樁承式路堤中填土高度對(duì)土拱效應(yīng)作用的試驗(yàn)研究

劉朝暉 王 鑫

（1.湖北科技學(xué)院 資源環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 咸寧 437000；2.武漢大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，武漢 430072）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、社會(huì)的進(jìn)步，大量的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)正在全國(guó)廣泛展開(kāi)，尤其是中部及東部的公路、鐵路建設(shè).而這些地區(qū)公路、鐵路地基以軟弱土層為主，根據(jù)規(guī)范，軟弱土層包括軟土、泥炭、腐殖質(zhì)土和有機(jī)質(zhì)土［1］，這些土體承載力低、含水量高、壓縮變形性大和抗剪切能力低，因此在進(jìn)行道路建設(shè)前需進(jìn)行地基處理形成復(fù)合地基以提高地基承載力［2］.在實(shí)際道路工程中，路堤填土高度往往是變化的，有相當(dāng)一部分路堤高度較低，而在設(shè)計(jì)或施工過(guò)程中因圖方便、省工、省時(shí)而忽視了這部分低填路堤區(qū)域，在這部分地區(qū)的樁體選擇、樁體布置形式以及樁間距仍然與高填路堤下的設(shè)計(jì)形式相同，這必然延長(zhǎng)了工期、提高了工程成本；其次我國(guó)國(guó)內(nèi)由于地方路網(wǎng)不斷加密，迫使公路、鐵路路堤不斷提高高度，這樣過(guò)多地占用了土地資源，增加了工程規(guī)模和工程難度［3－7］.因此研究低填條件下樁承式路堤的應(yīng)力分布特點(diǎn)，可有效進(jìn)行設(shè)計(jì)、降低工程成本和減少資源消耗.

低填路堤是相對(duì)于較高路堤而言的，在國(guó)內(nèi)外的道路規(guī)范中并沒(méi)有高、低填路堤的具體定義和規(guī)定.Zhuang Y等人［8］闡述了在軟弱下臥土層中，支撐在樁帽上的土拱顆粒，在線彈塑性平面應(yīng)變狀態(tài)下h／s（h為路堤高度，s為樁間凈距）是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù).當(dāng)（h／s）≤0.5（或更?。?，實(shí)際上沒(méi)有拱效應(yīng)：在很小的沉降量的情況下，路堤很快達(dá)到極限狀態(tài)，路堤表面的沉降差很大，但是作用在下層土上的應(yīng)力實(shí)際上沒(méi)來(lái)得急改變.當(dāng)0.5≤（h／s）≤1.5時(shí)，拱跡現(xiàn)象增加，隨著h／s增加，達(dá)到極限狀態(tài)所需要的沉降也增加，相應(yīng)的路堤的沉降差減少，并且作用在下層土的應(yīng)力與名義應(yīng)力相比有所減少.當(dāng)1.5≤（h／s），完整拱形成，達(dá)到極限狀態(tài)所需的沉降，并且在較大的沉降下能夠保持穩(wěn)定極限狀態(tài).在路堤表面沒(méi)有沉降差，并且下層土上的應(yīng)力與名義應(yīng)力相比減小.因此對(duì)于高度大于1.5s的路堤，應(yīng)力狀態(tài)沒(méi)有被明顯的影響.本文在Zhuang Y等人研究的基礎(chǔ)上建議低填路堤的高度范圍為0.5s～1.5s，其中s為樁間距.

為研究低填路堤下應(yīng)力分布特點(diǎn)，結(jié)合武漢市中北路延長(zhǎng)線的實(shí)際工程，在路堤填土過(guò)程中進(jìn)行了土壓力和沉降觀測(cè)，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析，研究了填土過(guò)程中土壓力和沉降的變化特點(diǎn)，分析了填土過(guò)程中土拱效應(yīng)的形成規(guī)律.

1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)背景

1.1 工程概況

中北路延長(zhǎng)線工程位于武漢市東湖風(fēng)景區(qū)北側(cè)，道路起點(diǎn)二環(huán)線（樁號(hào)K0＋255m），起點(diǎn)坐標(biāo)：X＝3 385 723.580，Y＝535 735.767，終點(diǎn)于三環(huán)線（樁號(hào)K4＋940.726）.

1.2 地質(zhì)概況

據(jù)勘察資料可知，在試驗(yàn)路段范圍內(nèi)地層自上而下由4個(gè)單元層17亞層組成：①素填土層（局部為耕表土）、雜填土、淤泥質(zhì)粘土（Qml）；②第四系全新統(tǒng)沖積形成的一般粘性土層（Q4al）；③第四系上更新統(tǒng)沖洪積形成的老粘性土、砂類土層（Q3al＋pl）；④白堊－下第三系泥質(zhì)粉砂巖層（K－E）；根據(jù)各單元層內(nèi)物理力學(xué)性質(zhì)差異又可分為17亞層.

