路堤荷载下钉形桩土拱效应的理论与特性研究

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1、东南大学硕士学位论文路堤荷载下钉形桩土拱效应的理论与特性研究姓名：张八芳申请学位级别：硕士专业：岩土工程指导教师：刘松玉;杜广印20070122摘要在钉形水泥土双向搅拌桩处理深厚软土地基的工程中，由于桩和桩间土受荷、模量等不同出现桩土变形不协调，于是在路堤填土中形成了大主应力拱状的压密壳体，并通过此大主应力土拱将大部分路堤荷载传递到桩顶；桩间地基士的主应力轴发生了偏转，形成正向或反向的悬链线形小主应力土拱，在桩土之间起到相互传递荷载、协调桩土差异沉降的作用。土拱效应的发挥程度与桩土性质、填土高度、钉形桩设计参数等有关，而工程设计中关心的是桩间距和扩大头参数的选择问

2、题，因此本文在现场试验的基础上，通过理论解析和数值模拟方法对钉形桩的土拱效应进行了研究分析。本文的主要工作内容及研究成果如下：(1)在桩承式路堤中土拱效应形成机理及特性的基础上，推导得出了承受沿水平方向均匀分布的竖向荷载、均匀指向拱心的压力和拱上填土荷载表面为一水平面三种受力情况的合理拱轴线方程；通过对最有可能发生破坏的拱顶和拱脚两个截面进行强度验算得出了桩间距的控制方程。(2)在路堤荷载作用下，基于钉形水泥土搅拌桩梅花形布置情况下的单桩等效处理范围内土体的受力平衡，改进传统的HEWLETT极限状态空间土拱效应分析方法。并考虑了路堤填土粘聚力，得出了桩土应力、桩体

3、荷载承担比等解析表达式；研究了桩间距、扩大头参数和填士内摩擦角对土拱效应的影响；提出土拱效应系数p来反映桩体面积置换率等参数变化时土拱效应的发挥程度。解析结果得出，随钉形桩桩间距、扩大头直径、填土高度、内摩擦角和粘聚力的增大，土拱效应系数先增大后减小，表明以上设计参数并非越大越好，而是有一个最优值。(3)钉形桩复合路基中存在的土拱为小应力迹线连线土拱，分正向和反向两种形式，桩土摩擦力和粘聚力为土拱拱脚提供了支撑；推导得出的小主应力土拱流线为悬链线，并随着桩土界面处大主应力与水平面夹角而变化；通过分析小主应力土拱流线和主应力方向偏转特性得出扩大头深度范围内土拱效应的

4、发挥程度比下部桩体明显；研究还得出小主应力±拱的发挥可以有效提高桩身强度和水泥土变形模量。(4)采用三维快速拉格朗日差分法进行了钉形桩路堤中土拱效应的三维数值模拟，通过土拱效应系数p研究了钉形桩桩间距、扩大头直径、扩大头高度、填土高度、桩土模量、填土材料参数等对±拱效应发挥程度的影响；同时研究了桩土差异沉降和桩数与土拱效应发挥程度的相互关系。(5)通过三维数值模拟对小主应力土拱沿桩身的变化规律，小主应力土拱和位移等值线的特性及其相互关系，填土高度对小主应力土拱的影响等进行了研究；最后还对小主应力土拱与桩侧摩阻力之间的关系进行了分析。(6)对现场土压力的测试结果进行

5、了分析，并与土拱效应理论计算的解析解和三维数值模拟的结果进行了对比；然后从土拱效应角度出发，基于解析解和数值模拟的结果，推荐了钉形桩设计参数的合理取值范围，以期最大程度地发挥土拱效应；最后对钉形桩试验段的设计参数进行了评价。关键词：钉形水泥土双向搅拌桩；土拱效应；合理拱轴线方程；土拱效应系数；差异沉降；三维数值模拟AbstractInthe朋gil：Iet疵唱workoftreatingdeepsoitsoilfoundationwithT-sllapcbidirectionalsoil-cementde叩mixingcolumns,inconsistemdefo

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