王瑞芳，傅旭東，潘孝誠，吳志權(quán)

(1.武漢科技大學(xué) 城建學(xué)院土木系，武漢430070；2.武漢大學(xué)a.巖土與結(jié)構(gòu)工程安全湖北省重點實驗室；b.土木建筑工程學(xué)院，武漢430072)

在軟土地基中修建高速公路、鐵路，對于地基沉降尤其是不均勻沉降控制很嚴(yán)格，樁網(wǎng)復(fù)合地基具有施工簡便、加固效果好等優(yōu)點，因而在高速公路、鐵路的軟土地基中應(yīng)用很廣泛。預(yù)應(yīng)力混凝土管樁加固軟土地基所具有的施工工期短、質(zhì)量易于控制等優(yōu)點逐漸體現(xiàn)出來[1]，人們開始使用PHC管樁處理橋頭跳車等病害或作為常規(guī)軟土地基預(yù)壓處理的補救措施，大規(guī)模地與其他類型樁組成組合樁復(fù)合地基以加固軟土地基。國內(nèi)外已有大量學(xué)者從理論分析[2－6]、現(xiàn)場試驗[7－10]、室內(nèi)模型試驗[11－13]、數(shù)值分析[14－16]方面做了大量的工作。其中，J.G.Collin等[2－6]從理論上分析了樁網(wǎng)復(fù)合地基的承載特性；牛建東[7]、徐林榮[8]只從砂樁樁網(wǎng)復(fù)合地基來分析受荷機理；連峰[9]是從帶樁帽的管樁、攪拌樁復(fù)合地基來分析樁、網(wǎng)、土的承載性狀，取得了一定的現(xiàn)場可靠試驗數(shù)據(jù)；趙明華[12]從碎石樁、石灰樁的樁網(wǎng)復(fù)合地基的室內(nèi)模型試驗分析受荷特性；張良[13]用離心試驗來分析樁帽網(wǎng)在不同樁端持力層強度的受荷性能的不同；芮瑞[16]中用FLAC3D對樁網(wǎng)復(fù)合地基與樁承式路堤的承載性能進(jìn)行了對比分析，但關(guān)于PHC管樁、樁承式及PHC管樁與砂樁(即長短樁)加固軟土路基的系統(tǒng)模型試驗還較少。

本文通過3組加固軟土路基的模型試驗，從路面和堤底的變形和樁土應(yīng)力比、格柵的應(yīng)變變化進(jìn)行了分析，來比較3組試驗的異同點及加固效果，從而為在軟土路基中選擇合適的地基處理方案提供一定的依據(jù)。

1 模型試驗設(shè)計

1.1 模擬試驗相似準(zhǔn)則及尺寸

試驗是在武漢大學(xué)力學(xué)實驗中心模型室的模型箱上進(jìn)行的，3組模型試驗均以路基中心線為對稱中心模擬半幅路基。模擬對象為以南京到杭州的高速公路為工程原型，工程試驗中采用模型率n＝30[17]。

1.1.1 模型試驗相似準(zhǔn)則 按控制復(fù)合地基承載力和沉降為原則，分析對試驗結(jié)果可能產(chǎn)生影響的物理量來采用量綱進(jìn)行分析。路基厚度H(含軟土厚度)、其它特性尺寸L、軟土壓縮模量Es、土工格柵模量Eg、管樁壓縮模量Ep、路堤荷載P、土的粘聚力c、管樁長度L、樁徑D(含外徑D1、內(nèi)徑D2)、管樁間距sa、土工格柵尺寸等。對于幾何尺寸，只選其中的一種(如管樁長度L)來做量綱分析。基于相似準(zhǔn)則π原理，得出量綱方程為：

1.1.2 模型尺寸 工程原型及試驗?zāi)Ｐ偷膸缀纬叽缛绫?所示。模型箱尺寸為1.9m×0.5m×1.3m(長×寬×高)，其中三面為厚約12cm的鋼板，一面為10cm厚的鋼化玻璃，外側(cè)面貼有坐標(biāo)網(wǎng)格供觀測位移用，按模型率30縮小原型的模型尺寸如圖1所示。為減小模型槽鋼板側(cè)壁摩擦對模型試驗結(jié)果的影響，在鋼板側(cè)壁均勻涂上一層黃油，再覆以一層塑料薄膜來減小邊界效應(yīng)。

