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1、由路基、軟土地基、疏樁與樁帽、以及(加筋)墊層等若干要素組成的樁承式(加筋)路基結(jié)構(gòu)形式這一有機(jī)整體可簡(jiǎn)稱為“疏樁路基系統(tǒng)”。近年來(lái),疏樁路基系統(tǒng)以其深層加固效果好、控沉穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)合理等優(yōu)點(diǎn)在深厚軟土地區(qū)修建的高速公路、高速鐵路中得到廣泛應(yīng)用。然而疏樁路基系統(tǒng)作為一個(gè)新生事物,其理論研究滯后于工程實(shí)踐,亟需深入系統(tǒng)的開展其工作機(jī)制研究,完善相關(guān)分析理論和設(shè)計(jì)方法。本文以深厚飽和軟黏土地區(qū)的疏樁路基系統(tǒng)為研究對(duì)象,在科學(xué)認(rèn)知深厚飽和軟黏土
2、的工程特性的基礎(chǔ)上,有針對(duì)性的開展了區(qū)域性飽和軟黏土中基樁的設(shè)置效應(yīng)研究,并重點(diǎn)圍繞深厚軟土中疏樁路基系統(tǒng)的工作機(jī)理和穩(wěn)定機(jī)制展開研究,采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、理論分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的綜合研究手段,建立了路基荷載轉(zhuǎn)移模型、疏樁荷載傳遞模型、疏樁路基穩(wěn)定分析模型,揭示了深厚軟土地區(qū)疏樁路基系統(tǒng)中路基荷載的轉(zhuǎn)移特點(diǎn)、疏樁的荷載傳遞特點(diǎn),繼而建立了疏樁路基系統(tǒng)的實(shí)用沉降計(jì)算方法和穩(wěn)定分析方法,完善了設(shè)計(jì)理論;并對(duì)相關(guān)分析模型和計(jì)算方法進(jìn)行了程序?qū)崿F(xiàn)和
3、工程驗(yàn)證。相關(guān)研究不僅具有重要的理論價(jià)值,而且具有重要的實(shí)用意義。本研究主要內(nèi)容包括:
?、呕谑覂?nèi)天然沉積土原狀樣和重塑土樣的對(duì)比試驗(yàn),提取了表征土體結(jié)構(gòu)性的強(qiáng)度靈敏度St,屈服應(yīng)力比YSR、應(yīng)力靈敏度Sσ、穩(wěn)定指數(shù)SI等參數(shù),進(jìn)而分析了結(jié)構(gòu)性對(duì)天然沉積黏土的原位壓縮特性的影響;并驗(yàn)證了可考慮結(jié)構(gòu)性和初始各向異性影響的彈塑性本構(gòu)模型在分析本文區(qū)域性飽和軟黏土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的合理性;并基于該模型,引入表征結(jié)構(gòu)性土壓縮變形的參數(shù)a和
4、b,推導(dǎo)了K0固結(jié)結(jié)構(gòu)性軟土的不排水抗剪強(qiáng)度的計(jì)算公式,通過(guò)典型軟土的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了計(jì)算方法的正確性,為后續(xù)計(jì)算提供了重要參數(shù);
?、圃谛拚齽蚰P偷幕A(chǔ)上,將可考慮初始各向異性影響的傾斜屈服面方程引入到柱孔擴(kuò)張理論中,結(jié)合重塑土的不排水抗剪強(qiáng)度的理論計(jì)算公式,建立了天然狀態(tài)下飽和土體中柱孔擴(kuò)張的完整半解析半數(shù)值解,求得了樁孔擴(kuò)張的極限擴(kuò)孔力和超孔隙水壓力,并利用該解答分析了沉樁的擠土效應(yīng),回答了飽和軟黏土中基樁的設(shè)置效應(yīng)問(wèn)題;
5、在基于修正劍橋模型的球孔擴(kuò)張理論的近似解答的基礎(chǔ)上,引入樁端破壞類似于球孔擴(kuò)張引起的壓縮和剪切破壞模式,求得了球孔擴(kuò)張應(yīng)力與樁端極限端阻之間的計(jì)算公式,并分析了Boston Blue Clay土中樁端阻力的極限值,與規(guī)范推薦做了對(duì)比,驗(yàn)證了本文分析的正確性;并提出了半經(jīng)驗(yàn)半理論的樁端荷載位移模型,探討了沉樁阻力的臨界深度和最小厚度等關(guān)鍵工程問(wèn)題;
?、腔赨nit Cell單元分析模型,引入鏡像樁彈性疊加原理模擬大樁群疏樁相互作
