基于模型试验和莫尔库伦理论的桩承式路堤土拱效应分析方法

技术领域

本发明涉及公路及铁路工程室内模型试验研究技术领域的试验分析方法，特别涉及一种基于模型试验和莫尔库伦理论的桩承式路堤土拱效应分析方法。

背景技术

在桩承式路堤中，由于桩和桩间土体的模量差别很大，在路堤荷载的作用下，桩土之间会产生差异沉降，使得路堤填土中产生剪应力，进而在路堤中形成了应力重分布，产生“土拱效应”现象。1988年，Hewlett&Randolph等在文献Analysis of piled embankments[J].Ground Engineering,1988,21(3):12-18中提出了基于试验的土拱效应理论模型，认为土拱的形状是半圆形的，是具有均匀厚度的拱，研究发现土拱的破坏发生在土拱拱顶和拱角处，土拱的拱顶处土体处于极限平衡状态，在软土上方土压力系数随路堤高度分布曲线中，土压力系数由逐渐增大到减小的突变点所对应的路堤高度为土拱内拱的高度。莫尔库伦理论中有也极限平衡的思想，可以通过莫尔应力圆确定土体强度包络线，进而确定土体的极限平衡状态。对土拱效应进行研究分析时，常需要确定土拱的外拱高度和、内拱高度、拱厚，这样才能较准确地确定出土拱的轮廓线，通过模型试验与摩尔库伦理论相结合，本发明提出一种较新的桩承式路堤土拱效应的试验分析方法，可以使桩承式路堤土拱效应分析，尤其是确定土拱的轮廓线更加简便。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于模型试验和莫尔库伦理论的桩承式路堤土拱效应分析方法，运用桩承式路堤土拱效应研究模型试验装置进行试验研究并运用莫尔库伦强度理论分析桩承式路堤土拱效应是否产生，确定土拱的拱顶位置，通过分析软土上方土压力系数随路堤高度分布曲线，根据Hewlett and Randolph (1988)土拱理论可以得到土拱的内外拱的高度，通过内拱高度与外拱高度可近似计算土拱的拱厚大小，通过土拱的外拱高度、内拱高度、拱厚大小可绘制土拱的轮廓线。

为解决上述技术问题，本发明基于模型试验和莫尔库伦理论，提出一种基于模型试验和莫尔库伦理论的桩承式路堤土拱效应分析方法。

基于模型试验和莫尔库伦理论的桩承式路堤土拱效应分析方法，包括如下步骤：

(1)通过三轴试验测定桩承式路堤土拱效应研究模型试验所用填料的大小主应力，填料为砂土；

(2)绘制填料的莫尔应力圆、强度包络线；

(3)在桩承式路堤土拱效应研究模型试验装置中进行试验，测得不同路堤填土高度位置处填料的竖直向和水平向应力大小；

(4)由测定的填料大小主应力值绘制不同位置处填料的莫尔应力圆；

(5)将不同位置处填料的莫尔应力圆与之前绘制的强度包络线进行比较，判断不同位置处填料处于何种状态；

(6)对照不同位置处填料的状态，软土中心上方某一位置处填料的摩尔应力圆与填料的强度包络线相切或者临近相切，则该处填料所处高度即为土拱外拱的高度；

(7)根据不同位置处填料的竖直向与水平向的应力，计算出该处的土压力系数的大小，并判断不同位置处路堤填料处于主动或者被动应力状态，在软土上方填料土压力系数随路堤高度分布曲线中，根据土压力系数由逐渐增大到减小的突变点所对应的路堤高度可得到土拱内拱的高度；

(8)通过得到的土拱外拱高度和内拱高度可以近似计算得到土拱的拱厚大小，土拱外拱高度减去土拱内拱高度得到土拱拱厚大小，当土拱的内外拱高度为零时，也就是软土上方路堤填料均处于静止土压力状态时，土拱效应没有发生；

(9)通过土拱的外拱高度、内拱高度、拱厚大小可近似绘制土拱的形状。

进一步，步骤(1)中，三轴试验根据桩承式路堤土拱效应研究模型试验的特定工况的填土进行试验。

进一步，步骤(3)中，在在不同路堤填土高度处，主要是在桩间底土表面中心上方不同高度处布置水平向、竖直向土压力盒。

附图说明

图1为模型试验装置示意图。

图2为确定土拱外拱高度方法示意图。

图3为确定土拱内拱高度方法示意图。

图中：1为路堤表面；2为模型槽；3为路堤填料；4为土压力盒；5为软土表面；6为桩；7为模拟软土。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

一种基于模型试验和莫尔库伦理论的桩承式路堤土拱效应分析方法，包括以下步骤：

(1)通过三轴试验测定桩承式路堤土拱效应研究模型试验所用填料的大小主应力，填料为砂土；

(2)绘制填料的莫尔应力圆、强度包络线，如图2所示，E线为强度包络线；

(3)在桩承式路堤土拱效应研究模型试验装置中进行试验，在模型槽(2) 中底部有桩(6)，模拟软土(7)，在软土表面(5)上方填筑路堤填料(3)，路堤填料中放置有土压力盒(4)，路堤填料(3)填筑到路堤表面(1)为止，如图 1所示测得桩帽处和不同路堤填土高度位置处填料的竖直向和水平向应力大小，测得A、B处填料的竖直向和水平向应力大小；

(4)由测定的A、B填料大小主应力值在图2中绘制填料的莫尔应力圆，如图2所示，A处填料绘制莫尔圆C，B处填料绘制莫尔圆D；

(5)将绘制的莫尔应力圆与之前绘制的强度包络线进行比较，判断不同位置处填料处于何种状态，如图1所示，A处填料处于未破坏状态，B处填料处于极限平衡状态；

(6)对照不同位置处填料的状态，软土中心上方某一位置处的填料的摩尔应力圆与强度包络线相切或者临近相切，则该处填料所处高度即为土拱外拱的高度，所以B处填料对应的路堤高度为土拱外拱的高度；

(7)根据不同位置处填料的竖直向与水平向的应力，可以计算出该处的土压力系数的大小，并能判断不同位置处路堤填料处于主动或者被动应力状态，在软土上方填料土压力系数随路堤高度分布曲线中，如图3所示，土压力系数由逐渐增大到减小的突变点F点所对应的路堤高度为土拱内拱的高度；

(8)通过得到的土拱外拱高度和内拱高度可以近似计算得到土拱的拱厚大小，土拱外拱高度减去土拱内拱高度得到土拱拱厚大小，当土拱的内外拱高度为零时，也就是软土上方路堤填料均处于静止土压力状态时，土拱效应没有发生；

(9)通过土拱的外拱高度、内拱高度、拱厚大小可近似绘制土拱的形状。

其中，步骤(1)中，三轴试验根据桩承式路堤土拱效应研究模型试验的特定工况的填土进行试验。

其中，步骤(3)中，在在不同路堤填土高度处，主要是在桩间底土表面中心上方不同高度处布置水平向、竖直向土压力盒。