表1 模型試驗中主要參數(shù)的取值

假設(shè)沿路基縱向土體均勻分布，路堤荷載沿縱向一致，則路基的變形問題可視為平面應(yīng)變問題。由于模型箱的鋼板剛度大，可較好地約束路基的縱向變形，從而保證模型試驗平面應(yīng)變條件的成立。根據(jù)對稱性原理，模型試驗以路基中線為對稱中心模擬半幅路基。在表1中，按對稱性原理模型取半幅寬。

圖1 模型裝置圖

1.2 模型材料及制備

1.2.1 PHC管樁及砂樁的材料模擬 工程樁采用C80的PHC管樁，Ec＝3.8×104MPa，按cEp＝30，則模型樁的模量Ep＝1.26×103MPa，用PVC管材進(jìn)行模擬，在武漢大學(xué)力學(xué)實驗中心的疲勞試驗機上做壓縮試驗，如圖2所示，測得PVC管模量為Ec＝0.545×103MPa，近似滿足要求。用直徑為25mm的鋼管在地基土中成孔，并灌注一定質(zhì)量砂來制備砂樁。其中：第1、第3組樁中心距為150mm，第2組為200mm。然后在其上鋪設(shè)厚度為20mm厚的砂墊層，模型土工格柵布置在砂墊層中間。

圖2 PVC管材的應(yīng)力－應(yīng)變曲線

1.2.2 加筋墊層 工程原型中的砂墊層中布設(shè)TGSG4040型經(jīng)編滌綸土工格柵，縱／橫伸長率為2%的拉伸強度≥14kN／m，伸長率為5%的拉伸強度≥28kN／m。模型土工格柵材料的選擇需同時滿足力學(xué)相似和幾何相似條件。本文從塑料紗窗布、醫(yī)用紗布、雙向編織網(wǎng)進(jìn)行了選擇，從幾何上，土工編織網(wǎng)與雙向格柵相似度大些，采用YJ－25型數(shù)據(jù)采集儀來采集拉伸力的大小，用刻度尺來測編織網(wǎng)的變形，分別對粗、細(xì)方向做拉伸試驗，當(dāng)伸長率為2%時，細(xì)向拉伸力為1.41kN／m，粗向拉伸力為2.23kN／m；伸長率為5%時，細(xì)向拉伸力為1.52 kN／m，粗向拉伸力為1.73kN／m，曲線如圖3所示，基本滿足cEp＝30的要求。砂墊層采用級配較好的砂，最小干容重γdmin＝15.31kN／m3，來模擬工程的砂墊層。

圖3 土工編織網(wǎng)的拉伸力－應(yīng)變曲線

1.2.3 樁帽 工程原型中的樁帽尺寸為：1 000mm×1 000mm×200mm，試驗中采用50mm×50mm×10mm的有機玻璃，來模擬工程中混凝土等級為C30的樁帽。由于制作上有偏差，實際尺寸為51.14mm×51.14mm×10.04mm。試驗中通過502膠水將有機玻璃板與樁連接，注意粘貼時要避免有機玻璃壓著樁身應(yīng)變片的引線。

1.2.4 模型地基土和路堤填土 模型地基土和制備路堤土采用中南路一基坑的粘土。將土樣風(fēng)干、粉碎，并過孔徑為3mm的篩子。風(fēng)干后土的含水率為13.9%，相對密度為2.72。通過(w－wh)計算出3層地基土的加水量，在武漢大學(xué)巖土試驗室做壓縮和固結(jié)快剪剪切試驗，得出的數(shù)據(jù)如表2所示。路堤填土采用輕型擊實試驗，測得最優(yōu)含水率為16.6%，最大干密度為ρdmax＝1.71g／cm3，如圖4所示。用刀將壓實后的路堤填土削成試驗路堤形狀和尺寸。

圖4 路堤填土擊實曲線

表2 土的物理力學(xué)指標(biāo)

2 儀器埋設(shè)及加載方式

2.1 儀器埋設(shè)

