桩网结构路基近年来在高速铁路路基工程中广泛应用,取得了较好的应用效果。在其工作过程中,土拱效应是主要的荷载传递机制,但迄今为止对于土拱效应的形成,演化机理及工程设计等方面的理论研究仍落后于实际应用。本文基于土的非连续性特点,建立土拱形成及演进的离散元分析模型,从细观角度分析了静动载条件下土拱的形成和变化规律,进而研究了不同路堤高度、桩帽宽度、桩净间距、土工格栅强度和路堤填料内摩擦角等设计条件下的桩网结构路基土拱形态和荷载传递机制,获得了土拱效应下的土体沉降规律。所得结论和成果如下:(1)根据室内土拱效应模型试验,建立二维颗粒流分析模型并进行了验证,从细观角度分析了桩网结构路基中颗粒的接触力链、竖向应力和竖向位移的变化规律。结果表明:颗粒间的接触力链在桩顶表面呈现出明显的应力集中,伴随着桩土差异沉降的出现而向桩间土上部倾斜,逐渐演化为椭圆形拱,拱高约为1.15倍桩净间距。随桩土相对位移的增加,“土拱结构”经历了“产生-发展-稳定”的演化过程。依据路堤内部土体竖向应力的大小和分布,将路堤结构分为稳定区、土拱效应区和恢复区三个区域。稳定区内桩顶和桩间土上方的竖向应力随路堤深度增加线性增长,斜率约为路堤填料的重度。土拱效应区的桩顶上方竖向应力增长较快,而桩间上方的应力较小。最下层的恢复区位于土拱结构的内部,桩间竖向应力为线性增长趋势。路堤上部颗粒竖向位移呈现为分层现象,存在明显的等沉面。(2)为研究静荷载作用下桩网结构路基的承载特性及其对土拱效应的影响,建立了逐级增加的静荷载离散元模型,并提出了一种可有效模拟桩间软土的颗粒流方法。进而建立不同路堤高度、桩帽宽度、桩净间距、土工格栅强度和路堤填料内摩擦角等条件下的离散元分析模型,得到上述工程设计参数对土拱效应的影响规律。结果表明:路堤填筑高度对土拱的形成影响显著,当路堤高度与桩净间距之比(h/s)大于等于1.5时,桩土应力比存在峰值,土拱此时完全发挥作用;当路堤高度与净桩间距之比小于1.5时,桩土应力比未达到峰值,土拱效应发挥不完全。此外,桩帽宽度与桩净间距之比越大,土工格栅强度越高,路堤填料内摩擦角越大,产生的桩土应力比越大,土拱效应越明显。(3)建立桩网结构三维颗粒流分析模型,分析桩网结构路基空间颗粒的竖向位移和竖向应力的变化规律。结果表明:土拱发生在相邻桩体上部,力链相互连接形成穹顶状结构。拱顶高度约为1.15倍的对角粧净间距,土拱结构达到稳定状态时的桩土相对位移为3mm,比二维状态时大;桩顶与四桩心的桩土应力比为6.19,相对于二维状态时较小;由此说明二维模型计算结果对于土拱效应的分荷作用得出的数值较大。(4)建立动荷载作用下的桩网结构颗粒流分析模型,研究长期循环荷载作用下土拱结构的动力特性。当路堤表面承担的动荷载幅值与静荷载相同时,路堤颗粒间的接触力链形态不变,但拱顶高度较静荷载作用时低。动荷载作用下路堤表面沉降大,桩间土沉降明显,桩顶表面竖向应力小于同等条件下的静力作用。随振动周期的增加,桩间土上方的竖向应力显著增大,桩土应力比减小,土拱效应的削弱程度越高。此外,动荷载的频率也是影响土拱效应发挥的一个重要因素,频率越高,土拱效应的削弱现象越明显。上述研究成果的取得为桩网结构土拱效应机理的进一步深化研究奠定了基础。