1.3 樁及地基土層資料

樁及地基土層資料見(jiàn)表1～2.樁帽面積置換率＝12／（1.05×1.8）2＝28%.

表1 樁基本資料

表2 土層基本資料

1.4 實(shí)驗(yàn)儀器及其布置形式

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)主要是在低填路堤條件下獲得釘形雙向水泥土攪拌樁樁頂及樁間土體壓力和沉降隨填土高度的增加而變化的數(shù)據(jù).

在本試驗(yàn)中測(cè)量土壓力的儀器采用金壇市傳感器廠的振弦式壓力計(jì)（共計(jì)5個(gè)）及數(shù)字讀數(shù)儀（1臺(tái)）.土壓力盒安放位置分別是雙向水泥土攪拌樁樁頂中心處（1個(gè)）、樁頂擴(kuò)大頭邊緣（A、B2個(gè)）以及相近鄰樁中心連線的中點(diǎn)上（A、B2個(gè)），如圖1～2所示.本試驗(yàn)在壓力盒安置過(guò)程中，在土壓力盒周圍覆蓋等壓力盒高度的砂墊層，然后通過(guò)水泥將砂與壓力盒固定在土層上，這樣可以有效避免壓力盒上覆土范圍內(nèi)的應(yīng)力重分布，見(jiàn)圖2；為了防止與土壓力盒連接的導(dǎo)線在覆土過(guò)程中破損，在覆土前對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行了簡(jiǎn)單平整，并將各導(dǎo)線均勻覆上砂土和粘土，并將導(dǎo)線沿同一方向引到臨時(shí)觀測(cè)站.

圖1 壓力盒及沉降標(biāo)布置圖

圖2 壓力盒現(xiàn)場(chǎng)布置圖

對(duì)于沉降的觀測(cè)在大多數(shù)文獻(xiàn)［9－14］中都采用了自制沉降標(biāo)來(lái)進(jìn)行較高路堤的量測(cè)，取得的量測(cè)數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確有效，但是由于沉降標(biāo)制作工藝較為復(fù)雜，且本試驗(yàn)為低填路堤，而沉降標(biāo)的尺寸相對(duì)較大，已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)條件（因?yàn)樘钔凛^低），基于以上兩方面原因，采用沉降標(biāo)釘來(lái)代替沉降標(biāo)，通過(guò)全站儀（1臺(tái)，型號(hào)TCM，包括支架）和棱鏡（1個(gè)，型號(hào)GPH1，包括支架）測(cè)量標(biāo)釘上的沉降數(shù)據(jù).沉降標(biāo)釘?shù)牟贾脼橄噜彉稑俄斨行母饕粋€(gè)及其中心連線中點(diǎn)處一個(gè)，見(jiàn)圖1和圖3.在沉降測(cè)量前，在道路外一固定橋墩上標(biāo)記參照點(diǎn)，以此點(diǎn)為依據(jù)與待測(cè)點(diǎn)進(jìn)行高差，每次填土后進(jìn)行高差比對(duì)，得到待測(cè)點(diǎn)位置的沉降值.

圖3 標(biāo)釘現(xiàn)場(chǎng)布置圖

1.5 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)步驟

現(xiàn)場(chǎng)采用素土回填，分層夯實(shí).現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)共記16 d，進(jìn)行分層填土4次，每次填土高度為20～40cm，最終填土高度約為1.2m.現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)共記錄了10組土壓力和7組沉降數(shù)據(jù)，測(cè)量時(shí)間和次數(shù)的選擇是根據(jù)填土?xí)r間和次數(shù)而定的，表3是現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)步驟記錄情況，表4是測(cè)量數(shù)據(jù)記錄情況.

表4 測(cè)量數(shù)據(jù)記錄情況表

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.1 土壓力變化特點(diǎn)

樁上及樁間土土壓力數(shù)據(jù)繪制如圖4所示，其中第2、4、7和9次測(cè)量為填土后的壓力值，第5和9次測(cè)量為填土壓實(shí)后的壓力值.從圖上可知隨著填土厚度的增長(zhǎng)，樁頂和樁間土上的土壓力值也隨之逐漸增大.從圖4可以發(fā)現(xiàn)在低填土的條件下，隨著填土次數(shù)的增加，填土路堤高度的增長(zhǎng)，各測(cè)點(diǎn)處土壓力從初期分布不均勻發(fā)展到分布比較均勻，其發(fā)展變化可分為兩個(gè)階段：