6、用,引入樁土接觸面剪切位移理想彈塑性模型,建立了疏樁地基荷載傳遞廣義剪切位移單元分析模型,推導(dǎo)出適用于三元地基結(jié)構(gòu)的疏樁地基荷載傳遞廣義剪切位移理論分析方法。通過(guò)算例分析,揭示了疏樁間距、荷載水平對(duì)疏樁地基減沉效果的重要影響,闡明了疏樁與基體的荷載位移傳遞特征,以及樁頂相對(duì)位移、樁端持力層剛度對(duì)疏樁基體體系工作性狀的影響機(jī)制,且驗(yàn)證了該模型的正確性和算法的靈活性?;谏鲜鰪V義剪切位移單元分析模型,結(jié)合Marston路基內(nèi)柱面剪切位移“土
7、拱”效應(yīng)理論分析原理,提出路床頂為結(jié)構(gòu)等層面的概念,且引入柱面剪切位移理想彈塑性模型,建立了疏樁路基基底荷載轉(zhuǎn)移柱面廣義剪切位移單元分析模型,推導(dǎo)出路基-墊層雙層體系時(shí)的基底荷載轉(zhuǎn)移的剪切位移理論分析方法。通過(guò)上述疏樁地基樁土剪切位移的荷載傳遞理論分析方法和路基內(nèi)柱面剪切位移的基底荷載轉(zhuǎn)移理論分析方法的聯(lián)合求解,根據(jù)疏樁路基基底基底荷載與位移相容性(位移協(xié)調(diào)與應(yīng)力平衡)邊界條件,進(jìn)一步提出了疏樁路基系統(tǒng)整體廣義剪切位移基底荷載傳遞與疏樁
8、荷載傳遞的理論分析方法。
⑷基于上述基底荷載轉(zhuǎn)移與疏樁荷載傳遞的理論分析,可直接得到由疏樁路基系統(tǒng)中疏樁的向上刺入、自身壓縮和向下貫入三項(xiàng)組成的“疏樁相關(guān)位移”值;且同時(shí)可以得到基底樁土荷載分擔(dān)和疏樁荷載分布。據(jù)此,提出了疏樁相關(guān)位移和樁端下臥層壓縮變形組成疏樁路基系統(tǒng)總沉降的概念模型。基于疏樁路基的基底樁土荷載分擔(dān)和疏樁荷載分布,運(yùn)用Boussinesq和Mindlin彈性理論應(yīng)力解答疊加算法分析得到了疏樁間軟弱基體與樁端下
9、臥層附加應(yīng)力場(chǎng),揭示了疏樁基底荷載分擔(dān)與深層荷載傳遞效應(yīng),闡明了樁間軟弱基體附加應(yīng)力顯著減小的疏樁補(bǔ)償軟土的“減沉”機(jī)制;但提高了樁端下臥層的附加應(yīng)力水平,且進(jìn)一步提出了樁端下臥層疏樁傳遞荷載效應(yīng)修正系數(shù)1.2~1.4,建立了由均質(zhì)地基Boussinesq理論解答修正的簡(jiǎn)化樁端下臥層附加應(yīng)力計(jì)算方法。綜合樁端下臥層附加應(yīng)力與下臥層天然沉積土的變形規(guī)律,提出了疏樁下臥層壓縮變形計(jì)算的實(shí)用方法。
?、苫跇O限狀態(tài)設(shè)計(jì)原理中的使用極限
10、狀態(tài)設(shè)計(jì)原則,提出了基于路基基底荷載疏樁分擔(dān)(應(yīng)力集中)抑制樁間軟弱基體剪切塑流的疏樁路基疏樁補(bǔ)償穩(wěn)定概念模型。首先根據(jù)疏樁路基系統(tǒng)整體的廣義剪切位移理論分析所得到的疏樁路基基底樁帽間地基分擔(dān)荷載,概化為基底面疏樁補(bǔ)償后的分布荷載Pk;然后推導(dǎo)了分布荷載地基梁軸力為定常的解析解答,用于分析了軟土地基硬殼層豎向荷載的板體擴(kuò)散效應(yīng),建立硬殼層豎向應(yīng)力擴(kuò)散至軟土頂面的分布荷載pk的概化模型,并提出了僅采用Boussinesq彈性理論應(yīng)力解答,
11、分析疏樁路基樁間軟弱基體附加應(yīng)力場(chǎng)的實(shí)用分析方法;最后基于飽和軟土不排水強(qiáng)度的軟土地基側(cè)向位移特征判別方法,建立了疏樁路基系統(tǒng)疏樁補(bǔ)償軟土地基穩(wěn)定的路基“臨界高度”的疏樁路基補(bǔ)償穩(wěn)定簡(jiǎn)化判別方法,即pk<3Su。
?、驶跇O限狀態(tài)設(shè)計(jì)中的承載力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)原理,提出了被動(dòng)區(qū)軟土塑流荷載作用于疏樁時(shí),疏樁構(gòu)件彎拉破壞導(dǎo)致疏樁路基失穩(wěn)的疏樁屈服失穩(wěn)概念模型。基于飽和軟黏土不排水強(qiáng)度Su理論分析,完善了路基下軟土地基剪切塑流的彈塑性理
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