交通荷载下筋箍碎石桩复合地基承载变形机理研究

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筋箍碎石桩复合地基治理技术针对普通碎石桩刚度小、易鼓胀、承载力低等问题,采用土工合成材料包裹碎石桩桩体形成竖向加筋套筒,限制桩体的侧向鼓胀变形,从而有效提高桩体刚度和承载能力,减少复合地基沉降量。目前有关的研究成果主要集中于静力学领域,交通荷载下筋箍碎石桩复合地基的动力承载变形特性仍有待深入研究。本文依托国家自然科学基金项目“筋箍碎石桩复合地基动力承载变形机理及其分析方法研究”,开展室内模型试验和三维数值模拟分析,对交通荷载作用下筋箍碎石桩复合地基的承载变形机理、荷载传递规律、排水固结效应以及微观受力变形等内容进行深入研究。首先,开展级配碎石的循环动三轴试验,研究级配碎石的动力学特性,深入探讨不同围压、动应力和加载频率作用下级配碎石的动力承载变形规律。采用半正弦波动荷载模拟实际交通荷载,开展6组筋箍碎石桩复合地基的动静载模型试验,探讨承载形式、土工格栅加筋套筒和加载频率对筋箍碎石桩复合地基承载变形特性的影响,深入研究交通荷载作用下筋箍碎石桩复合地基的承载变形特性、荷载传递机理、筋材拉伸特性和软土孔隙水压力的发展规律等内容,进而揭示筋箍碎石桩复合地基的动力承载变形机理。其次,针对软土和筋材的连续性以及碎石的离散性,采用FLAC3D有限差分法模拟筋箍碎石桩复合地基中软土和筋材,采用PFC3D离散元法模拟碎石,建立相应的软土固结试验数值模型、碎石静三轴和动三轴试验数值模型和土工格栅拉伸试验数值模型,实现软土弹性模量、碎石回弹模量和內摩擦角及筋材拉伸刚度的标定并确定材料的微观参数。在此基础上,建立筋箍碎石桩复合地基的三维离散元-有限差分法耦合数值分析模型,并同室内模型试验结果进行对比验证。基于数值模拟结果,重点分析交通荷载作用下桩体竖向和径向应力、颗粒接触力分布、碎石颗粒位移规律、桩体破坏模式和桩体鼓胀变形等内容。最后,基于上述筋箍碎石桩复合地基三维数值分析模型,开展筋箍碎石桩复合地基动力承载变形特性参数分析,重点探讨加筋长度、筋材拉伸刚度、桩端持力层弹性模量、动应力幅值等因素对复合地基沉降变形的影响,提出桩顶沉降变化规律的表达式和影响因素建议值,可为交通荷载下筋箍碎石桩复合地基的设计和施工提供重要参考。
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