基于土拱效应和薄膜效应耦合的桩-网-土共同作用荷载分配机理研究

In current study of loading effect for geosynthetic-reinforced and pile-supported (GRPS) embankments, interpretation of the load distribution mechanism under the interaction of soil arching and geomembrane effect due to pile-geosynthetic-soil integration is unclear, and further studies for understanding the issue must be performed. For one thing, definition of the scope of the soil arching is indistinct on carrying out calculations of load distribution. For another, the reaction of subsoil is conservatively considered in the analysis of the geomembrane effect to support the fill mass. By means of physical model test and theoretical deduction and numerical simulation analysis, this project will carry out systematic study on soil arching effect and geosynthetic geomembrane effect and their coupling action, the research includes the following three steps: ①establish quantitative relation of stress and deformation of soil arch, determine the scope of the arching due to the variation of geometry and material parameters of pile, geosynthetic and soil, derive the load sharing calculation formula; ②analyze the influence of different layout of reinforcements on arching effect, give the geosynthetic tension calculation formula based on the non-homogeneous subgrade reaction force; ③combine the arching effect and the geomembrane effect, establish a comprehensive mathematical model which can consider the integration of embankment and reinforced field and underlying layer, put forward a pile-soil stress ratio calculation method. Based on the results of these studies, the complex synergism mechanism of pile, geosynthetic and soil can be revealed, which is also conducive to quantitative evaluation of load indicators and scientific and rational design.

目前在桩承式加筋路堤的荷载效应研究中对土拱效应和薄膜效应耦合作用下的基底应力重分布机制的定量评价不足，计算荷载分担时对土拱等沉面高度的界定要考虑薄膜兜提力的作用，而评价加筋薄膜效应时应当合理的计入地基土反力支撑。因此，本研究利用模型箱试验，结合理论解析和数值模拟方法，对桩网复合地基中的土拱效应、加筋薄膜效应及两者间的相互影响进行系统研究：①通过建立弹性应力拱与变形拱的联系，推求基于桩、网和土几何材料特性参数的土拱影响范围，定量刻画土拱效应荷载分配；②通过分析不同加筋布置形式对土拱效应影响，基于地基土反力非均匀性得出筋带拉力计算方法；③基于拱、膜效应耦合作用，建立能综合考虑路堤、加固区和下卧层的整体路堤荷载效应定量评价模型，给出荷载分配指标之桩土应力比计算方法。通过本项目研究，揭示桩-网-土三者共同作用的复杂机理，为荷载指标的定量计算提供理论支持，有助于桩网复合地基的科学合理设计。

桩承加筋技术在软基上修筑高速公路、高速铁路等路堤工程中的应用越来越广。这种复合结构具有工期短、稳定性好和工后沉降小等突出优点，既能充分发挥复合地基的承载作用，又能利用加筋进行桩土荷载的调配。要实现桩网复合结构的合理设计，关键是要科学的解释桩承加筋路堤中的土拱效应作用机制。然而，现有的研究主要集中于对土拱形态的模拟与表征，对筋层的影响及地基土反力的作用忽略较多，缺乏系统性的桩-网-土协同作用评价模型。.通过桩基复合地基模型试验对桩土相互作用的荷载传递规律进行研究，提出采用应力传递关系并考虑桩身中性点进行作用模式的刻画，以刚体压入表征桩端应力扩散；通过水袋泄水的路堤模型试验对加筋处置效果进行评价，提出考虑筋土界面摩擦作用的非均匀筋材拉应变宏观力学表征方法；通过路堤底桩、土与路堤内不同位置以及加筋带的应力实测监控对桩承式加筋路堤的土拱效应发展过程进行研究，确定了系统化定量评价桩网复合结构分析模型。.项目研究达到了以下研究目标：一是基于基底沉降差调动下路堤中剪力发展的摩擦型土拱效应作用范围进行了评判，改进了传统二步法在分析时需要预设固定拱形或拱高才能进行荷载分担计算的局限；二是将水平向加筋体的工作模式区分为锚固段、过渡段与挠曲段以进行等效兜提作用效果的定量评价，弥补了传统膜效应评价时需要将筋层拉应变进行均值化考虑且弱化了地基土反力分析方法的缺陷；三是基于土拱效应与加筋薄膜效应的耦合作用，将路堤荷载作用下桩-网-土三者的协调工作机制基于应力与位移连续条件实现系统数值化迭代计算并进行了参数敏感性分析。.通过本项目的研究，揭示了桩承式加筋路堤的系统协调工作加固机理，建立了考虑拱、膜效应耦合的桩-网-土三者相互作用路堤荷载传递模型并进行了定量刻画，给出了相关荷载指标的计算方法，丰富了桩网双向复合体系结构的研究方法与计算理论，为桩承加筋路堤的工程应用、规范制定等提供了参考，推进了加筋土应用的发展。