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路堤深厚软基管桩复合地基数值模拟

姜彦彬 何宁 林志强 姚明帅 李文轩

姜彦彬, 何宁, 林志强, 姚明帅, 李文轩. 路堤深厚软基管桩复合地基数值模拟[J]. 水利水运工程学报, 2018, (2): 43-51. doi: 10.16198/j.cnki.1009-640X.2018.02.006
引用本文: 姜彦彬, 何宁, 林志强, 姚明帅, 李文轩. 路堤深厚软基管桩复合地基数值模拟[J]. 水利水运工程学报, 2018, (2): 43-51. doi: 10.16198/j.cnki.1009-640X.2018.02.006
JIANG Yanbin, HE Ning, LIN Zhiqiang, YAO Mingshuai, LI Wenxuan. Numerical simulation of pipe pile composite foundation of deep soft foundation under embankment[J]. Hydro-Science and Engineering, 2018, (2): 43-51. doi: 10.16198/j.cnki.1009-640X.2018.02.006
Citation: JIANG Yanbin, HE Ning, LIN Zhiqiang, YAO Mingshuai, LI Wenxuan. Numerical simulation of pipe pile composite foundation of deep soft foundation under embankment[J]. Hydro-Science and Engineering, 2018, (2): 43-51. doi: 10.16198/j.cnki.1009-640X.2018.02.006

路堤深厚软基管桩复合地基数值模拟

doi: 10.16198/j.cnki.1009-640X.2018.02.006
基金项目: 

国家自然科学基金资助项目 51579152

中央级公益性科研院所基本科研业务费专项基金资助项目 Y316011

中央级公益性科研院所基本科研业务费专项基金资助项目 Y316021

浙江省宁波市交通科技委科技计划项目 201312

详细信息
    作者简介:

    姜彦彬(1989—),男,山东临沂人,博士研究生,主要从事地基处理方面研究。E-mail: 903885593@qq.com

  • 中图分类号: TU472

Numerical simulation of pipe pile composite foundation of deep soft foundation under embankment

  • 摘要: 结合高速公路桥头深厚软基现场试验段工程,对比了几种管桩复合地基单桩有限元数值建模方法,认为轴对称接触有限元模型可以较准确地反映路堤下管桩复合地基的基本性状。基于数值分析结果,详细探讨了管桩复合地基的受力特性和变形分布。结果表明:填土越高,桩顶承台应力集中越显著;桩土应力比与高距比、桩土沉降差之间均存在较好的正相关线性关系。填筑结束,带承台管桩承担了80%的路堤荷载,管桩外侧摩阻力承担了超过90%的承台受荷;与在天然地基上堆载相比,大部分荷载通过管桩传递到压缩性相对较小的深层地基中,管桩复合地基的附加应力分布得到了优化,桩长范围内地基的压缩率及压缩量大幅减小,管桩复合地基的总沉降量仅为相应天然地基堆载沉降量的18.5%,深厚软基的总沉降减幅为435 mm。
  • 图  1  管桩复合地基剖面(单位:m)

    Figure  1.  Profile sketch of pipe pile composite foundation (unit: m)

    图  2  单桩加固单元模型

    Figure  2.  Schematic diagram of single pile reinforcement model

    图  3  路堤堆载过程曲线

    Figure  3.  Surcharge process curve of embankment

    图  4  有限元几何模型

    Figure  4.  Finite element geometry model

    图  5  现场承台及界面土压力盒布置

    Figure  5.  Arrangement of cap and earth pressure cell in-situ

    图  6  承台上3点平均竖向应力对比

    Figure  6.  Comparison of average vertical stress of three points on platform

    图  7  桩间土沉降对比

    Figure  7.  Settlement comparison of soil between piles

    图  8  桩、土应力随堆载的变化对比

    Figure  8.  Comparison of stress distribution between pile and soil with surcharge loading

    图  9  平均桩土应力比随堆载的变化

    Figure  9.  Variation of averaged stress ratio of pile soil to with surcharge

    图  10  桩土荷载分担比随堆载的变化

    Figure  10.  Variation of pile soil load sharing ratio with surcharge

    图  11  平均桩土应力比n与高距比k的相关性

    Figure  11.  Relationships between averaged stress ratio n of pile to soil and ratio of height to net k