在路面中心、路肩各埋設(shè)一個百分表，來測相應(yīng)的豎直沉降；在堤底中心、堤底路肩處埋設(shè)自制的深層沉降板，如圖5(a)所示，其中A點為堤底中心，B點為堤腳。土壓力盒采用6個量程為0.5MPa的應(yīng)變式土壓力盒。其中有2個埋設(shè)在貼有應(yīng)變片的樁3、4和樁1、2的樁間土中；樁1、2、3、4分別于樁頂、樁中、樁端對稱貼有2個應(yīng)變片，如圖5(b)所示。于樁頂兩側(cè)、樁間土處的格柵貼上應(yīng)變片，共14個，如圖5(c)所示。在砂墊層鋪設(shè)貼有應(yīng)變片的土工編織網(wǎng)時，為減小所貼應(yīng)變片的引線對沉降的影響即減小加筋效應(yīng)，可將引線豎直地從路堤填土中引出，讓引線豎直地與應(yīng)變片相連但又能保證土工編制網(wǎng)的應(yīng)變片水平埋置，來減小引線對沉降的影響。

圖5 量測儀器布置圖

2.2 加載方式

工程中路堤填土厚度為6m，按1∶30的相似比，在模型箱中采用200mm的填土，采用變加速度方法分4層來模擬路堤的4級堆載，每次在模型箱里的填筑高度為50mm。地基土和路堤填土在固結(jié)時的物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。取幾何相似常數(shù)為cl＝30，根據(jù)相似要求，從理論上模型土體的容重應(yīng)為原型的30倍，這是很難實現(xiàn)的。因而在路堤頂面上設(shè)置載荷板，其上放置經(jīng)標(biāo)定后的千斤頂加荷的方式來解決這個問題，如圖1所示。每級加荷，每隔5～15min各觀測一次沉降、應(yīng)變片和土壓力讀數(shù)，以后每隔20min各測讀一次，累計2h。沉降量小于0.1mm／h被認(rèn)作穩(wěn)定。沉降相對穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為≤0.1mm／h。通過有限元計算，對于第1、第3組試驗，在路面上施加均布荷載Pu＝84.2kPa，第2組試驗Pu＝115.8kPa，路堤填土完畢視為P＝0的情形。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 變形分析

從圖6、圖7可以看出，隨著荷載的增大，路面中心的沉降也趨于增大，而且沉降的增長速率也在增大。在路面荷載相同時，每組試驗的路面路肩沉降明顯比相應(yīng)的路面中心沉降小，其沉降趨勢與路面中心沉降相仿。當(dāng)加載到P＝84.2kPa時，第3組試驗的差異沉降(為13.2mm)比第1組大(為12.37mm)，如圖8所示。說明樁體剛度越大，樁體能承擔(dān)的荷載也越大，差異沉降越小。對于樁承式路基，樁的中心距為200mm，但由于有樁帽的作用，其承擔(dān)荷載的比例比第1組試驗的樁體還要大，土體承擔(dān)的荷載減小，附加應(yīng)力的影響減小，因而在相同荷載的情況下，可有效地減小沉降量。當(dāng)路面施加荷載為84.2kPa時，差異沉降為10.77mm；加載到116kPa時，差異沉降為15.5mm。這說明樁承式路基在減小差異沉降的同時，還可以適當(dāng)增大樁的中心距，可以減少樁數(shù)。

圖6 路面中心的荷載－沉降曲線

圖7 路面路肩的荷載－沉降曲線

圖8 荷載－路面中心與路肩變形的差異沉降曲線

A、B點位置見圖5(a)圖所示。從圖9可以看出，3組試驗的堤底中心的沉降比相應(yīng)的路面中心沉降大，但沉降趨勢與路面中心的沉降不完全相同。在圖10中，當(dāng)對路面施加荷載等級相同時，對于堤底路肩的沉降，有：第2組沉降＞第3組沉降＞第1組沉降。

