樁承式加筋路堤的筋材設計方法討論-馬克菲爾韓飛

樁承式加筋路堤筋材設計方法的討論馬克菲爾（長沙）新型支檔科技開發(fā)有限公司韓飛引言軟土地基上筑堤（加固）的技術(shù)選擇地基加固，根據(jù)路基要求可以選擇不同技術(shù)方案：復合地基技術(shù)（水泥土樁、石灰樁、碎石樁、CFG樁等）PVD預壓固結(jié)技術(shù)（堆載預壓、真空預壓）其他地基處理組合技術(shù)（如長版短樁+堆載工法）輕質(zhì)填料路堤，如EPS路堤分期施工技術(shù)：前期固結(jié)基本完成后再加載傳統(tǒng)樁承路堤墊層加筋路堤樁承加筋路堤2傳統(tǒng)樁承路堤Firmsoilorbedrock使用斜樁3軟土地基路堤填土土工合成材料加筋樁典型樁承加筋路堤構(gòu)成樁帽主要區(qū)別：引入加筋墊層，取消邊緣斜樁4樁網(wǎng)復合地基著眼點是復合地基，不論采用何種樁型，強調(diào)樁-網(wǎng)-土的協(xié)調(diào)工作和共同分擔上部荷載；樁間土承擔荷載是復合地基的前提。樁承式加筋路堤更側(cè)重“樁承路堤”，多采用剛性樁，充分考慮填土路堤內(nèi)的土拱效應，特別是在水平加筋膜效應下，由樁體分擔絕大部分路堤荷載與附加荷載，在一般情況下不考慮樁間土的支撐作用。樁承加筋堤vs.樁網(wǎng)復合地基5樁承式加筋路堤的設計方法英國規(guī)范BS8006（2010）

德國規(guī)范EBGEO(2010)

北歐指南NORDIC(2004)日本手冊（2001）復合地基技術(shù)規(guī)范（GB/T50783-2012）6BS8006（2010）極限狀態(tài)PilegroupcapacityPilegroupextentVerticalloadsheddingOverallstabilityLateralsliding7承載能力極限狀態(tài)正常使用極限狀態(tài)BS8006（2010）極限狀態(tài)ReinforcementstrainFoundationsettlement8北歐Nordic楔形拱英國BS8006土拱效應荷載日本細則德國EBGEO規(guī)程9路堤荷載最終是由樁（樁間土）分擔，樁基承擔的是經(jīng)過土拱效應加強的上部荷載(A)和經(jīng)筋材薄膜效應（梁效應）傳遞過來的荷載(B)；而樁間土分擔的是經(jīng)過土拱效應和薄膜效應轉(zhuǎn)移后剩余的上部荷載(C)。10樁承式加筋路堤設計基本思路

根據(jù)路堤填筑高度和設計基本條件，考慮土拱效應，確定樁間加筋上的作用荷載。依據(jù)薄膜效應或者梁效應（Beamtheory），確定土工合成材料受力，進行加筋墊層設計。然后進行樁承式加筋路堤的穩(wěn)定性分析，樁基（樁型、間距、長度）設計，路堤沉降驗算。11各國規(guī)范對筋材長期設計抗拉強度的計算英國BS8006：

德國EBGEO：北歐NORDIC：日本細則：國家規(guī)范：12長期抗拉強度設計值：13BS8006&SANS207EBGEOFHWAISOTR20432TDRB,kTLTDSTLTDSRFCRA1RFCRRFCRfm21A2RFIDRFIDincludedinfm22includedinA4RFWRFWincludedinfm22includedinA4RFCHRFCHfm12xfm12fixedvalue=1.3FSFSRB,k=RB,K0/(A1xA2xA3xA4xA5)TB=TCR=Tchar/RFCRTD=TCR/fmwherefm=RFIDxRFWxRFCHxFS==fm21xfm22xfm12xfm12

長期抗拉強度設計值：14拉伸強度,T設計年限,tdLog(時間)1.Tult

（快速拉伸試驗測得）施工期傳統(tǒng)方法--長期抗拉設計強度Td

(e.g.,TRISO20432):15T第一步：土工合成加筋材料的機械性能可以通過不同的試驗方法測試；根據(jù)土工合成加筋筋材破壞時的變形，其結(jié)果略有不同。影響測試結(jié)果的其他因素：測試溫度；固定加筋筋材的夾具類型；速率（應變、應力）16拉伸強度,T2.Tult/RFID設計年限,tdLog(時間)施工期

RFID:施工損傷折減系數(shù)

(一般為：

1.05–3.0)1.Tult

（快速拉伸試驗測得）傳統(tǒng)方法--長期抗拉設計強度Td

(e.g.,TRISO20432):17第二步：施工損傷主要影響因素：填料粒徑填料顆粒尖銳程度壓實機械壓實能量壓實厚度.現(xiàn)場試驗非常有必要!182.Tult/RFID拉伸強度,T設計年限,tdLog(時間)NegativeageingeffectscoveredbyRFD施工期直接到設計年限末