    图  12  不同时间顶部竖向应力的径向变化

    Figure  12.  Radial variation of vertical stress with different time

    图  13  第7层堆载后垫层及填土的最大主应力等值线

    Figure  13.  Contour of maximum principal stress of cushion and fill after seventh layer loading

    图  14  管桩内、外侧总摩阻力对比

    Figure  14.  Comparison of total internal friction between inside and outside of pipe pile

    图  15  管桩外侧摩阻力沿深度分布变化

    Figure  15.  Distribution of outside friction resistance along pile

    图  16  管桩外侧正、负总摩阻力对比

    Figure  16.  Comparison of positive and negative total frictional resistance outside of pipe pile

    图  17  第7层堆载后桩端附近地基土最大主应力等值线

    Figure  17.  Maximum principal stress contour of soil near pile end after seventh layer loading

    图  18  外摩阻力与桩端阻力对比

    Figure  18.  Comparison of external friction resistance and pile tip resistance

    图  19  桩间土及承台加权平均沉降

    Figure  19.  Weighted average settlements of pile plate and soil

    图  20  桩土应力比n与平均沉降差s的相关性

    Figure  20.  Correlation between stress ratio n of pile to soil and its average settlement difference s

    图  21  管桩复合地基与天然地基各层压缩量对比

    Figure  21.  Comparison between compression capacity of composite foundation with pipe pile and natural foundation

    图  22  管桩复合地基与天然地基各层沉降率对比

    Figure  22.  Comparison between settlement rate of composite foundation with pipe pile and natural foundation

    图  23  第3层堆载后复合地基土中超静孔压沿深度分布变化

    Figure  23.  Changes of excess pore pressure distribution along depth in composite foundation after third layer loading

    表  1  土的物理力学参数

    Table  1.   Physical mechanics parameters of soil

    土层 厚度/m W/% 重度/(kN·m-3) e wL/% IP E/MPa υ c′/kPa φ′ ψ′ k/(10-3m·d-1)
    ①粉质黏土 2.0 34.3 18.60 0.964 33.6 12.8 4.20 0.35 20.0 18.0 0 5.20
    ②淤泥质土 10.5 37.6 18.30 1.029 30.4 9.7 2.90 0.40 11.3 15.0 0 13.00
    ③淤泥质土 13.0 42.5 17.62 1.209 36.2 13.8 2.18 0.40 12.6 8.9 0 0.78
    ④粉质黏土 9.5 30.2 18.83 0.853 30.8 11.5 8.60 0.35 22.2 9.8 0 3.50
    ⑤粉、细砂 15.0 30.1 18.89 0.712 -- -- 12.50 0.30 0 20.0 0 620.00
    路堤填土 3.833 -- 19.20 -- -- -- 30.00 0.25 6.0 30.0 0 --
    碎石垫层 0.50 -- 21.00 -- -- -- 60.00 0.20 0 40.0 5 --
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    表  2  各数值模型沉降对比

    Table  2.   Settlement comparison of numerical models

    mm
    指标 实测 ①复合桩模型 ②轴对称整体模型 ③三维实体模型 ④轴对称接触模型
    SS-P 83 81 81 80 86
    ΔSS-P -- -2 -2 -3 3
    ΔSS-P -- 7 7 7 12
    注:SS-P为与实测对应的桩间土沉降值;ΔSS-P为各模型计算值SS-P与实测的差值;ΔSS-P为桩土最终沉降差。
    下载: 导出CSV
  • [1] 郑育彬, 韩先科.我国高速公路发展的总体判断和"十三五"时期发展重点[J].综合运输, 2015, 37(5): 13-17. http://mall.cnki.net/magazine/Article/YSZH201505003.htm

    ZHENG Yubin, HAN Xianke. Strategy of expressway development during the Thirteenth Five-year period[J]. China Transportation Outlook, 2015, 37(5): 13-17. (in Chinese) http://mall.cnki.net/magazine/Article/YSZH201505003.htm
    [2] 娄炎, 何宁, 娄斌.高速公路深厚软基工后沉降控制成套技术[M].北京:人民交通出版社, 2011: 91-104.

    LOU Yan, HE Ning, LOU Bin. Complete settlement control technology for deep soft foundation of expressway[M]. Beijing: China Communications Press, 2011: 91-104. (in Chinese)
    [3] 龚晓南.复合地基理论及工程应用[M]. 2版.北京:中国建筑工业出版社, 2007: 57-70.

