高速鐵路樁(帽)網(wǎng)和樁筏復(fù)合地基模型試驗(yàn)研究

李善珍，馬學(xué)寧，時(shí)瑞國

(1.蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.邢臺(tái)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程系，河北 邢臺(tái) 054053)

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高速鐵路樁(帽)網(wǎng)和樁筏復(fù)合地基模型試驗(yàn)研究

李善珍1，馬學(xué)寧1，時(shí)瑞國2

(1.蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.邢臺(tái)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程系，河北 邢臺(tái) 054053)

摘要:結(jié)合室內(nèi)模型試驗(yàn)，對(duì)樁(帽)樁網(wǎng)復(fù)合地基和樁筏復(fù)合地基在路堤荷載作用下的沉降、荷載傳遞規(guī)律進(jìn)行分析，得到3種復(fù)合地基的試驗(yàn)結(jié)果雖然在數(shù)值上存在一定的差距，但均表現(xiàn)出相似的規(guī)律。3種復(fù)合地基對(duì)沉降均有一定的減小作用，且沉降隨荷載的增加均近似呈指數(shù)增加的趨勢(shì)，其中，樁筏復(fù)合地基沉降最??；樁身應(yīng)力隨深度呈先增加后減小的趨勢(shì)，最大值出現(xiàn)在樁頂附近的某一深度處；隨荷載增加，樁土應(yīng)力比整體呈線性增加的趨勢(shì)。在同一荷載水平(如100 kPa)下，樁筏復(fù)合地基沉降最小(5.1 mm)、樁頂應(yīng)力最大(142 kPa)和樁土應(yīng)力比最大(7.12)時(shí)，加固效果更顯著。所得結(jié)論在一定程度上可為復(fù)合地基類型的選擇及工程研究提供參考。

關(guān)鍵詞：高速鐵路；復(fù)合地基；承載特性；變形特性；模型試驗(yàn)

復(fù)合地基以其承載力高、沉降變形小、節(jié)約成本等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于對(duì)工后沉降要求嚴(yán)格的高速鐵路路基中。樁網(wǎng)復(fù)合地基是指天然地基加固區(qū)上部被水平“網(wǎng)”加固，下部被豎向“樁”加強(qiáng)的加筋土復(fù)合地基，能使“網(wǎng)”—“樁”—“土”三者協(xié)調(diào)作用、共同承擔(dān)荷載[1-2]；樁帽網(wǎng)復(fù)合地基是指在軟弱地基處理中采用了帶帽的樁體+土工格柵墊層的路基填筑技術(shù)[3]，樁帽增加了樁頂與上部土體的接觸面積，起到均化荷載、減小沉降的作用；樁筏復(fù)合地基是由樁、土、碎石墊層、鋼筋混凝土板組成，能協(xié)調(diào)樁體-墊層-鋼筋混凝土板-地基土的工作特性，共同承擔(dān)上部荷載，降低不均勻沉降。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)樁(帽)網(wǎng)、樁筏復(fù)合地基的研究也隨著其應(yīng)用而展開。Gard等[3]對(duì)鋪設(shè)了土工織物的樁帽混凝土樁復(fù)合地基進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究；趙春雨等[4-7]通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及數(shù)值模擬等方法對(duì)樁筏復(fù)合地基變形特性及影響因素進(jìn)行了研究；李曙光[8]探討了樁帽網(wǎng)復(fù)合地基的沉降變化規(guī)律及影響因素；孫新彪[9]研究了樁網(wǎng)復(fù)合地基沉降、受力特性及影響因素。高速鐵路路堤荷載下，對(duì)CFG樁復(fù)合地基處理技術(shù)的研究還未成熟，沒有形成系統(tǒng)的理論。工程設(shè)計(jì)時(shí)，常依靠經(jīng)驗(yàn)或借鑒剛性基礎(chǔ)下復(fù)合地基理論。為進(jìn)一步明確復(fù)合地基的承載特性，本文對(duì)高速鐵路路堤荷載作用下CFG樁(帽)網(wǎng)、樁筏復(fù)合地基進(jìn)行研究。

1室內(nèi)模型試驗(yàn)

室內(nèi)模型試驗(yàn)以蘭州某具體工程為背景。為了更加真實(shí)地分析比較路堤荷載作用下樁(帽)網(wǎng)和樁筏結(jié)構(gòu)復(fù)合地基的加固效果、受力特性和變形特性，在整個(gè)模型槽中均勻布設(shè)模型樁。試驗(yàn)中，僅考慮路堤荷載，忽略邊坡部分荷載。在預(yù)定位置布設(shè)土壓力盒、應(yīng)變計(jì)，通過分級(jí)加載，監(jiān)測(cè)分析，得到不同加固方式的變化規(guī)律，為工程提供必要的理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。