!1.Tult

（由快速拉伸試驗測得）

RFD:環(huán)境因素折減系數(shù)(一般為

1.1–2.0)3.Tult/(RFIDxRFD)傳統(tǒng)方法--長期抗拉設計強度Td

(e.g.,TRISO20432):192.Tult/RFID3.Tult/(RFIDxRFD)拉伸強度,T設計年限,tdLog(time)NegativeageingeffectscoveredbyRFD施工期Gobackfromthefuture!1.Tult

（由快速拉伸試驗測得）傳統(tǒng)方法--長期抗拉設計強度Td

(e.g.,TRISO20432):20第三步：主要影響因素：紫外線聚烯烴類的氧化反應聚酯類的水解反應微生物土壤酸堿度PH值.

212.Tult/RFID3.Tult/(RFIDxRFD)拉伸強度,T設計年限,tdLog(時間)NegativeageingeffectscoveredbyRFDConventionalstress-rupturecurve施工期再一次到設計年限末

!4.

Tult/(RFIDxRFDxRFCR)

RFCR:蠕變折減系數(shù)e.g.,4.0–5.0forPP&2.6–5.0forHDPE(FHWA,2001)1.Tult

（由快速拉伸試驗測得）傳統(tǒng)方法--長期抗拉設計強度Td

(e.g.,TRISO20432):22第四步：蠕變折減系數(shù)主要影響因素：聚合物類型溫度

聚酯

90/110260°C聚丙烯

-20

170/180

高密度聚乙烯

-120/-90

130彈性階段粘彈性階段流態(tài)玻璃化溫度熔點一般土壤溫度：

0°C<t<30°C23最常用的是等時蠕變曲線。它可以提供了在特定的設計年限內(nèi)較明確的最大拉伸強度（左圖）

-強度準則

–蠕變應變速率（右圖）-變形準則.24Log(time)5.設計強度:Td=Tult/(RFIDxRFDxRFCRx(Fs)overall)2.Tult/RFID3.Tult/(RFIDxRFD)拉伸強度,T設計年限,tdNegativeageingeffectscoveredbyRFD施工期4.Creeprupturestrength:Tult/(RFIDxRFDxRFCR)1.Tult

（由快速拉伸試驗測得）Conventionalstress-rupturecurve傳統(tǒng)方法--長期抗拉設計強度Td

(e.g.,TRISO20432):第五步：(Fs)overall

=

fm121Xfm122這個系數(shù)很重要但經(jīng)常會被遺忘。它包含了所采用材料生產(chǎn)企業(yè)的質(zhì)量流程控制、建廠歷史、材料試驗測試頻率以及其依據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)提出材料參數(shù)典型數(shù)值的可信度。依據(jù)英國規(guī)范BS8006，fm122

與可提供的樣板數(shù)據(jù)庫次數(shù)成線性關(guān)系。如果不能達到最低值，此種材料不能被采用！26工程算例：軟基處理工程，筋材最大允許變形量4%，蠕變量<1%設計抗拉強度：Td=120kN/m工作溫度：30°C土壤PH值：

PH<9土料：隧道棄土

dmax=40mm27

1ststep:通過表格來反推與所需長期設計強度120kN/m相對應的強度由上表可得，120年的設計年限：TCR=69%Tchar由此可得：RFCR =1/0.69=1.449上式中：TCR為長期蠕變設計強度值；

Tchar(Tult)為短期拉伸強度典型值，既通常所說的極限強度值。28RFID

=1.03~1.05與格柵型號有關(guān).

RD

=1.23（設計年限120年，土壤溫度：30°C土壤酸堿度：PH<9.5(Fs)overall=1.2依據(jù)BBA報告來計算所有與工作狀態(tài)相關(guān)的各種安全系數(shù)：29

格柵總安全折減系數(shù)為：1.449x1.05x1.23x1.2

=2.24短期強度典型值Tchar

=Tult：Tdx2.24=120kN/mx2.24=268.8kN/mTult依據(jù)“強度準則”，應選擇極限強度>269kN/m的格柵30

The2ndstep:校核269kN/m的格柵是否滿足“變形準則”。最大允許變形為4%-最大的蠕變變形量1%既格柵極限強度值為3%應變時對應的既為長期拉伸強度設計值Td(=120kN/m)kN/m。

120kN/m=45%的Tult(120/269=45%)相對應的變形=3.9%與3%的應變要求不符，不滿足“變形準則”31本工程中格柵允許最大變形量為4%，最大蠕變量為1%，為了滿足“變形準則”，根據(jù)格柵應力~應變典型曲線可以得到，3%應變所對應的長期拉伸強度設計值Td=33%的Tult。