第1階段，在第4次測(cè)量前，已進(jìn)行兩次填土，總高度為60cm左右，樁擴(kuò)大頭及樁間土土壓力在數(shù)值上大小基本相當(dāng).但是，樁頂中心上的土壓力值卻明顯大于其他各測(cè)試點(diǎn)處的土壓力.如在第1次填土（即第2次測(cè)量）后，樁頂中心處壓力值為0.009 675 6 MPa，而其他各測(cè)點(diǎn)的土壓力在0.005MPa左右，在第2次填土（即第4次測(cè)量）后，樁頂中心壓力值為0.016 058 8MPa，而其他各測(cè)點(diǎn)的土壓力在0.01 MPa左右.此外除了樁頂中心處土壓力值明顯大于樁擴(kuò)大頭和樁間土上土壓力外，樁擴(kuò)大頭和樁間土上土壓力值并沒(méi)有表現(xiàn)出任何規(guī)律且在數(shù)值上較為相近，說(shuō)明土壓力的分布不均勻.

第2階段，在第4次測(cè)量后，又進(jìn)行了兩次填土，達(dá)到設(shè)計(jì)填土路堤高度1.2m.此階段過(guò)程中，樁頂和樁擴(kuò)大頭上的土壓力值的增長(zhǎng)速度遠(yuǎn)大于樁間土上土壓力值的增長(zhǎng)速度，如在第4次填土（即第9次測(cè)量）后，樁頂中心處土壓力值為0.024 906 8MPa，樁擴(kuò)大頭A、B兩處土壓力值在0.02MPa左右，而樁間土A、B兩處值僅在0.012MPa左右.雖然土壓力值在各對(duì)稱測(cè)點(diǎn)上不盡相同，但各測(cè)點(diǎn)的壓力值在圖上的變化趨勢(shì)相近，這說(shuō)明在第3、4次填土過(guò)程中，隨著填土達(dá)到一定高度后，路堤中土壓力分布比較均勻.

圖4 土壓力記錄圖

除了以上特點(diǎn)外，從各測(cè)點(diǎn)土壓力數(shù)據(jù)和從圖4中，可以發(fā)現(xiàn)在第5次測(cè)量中（即壓實(shí)后），樁頂中心和樁間土上土壓力在壓實(shí)后減小了，而在第9次測(cè)量中土壓力在各測(cè)點(diǎn)數(shù)值均減小了.在土體填筑過(guò)程中，各測(cè)點(diǎn)壓力盒上壓力增大（即土壓力增大），但在壓實(shí)后卻減小了，由此可知，壓實(shí)過(guò)程使路堤填土中的應(yīng)力發(fā)生了重分布.

考慮到第10次測(cè)量為雨后測(cè)量，如圖4所示，樁間土受雨后壓力增大，而樁中心壓力減少，樁周基本無(wú)變化.這種變化的原因?yàn)榭紤]雨水作用影響，樁頂中心上部土體壓實(shí)度高，滲透性差，但膨脹性較大，從而促使土體吸水膨脹將應(yīng)力轉(zhuǎn)移到樁周圍土體.

2.2 沉降變化特點(diǎn)

本次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)記錄了7組沉降數(shù)據(jù)，如圖5所示，其中data1～data7表示第1組到第7組數(shù)據(jù).縱軸為各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值，橫軸為測(cè)點(diǎn)位置平面坐標(biāo).圖中data2和data4是在填土后的沉降值，此數(shù)據(jù)出現(xiàn)了明顯的偏差，因此這兩次測(cè)量數(shù)據(jù)不做為分析依據(jù).

圖5 沉降觀測(cè)點(diǎn)位移變化平面圖

從圖5可知，隨著填土高度的增加，樁頂及樁間土都有沉降趨勢(shì)，以兩樁連線中心對(duì)稱分布，并且樁間土沉降明顯大于樁頂沉降，如曲線data3、6、7，而對(duì)于樁頂沉降在相對(duì)較小范圍內(nèi)變化，說(shuō)明樁與樁間土產(chǎn)生了較大的沉降差.對(duì)于data5樁間土反而出現(xiàn)較大回彈，分析其原因是由于經(jīng)歷了填土、壓實(shí)等過(guò)程，土體之間產(chǎn)生擠壓現(xiàn)象，造成測(cè)點(diǎn)上部分土體被抬高使得此處沉降出現(xiàn)了類似“回彈”的現(xiàn)象.但是從整個(gè)趨勢(shì)上而言，樁土之間在填土及壓實(shí)過(guò)程中出現(xiàn)了較大的沉降差，根據(jù)土拱效應(yīng)存在的條件，可知此過(guò)程中存在土拱效應(yīng).雖然本次數(shù)據(jù)記錄了三角形一邊的沉降變化特點(diǎn)，但以此類推，可知三角形各邊具有類似特點(diǎn)，即土拱作用在三角形樁布置形式的各邊上.