1.1模型相似分析

通過室內(nèi)模型試驗(yàn)，研究CFG樁(帽)網(wǎng)復(fù)合地基和樁筏復(fù)合地基的加固效果、沉降變形特性和荷載傳遞機(jī)理。為了使模型試驗(yàn)?zāi)軌蚋鼫?zhǔn)確地揭示和反映原型的受力性狀，試驗(yàn)必須合理選定模型的相似比。

表1　各物理量的相似系數(shù)

靜荷載作用下，CFG樁(帽)網(wǎng)和樁筏結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形特性與結(jié)構(gòu)尺寸、所施加的荷載、材料彈性模量、泊松比有關(guān)。應(yīng)力和位移的表達(dá)式為：

σ=f(F,q,γ,l,E,μ,p)

S=f(F,q,γ,l,E,μ,p)式中：F為集中荷載；q為線荷載；γ為材料容重；l為結(jié)構(gòu)尺寸；E為彈性模量；μ為泊松比；p為配筋率。

通過量綱分析，有

結(jié)合實(shí)驗(yàn)室條件確定模型中各物理量的相似系數(shù)如表1所示。

1.2試驗(yàn)方案

根據(jù)本文研究?jī)?nèi)容，確定如下4種試驗(yàn)方案：天然地基模型試驗(yàn)；樁網(wǎng)復(fù)合地基模型試驗(yàn)；樁帽網(wǎng)復(fù)合地基模型試驗(yàn)；樁筏復(fù)合地基模型試驗(yàn)。具體布置及尺寸如圖1所示。

(a)樁(帽)網(wǎng)復(fù)合地基;(b)樁筏復(fù)合地基圖1　模型試驗(yàn)樁布置圖Fig.1 Pile arrangement on model test

1.3試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒酆湍Ｐ蜆?/p>

填土用的模型槽是依據(jù)相似比，用4塊鋼板拼接而成的(見圖2)，以保證其具有足夠的抗變形能力，尺寸為：長(zhǎng)120 cm×寬60 cm×高120 cm。在模型槽側(cè)壁涂抹凡士林并鋪設(shè)塑料布，以減小摩擦。

圖2　模型箱整體布置圖Fig.2 Overall layout of model box

根據(jù)模型槽尺寸和相似比，選取模型樁樁長(zhǎng)100 cm，樁徑4 cm；樁帽為正方形，邊長(zhǎng)8 cm，厚3 cm；樁筏結(jié)構(gòu)的混凝土板長(zhǎng)44 cm×寬60 cm×厚3 cm。為保證樁帽和樁身連接牢固，采用C20混凝土對(duì)二者進(jìn)行整體澆筑。3種復(fù)合地基樁間距均取17 cm，按梅花型布樁。

1.4填土性質(zhì)及填筑過程

試驗(yàn)所用黃土取自實(shí)際工程施工現(xiàn)場(chǎng)，通過試驗(yàn)測(cè)得其物理力學(xué)指標(biāo)如表2所示。為了更清楚地觀測(cè)、比較復(fù)合地基的加固效果，控制填土的壓實(shí)度為75%，并嚴(yán)格控制填土的密度和含水率。

表2　黃土物理力學(xué)指標(biāo)

試驗(yàn)采用分層填筑壓實(shí)的方法進(jìn)行填土。為保證樁身與樁周土體有足夠的摩擦，先在模型箱內(nèi)填土40 cm，再將直徑為4 cm的鋼管壓入土中30 cm成孔，將預(yù)制好的樁放入孔中，再用細(xì)鋼筋將樁體周圍的土體搗實(shí)，保證樁和土體接觸良好。

樁周土填筑完畢后，在樁頂復(fù)合地基上鋪設(shè)3 cm的砂墊層，在砂墊層中部鋪設(shè)一層土工格柵，然后再填筑10 cm的土用來模擬路堤填土，并充分壓實(shí)。1.5測(cè)點(diǎn)布置

為了測(cè)試路堤荷載下的應(yīng)力應(yīng)變值，復(fù)合地基做好后在樁(帽)頂和樁間土上部布設(shè)土壓力盒；在加載板下中間一排3根樁上埋設(shè)了應(yīng)變片；沿樁體每隔20 cm貼一個(gè)應(yīng)變片。將土壓力盒和應(yīng)變片的引線分別做好標(biāo)記，并將應(yīng)變片用膠封裹，做好防潮處理。土壓力盒與應(yīng)變計(jì)布置如圖1所示。

