桩承式加筋路堤设计理论研究

桩承式加筋路堤，或GRPS（Geosynthetic reinforced pile supported）路堤，通过在桩顶布置土工合成材料加筋垫层，达到增加体系水平抗力、大幅增加桩间距、降低工程造价的目的。这种加固形式具有明显的技术经济优点，在已建高速公路的拓宽、新建高速公路及高速铁路的软弱路基处理等方面具有广阔的工程应用前景。但由于其荷载传递机理与常规的桩承式路堤和柔性桩复合地基又有较大区别，目前尚未形成完善的分析方法和设计理论。本课题拟对GRPS路堤进行室内和现场试验研究、理论分析和数值模拟，建立反映GRPS路堤中路堤、桩、路基土和土工合成材料相互作用影响的土拱效应和土工合成材料拉力的分析方法，建立系统的GRPS路堤设计理论，明确路堤、桩和土工合成材料加筋垫层的具体设计项目和步骤，建议设计参数的常用范围，其研究结果可望指导GRPS路堤的设计。

通过模型试验和有限元分析，对桩承式路堤中的土拱效应和拉膜效应进行了研究。分析了应力折减系数大小和填土中的竖向应力分布特点，对比分析了实测值与常用方法计算值之间的差异，验证了各方法的适用性。.对二维和三维条件下填土中的破坏机理进行了分析。二维情况下，路堤填土较低时，填土中的破坏面为通过桩边缘的竖直面；路堤填土较高时，填土中将发展出类似经典地基承载力理论中的由弹性楔体、径向剪切区和被动破坏区组成的区域。三维情况下，低填土中的破坏面为通过桩边缘的竖直面；高填土的破坏模式则为为位于桩顶以上的泡状曲面，可假设为对数螺旋曲面。.基于所提出的破坏模式，建立了土拱效应的二维和三维简化分析方法，并与有限元和文献收集得到的试验数据进行了比较。结果表明，由于采用了合适的破坏面假设，所提的计算结果可靠合理。.对不同加筋形式下桩承式路堤的工作性状进行了研究。指出使用单层或双层土工布时，路堤的荷载传递机理主要是填土的土拱效应和加筋材料的拉膜效应，但拉膜效应发挥相对较晚。使用双层格栅时，加筋材料与周围砂土形成半刚性平台，起到跨越作用。试验结果与常规拉膜效应设计方法的对比表明，若假设荷载只由相邻桩间的加筋材料条带承担，计算的拉力将偏大，过于保守。.提出了四角点固定下加筋材料大变形模式，给出了均布荷载作用下加筋材料变形及拉力的求解方法；总结了土拱效应发挥过程的相关规律，提出用土拱效应发挥系数和归一化位移来描述土拱效应的发挥过程，建议二者之间采用双曲线方程模拟。结合加筋材料和土拱效应的发挥过程，可在设计中体现土拱效应及加筋材料拉力随位移的发展，并满足路堤填土、加筋材料和地基之间的变形协调要求。