    GONG Xiaonan. Composite foundation theory and engineering application[M]. 2nd ed. Beijing: China Building Industry Press, 2007: 57-70. (in Chinese)
    [4] 何宁, 娄炎.路堤下刚性桩复合地基的设计计算方法研究[J].岩土工程学报, 2011, 33(5): 797-802. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-YTGC201105025.htm

    HE Ning, LOU Yan. Design and calculation method for rigid pile composite foundation under embankments[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2011, 33(5): 797-802. (in Chinese) http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-YTGC201105025.htm
    [5] 雷金波, 徐泽中, 黄玲, 等.带帽PTC管桩复合地基荷载传递试验研究[J].岩土力学, 2005, 26(增刊): 232-236. http://www.oalib.com/paper/5018565

    LEI Jinbo, XU Zezhong, HUANG Ling, et al. Experimental study on load transfer of prestressed thin-wall concrete (PTC) pile with cap composite foundation[J]. Rock and Soil Mechanics, 2005, 26(Suppl): 232-236. (in Chinese) http://www.oalib.com/paper/5018565
    [6] NUNEZ M A, BRIANÇON L, DIAS D. Analyses of a pile-supported embankment over soft clay: Full-scale experiment, analytical and numerical approaches[J]. Engineering Geology, 2013, 153(2): 53-67. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0013795212003195
    [7] 陈仁朋, 徐正中, 陈云敏.桩承式加筋路堤关键问题研究[J].中国公路学报, 2007, 20(2): 7-12. https://www.wenkuxiazai.com/doc/a4c60739866fb84ae45c8de7.html

    CHEN Renpeng, XU Zhengzhong, CHEN Yunmin. Research on key problems of pile-supported reinforced embankment[J]. China Journal of Highway and Transport, 2007, 20(2): 7-12. (in Chinese) https://www.wenkuxiazai.com/doc/a4c60739866fb84ae45c8de7.html
    [8] 庄妍, 崔晓艳, 刘汉龙.桩承式路堤中土拱效应产生机理研究[J].岩土工程学报, 2013, 35(增刊1): 118-123. http://cpfd.cnki.com.cn/Article/CPFDTOTAL-ZGYJ201210001206.htm

    ZHUANG Yan, CUI Xiaoyan, LIU Hanlong. 3D FE analysis of arching in a piled embankment[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2013, 35(Suppl1): 118-123. (in Chinese) http://cpfd.cnki.com.cn/Article/CPFDTOTAL-ZGYJ201210001206.htm
    [9] 莫海鸿, 黄文锋, 房营光.不同桩长对无持力层刺入工况下刚性网格-桩加固路基的影响[J].岩石力学与工程学报, 2013, 32(增刊1): 2944-2950. http://industry.wanfangdata.com.cn/dl/Detail/Periodical?id=Periodical_yslxygcxb2013z1047

    MO Haihong, HUANG Wenfeng, FANG Yingguang. Influence of different pile lengths on rigid grid-pile reinforced subgrade without bearing stratum penetration[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2013, 32(Suppl1): 2944-2950. (in Chinese) http://industry.wanfangdata.com.cn/dl/Detail/Periodical?id=Periodical_yslxygcxb2013z1047
    [10] 宁波市高等级公路建设指挥部, 南京水利科学研究院, 辽宁省交通规划设计院, 等.杭州湾跨海大桥南岸接线深厚软基沉降控制技术[M].北京:人民交通出版社, 2010: 1-20.

    Ningbo High Grade Highway Construction Command, Nanjing Hydraulic Research Institute, Liaoning Traffic Planning and Design Institute, et al. Settlement control technology of soft foundation for connection of south bank of Hangzhou Bay sea crossing bridge[M]. Beijing: China Building Industry Press, 2010: 1-20. (in Chinese)
    [11] 鲁绪文. 路堤荷载下长短桩复合地基加固深厚软土路基的试验与研究[D]. 南京: 南京水利科学研究院, 2007. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=degree&id=Y1172173

    LU Xuwen. Experimental study of composite foundation with long-short piles improving deep soft soils under embankment load[D]. Nanjing: Nanjing Hydraulic Research Institute, 2007. (in Chinese) http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=degree&id=Y1172173
    [12] GIROUT R, BLANC M, DIAS D, et al. Numerical analysis of a geosynthetic-reinforced piled load transfer platform - Validation on centrifuge test[J]. Geotextiles and Geomembranes, 2014, 42(5): 525-539. doi:  10.1016/j.geotexmem.2014.07.012
    [13] 宋兵. 桩侧摩阻力特性的研究[D]. 广州: 华南理工大学, 2010. http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10561-1011044086.htm

    SONG Bing. Study on the characteristics of shaft soil resistance of pile[D]. Guangzhou: South China University of Technology, 2010. (in Chinese) http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10561-1011044086.htm
    [14] 娄炎, 何宁.地基处理监测技术[M].北京:中国建筑工业出版社, 2015: 271-303.