1.6加載方法

試驗(yàn)采用千斤頂進(jìn)行人工加載。在加載過程中，由安放在加載板4個(gè)角上的百分表測(cè)量沉降板的變形。每級(jí)荷載作用下的最終變形值取4個(gè)百分表讀數(shù)的平均值。為保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，采用逐級(jí)加載的方法，每級(jí)壓力為10 kPa，最大壓力為100 kPa。每隔30 min讀記承壓板沉降量，每次加載前后均應(yīng)讀記。當(dāng)1 h內(nèi)沉降量小于0.1 mm時(shí)，進(jìn)行下一級(jí)加載。試驗(yàn)加載裝置如圖3所示。

圖3　加載裝置圖Fig.3 Figure of loading device

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1荷載—沉降變化規(guī)律

圖4為模型試驗(yàn)得到的天然地基和加固后地基的荷載-沉降曲線。文中ZW，ZMW和ZF分別表示樁網(wǎng)、樁帽網(wǎng)和樁筏復(fù)合地基。

從圖中可以看出，當(dāng)荷載處在較低水平時(shí)(荷載小于40 kPa)，天然地基和加固后地基的荷載沉降曲線基本都呈線性增長(zhǎng)，且沉降數(shù)值相差不大，這表明地基土都處于彈性工作狀態(tài)；隨著荷載的增加，天然地基的沉降增加很快，而加固后的復(fù)合地基沉降比較均勻，且數(shù)值較??；當(dāng)荷載增加到80 kPa時(shí)，天然地基變形持續(xù)發(fā)展，表明地基達(dá)到了極限承載力，而加固后的復(fù)合地基還可以繼續(xù)承載。當(dāng)荷載達(dá)到100 kPa時(shí)，樁網(wǎng)復(fù)合地基最大沉降為8.9 mm，樁帽網(wǎng)復(fù)合地基最大沉降為7.2 mm，樁筏復(fù)合地基的最大沉降為5.1 mm。根據(jù)模型試驗(yàn)的相似常數(shù)CS=1/10，得到100 kPa時(shí)，樁網(wǎng)、樁帽網(wǎng)和樁筏復(fù)合地基的實(shí)際沉降分別為89，72和51 mm。

由此可見，在同一荷載水平下，樁筏復(fù)合地基的沉降最小，承載力最高，樁帽網(wǎng)復(fù)合地基次之，樁網(wǎng)復(fù)合地基最小。也就是說，加設(shè)樁帽或混凝土板都可以明顯減小地基沉降。

圖4　地基的荷載—沉降曲線Fig.4 Load-settlement curves of foundations

2.2樁身應(yīng)力隨深度的變化規(guī)律

由模型樁身表面粘貼的應(yīng)變片，可測(cè)得不同荷載水平下混凝土的應(yīng)變，經(jīng)過換算得到不同深度的樁身應(yīng)力值。圖5～7為3種不同地基加固形式下樁身應(yīng)力隨深度的變化曲線。對(duì)比圖形可以得出以下結(jié)論：

3種復(fù)合地基的荷載-沉降曲線形狀相同，都是在不同荷載水平下，樁身應(yīng)力沿深度先增加后逐漸衰減，最大應(yīng)力出現(xiàn)在樁(帽)頂下10～20 cm處。這是因?yàn)闃丁⑼脸两挡町?，使得樁?cè)產(chǎn)生向下的摩阻力。

圖5　樁網(wǎng)復(fù)合地基樁身應(yīng)力隨深度的變化曲線Fig.5 Curves of pile body stress of pile-net composite foundation with depth

圖6　樁帽網(wǎng)復(fù)合地基樁身應(yīng)力隨深度的變化曲線Fig.6 Curves of pile body stress of pile-cap-net composite foundation with depth

圖7　樁筏復(fù)合地基樁身應(yīng)力隨深度的變化曲線Fig.7 Curves of pile body stress of pile raft composite foundation with depth

2.3樁土應(yīng)力比與樁土荷載分擔(dān)比的變化規(guī)律

在荷載作用下，復(fù)合地基中樁體和樁間土受力不同。若用σp表示樁(帽)頂應(yīng)力，σs表示樁間土應(yīng)力，則樁土應(yīng)力比n=σp/σs。若用Pp表示樁(帽)承擔(dān)的荷載，用Ps表示樁間土承擔(dān)的荷載，P為總荷載，m為面積置換率，δP為樁體的荷載分擔(dān)比，δs為樁間土的荷載分擔(dān)比，則有δP=Pp/P=mn/[1+m(n-1)]，δs=Ps/P=(1-m)/ [1+m(n-1)]。本文由土壓力盒測(cè)試得到樁土應(yīng)力值，再通過計(jì)算得到樁(帽)土荷載分擔(dān)比。