The3ndstep:驗算格柵型號以滿足“變形準則”。32根據(jù)格柵應力~應變典型曲線可知：依據(jù)“變形準則”所對應的33%的Tult

和“強度準則”所對應的45%的Tult，格柵的應變<0.5%，因此，我們可以把變形控制到3.5%。The3ndstep:驗算格柵型號以滿足“變形準則”。本工程中格柵允許最大變形量為4%，最大蠕變量為1%，為了滿足“變形準則”，根據(jù)格柵應力~應變典型曲線可以得到，3%應變所對應的長期拉伸強度設計值Td=33%的Tult。

33Tult

=Td/0.39=120/0.39=308kN/mThe3ndstep:驗算格柵型號以滿足“變形準則”。根據(jù)格柵應力~應變典型曲線可知：依據(jù)“變形準則”所對應的33%的Tult

和“強度準則”所對應的45%的Tult，格柵的應變<0.5%，因此，我們可以把變形控制到3.5%。本工程中格柵允許最大變形量為4%，最大蠕變量為1%，為了滿足“變形準則”，根據(jù)格柵應力~應變典型曲線可以得到，3%應變所對應的長期拉伸強度設計值Td=33%的Tult。

解決方案強度為269kN/m的格柵滿足“強度準則”，但不滿足“變形準則”。正確的格柵強度（極限抗拉強度）應該不小于308kN/m，而且是蠕變比較小的格柵類型，如PET格柵。工程算例：軟基處理工程，筋材最大允許變形量4%，蠕變量<1%設計抗拉強度：Td=120kN/m工作溫度：30°C土壤PH值：

PH<9土料：隧道棄土

dmax=40mm這是一個標準計算方法，是否有值得商榷的地方？

5.Designstrength:Td=Tult/(RFIDxRFDxRFCRx(Fs)overall)2.Tult/RFID3.Tult/(RFIDxRFD)拉伸強度,T設計年限,tdLog(時間)NegativeageingeffectscoveredbyRFD施工期4.Creeprupturestrength:Tult/(RFIDxRFDxRFCR)1.TultbyfastloadingtestonnewproductConventionalstress-rupturecurve這種方法值得商榷的地方在于蠕變是一個降解的現(xiàn)象，此意味著筋材的強度在恒定的應變速率下隨著時間而減小、隨著蠕變荷載歷史而降低。把筋材的蠕變和降解過程分開來考慮。36

但是，蠕變不是一個筋材降解現(xiàn)象

a)筋材強度在恒定的應變速率下不會隨著時間而減小，除非筋材收到生物、化學侵蝕作用。b)筋材強度不會隨著蠕變荷載歷史而降低。37

2.Tult/RFID3.Tult/(RFIDxRFD)Tensileforce,TDesignlife,tdLog(time)NegativeageingeffectscoveredbyRFDTimeofconstructionConventionalstress-rupturecurve4.Creeprupturestrength:Tult/(RFIDxRFDxRFCR)1.TultbyfastloadingtestonnewproductStress-rupturecurveforsimultaneouscreepdeformationanddegradation這是一個標準計算方法，是否有值得商榷的地方？這種方法值得商榷的地方在于蠕變是一個降解的現(xiàn)象，此意味著筋材的強度在恒定的應變速率下隨著時間而減小、隨著蠕變荷載歷史而降低。把筋材的蠕變和降解過程分開來考慮。筋材降解作用和蠕變是同時發(fā)生的！在三種不同的降解環(huán)境下來模擬蠕變破壞曲線。T目前的設計方法:：蠕變發(fā)生在降解之后(保守)蠕變和降解同時發(fā)生(實際)2.Tult/RFID3.Tult/(RFIDxRFD)拉伸強度,T設計年限,tdLog(時間)Negativeageingeffects1.Tult施工期5’.:Td'=Tult/(RFIDxRFCR.D

x(Fs)overall)4.Tult/(RFIDxRFDxRFCR)5.

Td=Tult/(RFIDxRFDxRFCRx(Fs)overall)4’.:Tult/(RFIDxRFCR.D)Newstress-rupturecurveTd

'>Td筋材長期抗拉強度設計方法討論馬克菲爾計算軟件43強度準則！變形準則！44樁承式加筋路堤的特點與優(yōu)勢與一般軟基加固技術(shù)相比，可有效控制沉降與傳統(tǒng)樁承堤相比，由于加筋存在，體系更穩(wěn)定工作機理、各部分之間的相互作用復雜與橋跨（樁+梁+肋板）相比，節(jié)約費用主要工程應用公路、鐵路路基工程中與結(jié)構(gòu)物連接路堤公路、鐵路路基工程中需控制工后沉降的一般路堤公路、鐵路路基拓寬工程中的拓寬路堤45擬建的京滬高速鐵