2.3 土拱效應(yīng)分析

基于以上土壓力和沉降分析，將每次測(cè)量的各測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)與位置用空間形式表示為圖6，其中各測(cè)點(diǎn)未考慮豎向位移變化（即僅僅是壓力值的空間展現(xiàn)）.圖中data1－data10是指三角布置點(diǎn)一邊上土壓力的十次數(shù)據(jù)，而contrastdata1－contrastdata10是另一邊上土壓力的十次數(shù)據(jù).從其空間形式也可以看出土壓力隨填筑高度增加而逐漸增大，在空間形式上類似于一個(gè)拱形，即土拱效應(yīng)的簡(jiǎn)單形態(tài).并且，樁頂中心上的壓力在填土工程中始終是大于其他測(cè)點(diǎn)數(shù)值，分析樁頂中心應(yīng)力較大的原因?yàn)椋焊鶕?jù)土拱原理，試驗(yàn)中梅花形布置的樁頂位于6個(gè)三角單元之中，從而6個(gè)土拱將共同作用于樁頂中心，因此應(yīng)力較大.而在陳云敏［4］、曹衛(wèi)平［5］的關(guān)于樁布置形式為正方形的室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，指出樁帽腳上壓力大于樁頂中心.可見(jiàn)樁布置形式不同，土壓力在路堤中傳遞形式也有微妙的變化，進(jìn)一步而言，樁布置形式影響土拱的空間形態(tài)和應(yīng)力傳遞路徑.因此合理設(shè)計(jì)樁布置形式，將有效利用土拱效應(yīng).

在圖6中，data3、6、7所對(duì)應(yīng)的壓力數(shù)據(jù)是第5、9、10次壓力值，對(duì)比圖5和圖6中可知，在樁與樁間土沉降差比較大時(shí)，其上壓力值差也相應(yīng)比較大，說(shuō)明土拱效應(yīng)是存在的.在圖5中，第5、9、10次樁頂中心與樁間土壓力盒B的樁土壓力分別為：14.668 4 kPa和6.084 67kPa，24.906 8kPa和8.569 82kPa，23.990 4kPa和11.746 49kPa，其相應(yīng)的樁土應(yīng)力比分別為2.41，2.9和2.04，樁體應(yīng)力分擔(dān)比分別為70.7%，74.4%和67.1%.對(duì)于三角形分布的樁體形式，此段樁帽面積置換率為28%，而樁體應(yīng)力分擔(dān)比已達(dá)到70%左右.以上數(shù)據(jù)分析可知土拱效應(yīng)在樁土間是逐漸發(fā)揮的，并且在填土高度達(dá)到0.5s（s＝樁中心距）時(shí)，土拱效應(yīng)開(kāi)始顯著發(fā)揮.

圖6 土壓力數(shù)據(jù)三維視角圖

3 結(jié) 論

結(jié)合武漢市中北路延長(zhǎng)線工程低填路堤的實(shí)體工程，通過(guò)路堤填筑荷載下現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，得到如下結(jié)論：

1）在低填土的條件下，土壓力的發(fā)展變化分為兩個(gè)階段：第1階段樁擴(kuò)大頭及樁間土壓力在數(shù)值上基本相當(dāng)，但是樁頂中心上的土壓力值明顯大于其他處的土壓力.而且這一階段的土壓力分布不均勻；第2階段樁頂和樁擴(kuò)大頭上的土壓力值的增長(zhǎng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于樁間土壓力值的增長(zhǎng)速度，而且隨著填土達(dá)到一定高度后，路堤中土壓力逐漸呈現(xiàn)均勻分布，說(shuō)明壓實(shí)過(guò)程中的應(yīng)力發(fā)生了重分布.

2）在填土過(guò)程中，隨著填土高度的增加，樁頂及樁間土都有沉降趨勢(shì)，并且樁間土沉降明顯大于樁間沉降，樁與樁間土產(chǎn)生了較大的沉降差.根據(jù)土拱效應(yīng)存在的條件可知此過(guò)程中存在土拱效應(yīng).

3）土拱效應(yīng)在樁土間是逐漸發(fā)揮的，并且在填土高度達(dá)到0.5s（s＝樁中心距）時(shí)，土拱效應(yīng)開(kāi)始顯著發(fā)揮.而且樁的布置形式影響土拱的空間形態(tài)和應(yīng)力傳遞路徑，因此合理設(shè)計(jì)樁布置形式，將有利于土拱效應(yīng).

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