桩承式路堤“土拱结构”形成演化规律离散元分析

发布时间：2019-11-13 00:55

【摘要】："土拱结构"作为桩承式路堤中的主要荷载传递媒介,对路堤荷载传递和路堤填料位移有显著影响。基于室内模型试验,采用颗粒流软件PFC~(2D)建立桩承式路堤离散元(DEM)数值分析模型,基于应力主方向、接触力链及路堤填料沉降分布规律对路堤中"土拱结构"形态及其演化规律进行深入分析。研究结果表明:路堤中"土拱结构"随桩土相对位移的增加而逐渐发展并最终趋于稳定,最终的"土拱结构"形态呈0.8倍桩净间距高的抛物线形;路堤填筑高度对"土拱结构"形态、演化规律以及荷载传递效率有显著影响;路堤填料粗糙度、桩净间距及桩梁宽度对路堤荷载传递效率有显著影响,但对"土拱结构"最终形态几乎无影响。
【图文】：

示意图,试验装置,示意图,路堤

[13]和日本设计手册[14]则采用楔形体土拱模型[7]。大量研究结果表明，不同的“土拱结构”理论或模型的计算结果差异较大。然而，土拱效应作为桩承式路堤中的主要荷载传递机理，其计算结果的准确性将直接影响路堤设计的合理性。本文基于室内模型试验，采用颗粒流软件PFC2D建立桩承式路堤离散元（DEM）数值分析模型，基于接触力、应力主方向及路堤填料沉降分布规律对“土拱结构”形态及演化规律进行研究，并分析了路堤高度、桩净间距等对“土拱结构”的影响。1数值建模及参数选取1.1室内模型试验概述如图1所示，二维模型试验装置由基座、有机玻璃板和可竖向移动的活动钢板组构成。有机玻璃板与基座构成的砂箱尺寸为1200mm×300mm×800mm（长×宽×高）。活动钢板组由钢条、活动钢板、升降机和位移计组成，钢条可通过螺栓固定在装置基座上以模拟桩梁或固定在活动钢板上通过升降机控制进行竖向移动以模拟桩土相对位移。试验过程中，通过土压力盒记录土压力变化，并通过数码相机记录各阶段路堤填料照片，后期通过Matlab软件处理获取填料位移分布规律。路堤采用粒径范围为1.4～2.0mm的长江江砂分层填筑，每层厚度为25mm，密实度控制为85%，重度为16.88kN/m3。路堤最大填筑高度H=600mm，桩间距s=375mm，桩梁宽度a=75mm，桩净间距s-a=300mm。图1试验装置示意图Fig.1Layoutoftestsetup1.2模型建立及参数选取基于模型试验装置的对称性，建立如图2所示的桩承式路堤DEM数值分析模型，底部的活动墙用来模拟桩土相对位移。路堤填料采用两个Disk颗粒构成的Clump单元模拟，如图3所示，η为Clump单元中两圆颗粒圆心间距离r与颗粒粒径R之比，用于表征颗粒表面粗糙程度，本文将其定义为粗糙度。路堤采用压实法进行分层

DEM模型,路堤

2052岩土工程学报2017年图2桩承式路堤DEM模型Fig.2DEMmodelforpiledembankment图3Clump单元示意图Fig.3DiagramofClumpelement1.3DEM模型验证图4为DEM模型计算的路堤荷载传递效率与试验数据对比。从图中可看出，DEM与模型试验结果变化规律基本一致，荷载传递效率均随桩土相对位移Δs的增加而逐渐增大，并在Δs约为3mm时达到各自峰值，之后趋于稳定。与此同时，DEM模拟的路堤荷载传递效率峰值（73.41%）与试验数据（69.18%）基本相同，两者差异仅约为4.23%。图4路堤荷载传递效率DEM结果与试验数据对比Fig.4Comparisonofload-transferefficacybetweenDEMresultsandexperimentaldataDEM模型中，利用PFC2D中Fish语言获取路堤填料最大竖向位移值Δs，将其划分为16等分，并以不同的颜色标记，从而绘制出路堤填料沉降分布等值线图。如图5所示为桩土相对位移Δs=30.0mm时，DEM模拟的路堤填料沉降分布规律与试验结果对比。从图中可看出，DEM模拟的路堤填料沉降分布规律与模型试验结果基本一致。综上分析，DEM结果与试验数据较为吻合，能够实现对桩承式路堤的模拟。图5路堤填料沉降分布DEM与试验结果对比（Δs=30.0mm）Fig.5ComparisonofembankmentfillsettlementbetweenDEMresultsandexperimentaldata(Δs=30.0mm)2“土拱结构”形态分析土拱效应是桩承式路堤中因桩土相对位移引起的一种应力重分布现象。DEM模型中，路堤荷载通过颗粒间的接触力链传递，而颗粒相对滑动势必会引起应力主方向的偏转，故可基于接触力及应力主方向分布规律对路堤中“土拱结构”进行分析。随着桩土相对位移Δs的增加，路堤荷载传递效率逐渐增大，同时“土拱结构”也随之发展。由图4可知，，路堤荷载传递效率在Δs达到3mm后趋于稳定，由此可推测?

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