    LOU Yan, HE Ning. Monitoring technology of foundation treatment[M]. Beijing: China Building Industry Press, 2015: 271-303. (in Chinese)
  • [1] 王浩然, 王志亮, 王星辰.  含缺陷岩样三轴压缩变形破坏过程颗粒流模拟 . 水利水运工程学报, 2021, (4): 46-53. doi: 10.12170/20200912001
    [2] 姜彦彬, 何宁, 耿之周, 蔡忍, 任国峰, 石北啸.  PCC桩复合地基离心模型制备及桩土接触模拟 . 水利水运工程学报, 2020, (2): 91-98. doi: 10.12170/20190121001
    [3] 陈宇, 吕杨, 齐广政, 孙熙平.  船舶撞击荷载作用下高桩墩的破坏分析 . 水利水运工程学报, 2019, (2): 25-32. doi: 10.16198/j.cnki.1009-640X.2019.02.004
    [4] 林骁骋, 姚文娟.  边载和水平荷载作用下超长桩承载性状数值分析 . 水利水运工程学报, 2016, (1): 107-115.
    [5] 冯婷婷, 王建华.  循环荷载作用下软土中吸力锚变形过程拟动力算法 . 水利水运工程学报, 2016, (3): 82-89.
    [6] 黄耀英, 郑宏, 向衍.  不确定性地基水荷载的智能识别初探 . 水利水运工程学报, 2013, (1): 22-27.
    [7] 王孝兵,文松霖,徐文强,柴洪涛.  荷载倾角对大直径长桩承载特性的影响分析 . 水利水运工程学报, 2012, (2): 8-14.
    [8] 卢陈,刘晓平,林积大,刘霞.  水平荷载下底梁式全直桩码头横向荷载传递规律 . 水利水运工程学报, 2012, (1): 43-48.
    [9] 黄耀英,沈振中,田斌,周宜红.  地基水荷载对混凝土坝位移影响研究 . 水利水运工程学报, 2010, (1): -.
    [10] 尹武先,姚文娟,程泽坤.  轴-横向荷载作用下超长桩数值模拟 . 水利水运工程学报, 2009, (2): -.
    [11] 朱文君,张宗亮,袁友仁,朱俊高.  粗粒料单向压缩湿化变形试验研究 . 水利水运工程学报, 2009, (3): -.
    [12] 涂忠仁,尹健,荣耀.  动力荷载作用下预应力混凝土靠船桩变形性能理论及数值分析 . 水利水运工程学报, 2008, (4): -.
    [13] 彭争光,高广运,曹喜仁.  单桩荷载传递修正法及其应用 . 水利水运工程学报, 2005, (4): 46-50.
    [14] 曾友金,章为民.  超长单桩的荷载传递分析 . 水利水运工程学报, 2002, (1): 25-30.
    [15] 袁文明,黄康理.  垂直荷载作用下搅拌桩的现场试验 . 水利水运工程学报, 1997, (1): -.
    [16] 黄书秩,唐太平,黄卫生.  集中荷载作用下高桩码头面板的横向配筋 . 水利水运工程学报, 1996, (1): -.
    [17] 黄孟生,徐道远.  码头门机荷载最大值分布随机过程概率模型统计分析 . 水利水运工程学报, 1992, (4): -.
    [18] 窦宜,盛树馨,施艳平.  轴对称应力条件下饱和粘土的变形特性 . 水利水运工程学报, 1986, (2): -.
    [19] 陈锦珍,郑国芳.  桩在砂土中承受水平荷载的模型试验研究 . 水利水运工程学报, 1983, (2): -.
    [20] 沈珠江,王仁钟.  反复荷载作用下砂土变形的平均过程理论 . 水利水运工程学报, 1980, (4): -.
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出版历程
  • 收稿日期:  2017-06-21
  • 刊出日期:  2018-04-01

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