加芯水泥土桩桩土应力比理论分析与测试试验研究

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加芯水泥土桩桩土应力比是反映桩体加固效果的重要参数,桩侧摩阻力分布模式是桩土应力比的决定性因素。大部分理论成果主要从桩侧摩阻力线性分布模式进行研究,根据线性分布模式得出的理论计算公式不能准确反映加芯水泥土桩复合地基桩土应力比,而加芯水泥土桩复合地基复杂的荷载传递机理决定了桩侧摩阻力是呈非线性分布模式,基于非线性的分布模式推导得出的加芯水泥土桩复合地基桩土应力比理论计算公式更能反映桩-土的应力分担情况。本文主要针对短芯、等芯、长芯水泥土搅拌桩在加固高填方路堤软土地基过程中桩土应力比及等沉面发挥深度受不同影响因素而产生的变化规律进行研究。本文以江北高速公路东延线路软基处理项目为依托,通过理论分析、室内模型试验、数值模拟、现场实测相结合的方法对复合地基桩土应力比进行研究,主要研究内容和结论如下:(1)基于加芯桩复合地基荷载传递法,对于短芯、等芯水泥土搅拌桩,建立桩侧摩阻力沿深度方向分区段非线性分布的加芯桩桩土应力比计算模型;对于长芯水泥土搅拌桩,在等芯水泥土搅拌桩的基础上,建立上部桩体分段非线性的桩侧摩阻力分布,下部非复合段桩侧摩阻力线性分布的计算模型。通过建立搅拌桩、桩周土体的等效单元体平衡微分方程,基于芯桩-水泥土桩-桩周土-褥垫层的压缩变形协调关系,推导出桩侧摩阻力非线性分布模式下加芯桩复合桩土应力比理论计算公式,进而分析应力比的主要影响因素。(2)室内等效模型试验模拟了高填方路堤荷载作用下加芯桩复合地基的受荷过程,真实反映了加芯桩在加固处理软基路堤时的实际工作性状。在不同模型桩室内试验过程中,通过改变芯桩长度及桩径、褥垫层厚度等参数分别对短芯、等芯、长芯水泥土搅拌桩进行分级荷载试验,由设置在芯桩、水泥土桩桩身上的应变片得到桩身应力分布和侧阻分布情况,放置在桩周土体中的土压力盒能够得到桩周土体承担的竖向荷载应力。分析不同桩型在分级荷载作用时桩长、桩径、褥垫层厚度等因素影响下桩土应力比的变化规律,通过对试验数据整理分析得出:对于短芯、等芯、长芯三种桩型而言,在一定桩长范围内芯桩长度的增加能够提高地基承载力,同时桩土应力比也随之增大。桩径对桩土应力比影响,三种桩型具有不同的趋势,在同一荷载等级下,短芯水泥土搅拌桩的桩径越大桩土应力比也越大,最大桩土应力比时的试验力也越大;等芯水泥土搅拌桩的桩径越大桩土应力比增长速率越小,同级荷载下桩径大的等芯桩桩土应力比反而更小;不同桩径的长芯水泥土搅拌桩桩土应力比随均随试验力等级增加先增大后减小,说明长芯桩存在最优桩长与桩径比,桩径的持续增加并不能使桩土应力比进一步增大。(3)基于室内等效模型桩试验建立同比例的数值计算模型,利用有限元软件对加芯桩复合地基单桩受荷进行模拟分析,得出桩长、桩径等参数对加芯桩复合地基桩土应力比及等沉面发挥深度的影响规律。通过将数值模拟获得的模拟值与室内等效模型试验获得的试验值进行对比分析试验值与模拟值,探讨等沉面发挥深度的影响因素,得出复合地基桩土应力比随影响因素的变化规律。(4)以荆江高速江北东延线高填方路堤加固处理为研究对象,选取淤泥质软土地基工况进行研究,基于复合地基单桩平板载荷试验工程参数计算出理论值,将得出的理论计算值与工程实测值进行对比,验证了理论计算公式在实际工程应用中的可行性及适用性。
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