圖8～9為3種加固方式下樁土應(yīng)力比與樁土荷載分擔(dān)比隨荷載的變化關(guān)系。從圖中可以看出，3種復(fù)合地基樁土應(yīng)力比、樁體的荷載分擔(dān)比均隨荷載的增加而增加，而樁間土的荷載分擔(dān)比則減小。這表明外荷載越大，樁體分擔(dān)的荷載越大、樁間土分擔(dān)的荷載越小。3種復(fù)合地基中，樁筏復(fù)合地基樁土應(yīng)力比最大、樁體的荷載分擔(dān)比也最大，而樁間土的荷載分擔(dān)比最小。這也表明樁筏復(fù)合地基更能發(fā)揮樁體的承載作用。

當(dāng)荷載從10 kPa增加到100 kPa時(shí)，樁網(wǎng)、樁帽網(wǎng)和樁筏復(fù)合地基樁土應(yīng)力比變化范圍分別從2.45，3.41和6.30增加到為3.09，5.08和7.12；相應(yīng)的樁體荷載分擔(dān)比分別從0.14，0.54和0.59增加到0.18，0.64和0.69；而樁間土的荷載分擔(dān)比分別從0.86，0.81和0.70減小到0.82，0.74和0.67。

圖8　荷載與樁土應(yīng)力比的變化關(guān)系曲線Fig.8 Curves of pile soil stress ratio with load

圖9　荷載與樁土荷載分擔(dān)比的關(guān)系曲線Fig.9 Curves of load pile and soil load sharing ratio with load

3結(jié)論

1)3種地基加固形式，在荷載作用下樁身應(yīng)力總體上表現(xiàn)出隨深度衰減的特性，但衰減速度不同。其中，樁筏復(fù)合地基中樁分擔(dān)的荷載最大，樁網(wǎng)復(fù)合地基最小，這也是樁筏復(fù)合地基在荷載作用下，沉降較小的原因。

2)3種加固方式下樁土應(yīng)力比均隨荷載的增加近似呈線性增加。其中，樁筏復(fù)合地基樁體分擔(dān)的荷載最多，樁帽網(wǎng)復(fù)合地基次之。

3)通過載荷試驗(yàn)可知，3種加固方式對(duì)天然地基均有一定的加固效果。當(dāng)荷載達(dá)到100 kPa時(shí)，樁網(wǎng)、樁帽網(wǎng)和樁筏復(fù)合地基的最大沉降分別為8.9，7.2和5.1 mm，有相似常數(shù)CS=1/10得到相應(yīng)的實(shí)際沉降分別為89，72和51 mm。

4)通過以上計(jì)算對(duì)比分析可知：在路堤荷載作用下，樁筏復(fù)合在減小路基沉降、荷載分擔(dān)方面明顯優(yōu)于樁(帽)網(wǎng)復(fù)合地基。

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Experimental study on CFG pile-(cap-)-net and pile-raft composite foundations of high speed railway

LI Shanzhen1, MA Xuening1, SHI Ruiguo2

(1.College of Civil Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China;2.Department of Architectural Engineering, Xingtai Polytechnic College, Xintai 054053, China)

Abstract:Based on the model test, the settlement and load transfer rule of pile-net, pile-cap and pile-raft composite foundations were analyzed. Although serveral differences are found among these composite foundations, the overall regularity is similar. All these composite foundations have a certain effect on settlement reducing, and the settlement has an exponential increase as the load increases. Among them, the settlement of pile-raft composite foundation is the minimum one. With the increase of depth, pile body stress increases firstly and then decreases. The maximum value appeared in a certain depth under the top of pile. As the load increases, the stress ratio of pile-soil increases linearly. Under the same load level (such as 100 kPa), the settlement and pile top stress of pile-raft composite foundation are minimum (5.1 mm, 142 kPa) while stress ratio of pile-soil is the maximum(7.12). So the reinforcement effect of pile-raft composite foundation is more significant. To a certain extent, the conclusions obtained by this paper can provide reference for the study of the composite foundation theory and engineering research.

Key words：high speed railway; composite foundation; bearing characteristic; settlement; model test

中圖分類號(hào)：U292.91+7

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-7029(2016)04-0600-06

通訊作者：馬學(xué)寧(1974-)，男，寧夏中衛(wèi)人，教授，從事巖土、道鐵等方面的教學(xué)與研究; E-mail: 65809626@qq.com

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41562014)；長(zhǎng)江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(IRT1139)

收稿日期：2015-09-13