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原文传递桩承式路堤荷载传递与变形特性研究

论文题名：	桩承式路堤荷载传递与变形特性研究
关键词：	高速公路;桩承式挡墙路堤;土拱效应;荷载传递;变形特性
摘要：	目前，我国已经建成了世界规模最大的高速公路路网，对国民经济和城镇化发展起到了重要的拉动作用。由于受建设时社会经济水平和建设思想的制约，很多高速公路面临拓宽改造。桩承式路堤作为一种常见的拓宽加固技术，存在占地大、抗侧向变形效果不佳等问题，因此提出了桩承式路堤与刚性挡墙结合的新型桩承式挡墙路堤技术。　　桩承式挡墙路堤通过横向的桩帽连梁与桩体以及刚性挡墙进行连接，其边界条件进一步简化为平面应变条件，其竖向荷载传递的主要机制为土拱效应。虽然目前已有一些土拱效应力学模型，但对路堤土拱效应随桩间土下沉演化规律的研究还不够深入，也没有成熟的路堤变形预测方法。基于此现状，采用多活动门（Muti-trapdoor）试验、颗粒DEM数值模拟与理论分析相结合的手段，对桩承式挡墙路堤竖向土拱效应演化规律、荷载传递耦合机制、路堤变形特性以及土工加筋影响展开研究，获得的主要创新成果包括：　　（1）将二维砂填料多活动门试验揭示的3种变形模式，即三角形扩展模式、塔形升高模式和等沉面模式对应的土拱效应演化过程拆分为若干演化阶段和计算步，分别建立每个计算步所对应的土拱效应力学模型。通过引入土拱效应随桩间土下沉的演化参数，建立桩承式挡墙路堤竖向荷载传递的土拱效应演化计算方法，得到了路堤桩土应力比随桩间土下沉曲线，即土拱效应演化曲线；　　（2）桩承式挡墙路堤土拱效应与桩土地基承载之间存在耦合作用。通过建立地基桩—土相互作用力学模型，推导得到桩土应力比与桩土相对位移量之间的关系，即地基反应曲线；　　（3）根据路堤底面的应力与变形协调条件，创新性地提出并实现通过找寻土拱效应演化曲线与地基反应曲线的交点获取最终桩土应力比与桩土相对位移量的解耦方法；通过一系列参数影响分析和拟合分析，得到了桩承式挡墙路堤的荷载传递与路堤底面桩土相对位移的简化计算公式；　　（4）为揭示路堤变形规律，采用椭圆钢棒相似土填料开展了单、双和多活动门模型试验。试验揭示了单活动门下沉引起的路堤沉降呈正态分布规律，利用正态曲线特征定义了活动门下沉的沉降集中区域（SCR）和沉降影响区域（SIR），根据SIR与实测的侧向位移分布揭示了路堤的变形特征和沉降总体积随路堤高度变化规律；　　（5）利用叠加原理计算双活动门和多活动门条件下的路堤变形，通过与实测变形的对比探讨了临近活动门下沉造成的附加影响效应，引入沉降槽宽度影响修正系数与沉降体积比率影响修正系数，得到了已知桩土相对位移量求解路堤表面沉降的方法；　　（6）利用椭圆钢棒相似土填料，开展了土工格栅加筋影响的模型试验，揭示了加筋条件下桩承式路堤的变形演化模式。采用颗粒DEM数值模拟，对低路堤条件下的同心椭圆拓展变形模式和高路堤条件下的同心椭圆等沉变形模式的细观力链网络进行了分析，确定了土拱拱高。揭示了加筋张拉膜效应与土拱效应之间的相互影响；　　（7）采用加筋桩承式挡墙路堤颗粒DEM数值模拟结果，对路堤拱脚、拱顶关键位置处的应力状态进行了分析，结合路堤变形模式与力链网络特征，提出了桩承式加筋挡墙路堤的同心椭圆拱力学模型，用于评价最大土拱效应。　　通过上述研究，建立了系统的桩承式挡墙路堤竖向荷载传递计算与路堤最终表面沉降的预测方法，为桩承式挡墙路堤尺寸参数的确定与结构设计提供依据。
作者：	翟玉新
专业：	岩土工程
导师：	芮瑞
授予学位：	博士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2021