桩承式路堤填料颗粒传力机制与设计方法

Piled embankment is widely used in expressway and high-speed railway at present. There are a lot of calculation models based on soil arching effect, but using condition of each model and transforming conditions among the models are not well studied. The soil arching models also can not explain soil arch forming and collapse phenomenons for a lack of awareness of the granular matter properties of the subgrade filling. Designers always can not choose appropriate model because of there are no related standards for piled embankment design in China. In many cases, design parameters and calculation methods of composite foundation are used in piled embankment design, which affects safety and efficiency of engineering construction..Based on the basis understanding of granular matter characters, a model test apparatus is designed, model tests and DEM numerical simulations are done to find macro soil arching effect model types of piled embankment. Using conditions and transforming conditions of these models are also discussed. Then mesoscale grain fabrics and force chain network characters of the macro soil arches are studied. Changing processes of grain fabrics and evolutionary processes of force chain network in filling are catch to find thresholds of outside disturbance parameters when soil arching models changing and sub-stable states transforming. At last, a new soil arching effect model theory and a piled embankment calculation method of load transfer and deformation are established based on granular matter force transfer mechanism.

桩承式路堤目前广泛应用于高速公路、高速铁路等工程当中。基于土拱效应的模型众多，但模型的适用条件和转化条件有待深入研究，且对填料的颗粒物质属性缺乏足够认识，无法解释试验中观察到的土拱形成与破坏现象。由于国内还没有形成相关的设计规范，设计中往往无法合理的选择计算模型，转而参考复合地基的设计参数，直接影响到工程建设的安全与效益。. 基于颗粒物质特性的基本认识，根据桩承式路堤这一实际工程的边界条件、填料性质与加载条件等设计模型试验装置并进行试验，结合颗粒离散元数值计算，总结桩承式路堤宏观土拱效应模型类型，探讨模型的适用条件与转化条件；研究宏观土拱的细观颗粒组构特征与力链网络结构特性，捕捉颗粒组构变化、力链网络演化过程，找到土拱效应类型与亚稳定状态转化对应的外界扰动参数的阈值；系统的建立基于填料颗粒传力机制的土拱效应模型理论，总结出一套桩承式路堤荷载传递与变形计算方法。

桩承式路堤目前广泛的应用于高速公路、高速铁路以及水利工程中，由于路堤垫层与上部填料的颗粒属性，其变形与传力机理较为复杂。目前各类计算方法所基于的分析模型主要可以分为三类：一类是以太沙基Trapdoor理论为代表的等沉面模型；第二类是以北欧规范为代表的刚性楔形体模型；第三类是在圆（穹顶）拱模型基础上发展的极限平衡计算模型。采用不同模型计算结果差别较大，现有的研究缺乏对这些模型的相互联系、应用条件以及演化规律的研究。. 本项目将桩承式路堤简化为多陷阱门（Multi-trapdoor）系统，制作了平面应变试验装置。选取桩体宽度a、桩间净距(s-a)、路堤高度H和填料粒径d为影响因素，开展了一组砂填料正交模型试验。试验采用粒子图像测速技术（PIV）和土压力盒测试颗粒位移与路堤应力。通过PIV位移图像揭示了未加筋桩承式路堤变形演化过程：桩间土下沉时路堤填料均首先出现对称的三角形剪切面，不同尺寸参数组合的桩承式路堤剪切面随下沉量增大出现了三种模式，分别称为三角扩展模式、塔形升高模式和等沉面模式。三种不同演化模式的桩土应力比曲线也呈现出各自不同的特征。三角扩展模式的适用条件为H/(s-a) ≤ 1.75，塔形升高模式的适用条件为 H/(s-a) > 1.75，(s-a)/a < 2.5，等沉面模式的适用条件为H/(s-a) > 1.75，(s-a)/a ≥ 2.5。. 采用颗粒DEM数值方法对砂填料大尺寸平面应变试验曲线进行了标定，利用异形颗粒组合成集合体，并采用标定参数进行了砂填料桩承式路堤模型试验的模拟，模拟结果与试验结果较好的吻合，验证了桩承式路堤的三种演化模式。利用DEM计算结果分析了变形演化过程与力链网络结构的对应关系。.根据宏观土拱的演化模式分别提出了三种演化力学模型，推导了对应的桩土应力比计算公式。确定了三种模型描述演化的参数，通过模型试验和数值模拟结果统计得到了演化参数与桩土相对位移量之间的关系，最终建立起基于桩承式路堤宏观土拱演化的荷载传递计算方法。. 项目研究不仅证明了桩承式路堤不同尺寸组合下的路堤填料的变形模式存在差异，确定了三种宏观土拱演化模式及其适用条件，而且给出了随桩间土下沉的演化力学分析模型与计算方法，是对目前桩承式路堤设计理论的丰富与发展，对于类似的颗粒荷载传递理论与计算方法研究都具有显著的科学意义。