桩承式加筋路堤三维土拱效应计算模型研究

桩承式加筋路堤是一种新型的路堤型式，其沉降小、稳定性高、施工时间短。目前对桩承式加筋路堤三维土拱效应机理的认识还不够深入，也没有能反映其复杂工作性状的计算模型。本项目通过模型试验及数值模拟，研究路堤填土抗剪强度指标、水平加筋体拉伸强度、桩帽间距、路面交通动荷载对路堤等沉面高度的影响，建立等沉面高度计算公式；结合路堤填土、桩土界面大型剪切试验，分析路堤-桩-水平加筋体-地基土之间的相互作用，建立能考虑桩土应力比与桩土沉降差之间的耦合效应、桩土分担的荷载与水平加筋体拉力之间的耦合效应及路面交通动荷载影响的三维土拱效应计算模型，编制程序求解，并根据模型试验和现场试验结果对计算模型进行校正和验证。本项目研究将为桩承式加筋路堤在我国高速铁（公）路工程中的应用提供科学依据，同时，本项目对认识三维土拱效应机理、发展三维土拱效应计算方法具有重要的理论意义。

通过数值模拟及试验研究，分析了路堤填土抗剪强度参数、水平加筋体拉伸强度、桩帽净间距、路面车辆交通动荷载对桩承式加筋路堤等沉面高度的影响，发现桩帽净间距是影响等沉面高度的主要因素，路堤填土内聚力及水平加筋体拉伸强度对等沉面高度没有影响，建立了三维土拱等沉面高度计算公式。通过大型直剪试验，研究了常法向应力/变法向应力作用下松砂/密砂与光滑/粗糙混凝土界面的剪切力学性状，发现在常法向应力作用下，松砂-混凝土界面的剪应力-剪切位移关系曲线呈现出硬化的特征，可用双曲线模拟，而密砂-混凝土界面的剪应力-剪切位移关系呈现出软化的特征，可用三段折线模拟。不论是松砂-混凝土界面还是密砂-混凝土界面，在剪切过程中增大剪切面上的法向应力后，剪应力-剪切位移关系均呈现出硬化的特征，可用双曲线模拟。根据大型直剪试验结果建立了砂土-混凝土界面在常法向应力/变法向应力作用下加载、卸载及循环剪切时剪应力-剪切位移关系数学模型。利用上述模型描述了桩帽上路堤与桩间土上路堤之间及桩与桩侧土之间的相互剪切作用，根据路堤填土-水平加筋体-桩（桩帽）-地基土之间的静力平衡条件及变形协调条件，建立了能考虑路堤填筑过程与地基土固结耦合效应的桩承式加筋路堤三维土拱计算模型，该模型能完整描述桩土应力比在路堤填筑及工后软基固结过程中的变化，计算结果与现场实测结果比较吻合。为便于工程设计应用，在对模型试验、数值模拟及现场实测结果进行分析的基础上，结合本项目建立的三维土拱效应模型计算结果，总结了桩土应力比在路堤填筑施工及工后软基固结过程中的变化特征，建立了桩土应力比计算的土楔体模型，利用该土楔体模型可以得到路堤填筑施工完成后的桩土应力比及使用阶段的最大、最小桩土应力比，该模型计算工作量小，便于工程应用。本项目研究成果为桩承式加筋路堤的应用提供了技术支撑。. 通过本项目研究，共发表学术论文16篇，其中SCI收录1篇，EI收录13篇，该项目模型试验装置已获准专利2件。