路堤占地较大，地基地质条件较为复杂，

31、增加了不均匀沉降的风险。常常会出现因填筑体自身差异沉降过大而导致的路面结构的破坏。高路堤施工期较长，路堤的破坏更多的发生在施工期间，因此，配套的安全监测必不可少。通过安装监测仪器，如土压力测试计、路基分层沉降观测计、孔隙水压力计、连续式侧向位移传感器等，实时监测填方过程中位移和应力的变化过程。目前各类高填方工程地基的处理指标尚无统一工程标准，各种指标的确定也存在争论，尤其是工后沉降的计算仍然是学术研究的热点。1.2.4小结综上所述，刚性桩复合地基、高填方路堤，二者单独的出现在实际工程中已经十分普遍，但都面临理论研究落后于实际应用的尴尬问题。而PHC管桩加固软土地基上填筑高填方路堤作为二者的组合形式，是属于较为罕见的工况，会带来更多值得研究、探讨、深思的问题。1.3 国内外研究现状1.3.1单桩竖向荷载承载力研究现状PHC管桩作为刚性桩复合地基的竖向增强体单元，对其单桩工作性状的深入理解，是理解刚性桩复合群