圖9 堤底中心A點的荷載－沉降曲線

圖10 堤腳B點的荷載－沉降曲線

隨著荷載的增大，堤底中心及堤底路肩的沉降也隨著增大。當(dāng)在路面施加相同的荷載時，第3組試驗的沉降最大。在加載初期(P＝0～15.8kPa)，第2組試驗的堤底中心沉降比第一組略大；從P＝21～52.6kPa，第2組試驗的堤底中心沉降比第1組略小，當(dāng)P＞52.6kPa后，第2組試驗的堤底中心沉降又比第1組略大，這可能與試驗的加荷速率不完全相同有關(guān)。當(dāng)加荷速度越快，相應(yīng)的沉降也越大。

3.2 樁土應(yīng)力比

樁土應(yīng)力比為樁頂?shù)钠骄鶓?yīng)力與樁間土應(yīng)力的比值，樁頂應(yīng)力取對稱粘貼于樁頂側(cè)壁的應(yīng)變片所換算的平均應(yīng)力。對于第2組試驗，路堤中心處、堤腳處的樁土應(yīng)力比比第1組、第3組大得多。樁抗壓剛度大于樁間土抗壓剛度，因此樁間土上路堤沉降大于樁帽上路堤沉降，兩者之間存在相對位移，在路堤沉降變形過程中，樁間土上路堤通過與樁帽上路堤之間相互作用的剪應(yīng)力將部分自重傳遞給樁帽上路堤，使得樁間土承擔(dān)的荷載減小，而樁承擔(dān)的荷載增加，路堤中出現(xiàn)了土拱效應(yīng)。在第2組試驗中，由于樁帽的加設(shè)，使樁體強度在通長范圍內(nèi)發(fā)揮更明顯[17]，轉(zhuǎn)移到樁體的荷載更多，因而樁土應(yīng)力比更大。對于第1組試驗中，當(dāng)荷載較小時，路堤中心處、堤腳處的樁土應(yīng)力比和第3組試驗接近；當(dāng)荷載較大(P＞36.8kPa)時，路堤中心處的樁土應(yīng)力比比第3組稍大，但堤腳處樁土應(yīng)力比比第3組稍小，如圖11、圖12所示。

圖11 路堤中心處的樁土應(yīng)力比

圖12 堤腳處的樁土應(yīng)力比

在3組試驗中，在荷載等級相同時，路堤中心處的樁土應(yīng)力比均比堤腳大。當(dāng)加載等級較大(P＞63.2kPa)時，樁土應(yīng)力比曲線出現(xiàn)平臺，說明樁土位移差較大，即填土中出現(xiàn)了土拱效應(yīng)，同時也說明了樁間土的固結(jié)具有時效性。

3.3 土工編織網(wǎng)(格柵)的應(yīng)變分布

在圖13和圖14可以看出，3組試驗的格柵應(yīng)變變化較紊亂，規(guī)律性較差。第1組、第3組靠近堤腳處的格柵應(yīng)變?yōu)樨?fù)值；隨著與路堤中心的靠近，格柵的應(yīng)變轉(zhuǎn)化為正值。3組試驗中，越接近路堤中心，格柵的應(yīng)變越大。在樁頂邊緣和樁間土處，樁頂處的格柵應(yīng)變出現(xiàn)階段性的峰值，樁間土處的格柵應(yīng)變數(shù)值出現(xiàn)階段性的波谷。對于第2組試驗，由于樁頂上有樁帽，傳到相應(yīng)上面的格柵應(yīng)變片的數(shù)值比相同位置的格柵應(yīng)變片數(shù)值大很多，即承擔(dān)的拉力大得多。

圖13 P＝0時的加筋應(yīng)變

圖14 P＝84.2kPa時的加筋應(yīng)變

樁頂和樁間土處的格柵應(yīng)變規(guī)律說明，在路堤施工和路面加荷時，格柵與樁相互作用是一個反復(fù)調(diào)整的過程。從路堤填土完成到千斤頂加荷維持在一定水平后，通過土工編制網(wǎng)及砂墊層的應(yīng)力調(diào)整，使樁與樁間土分擔(dān)的應(yīng)力趨于穩(wěn)定，此時編織網(wǎng)承受的應(yīng)力也趨于某一穩(wěn)定值[8]，如圖13和圖14所示。

4 數(shù)值模擬分析

式中：Esp為樁墻的彈性模量；Ep為樁體彈性模量；Es為土體彈性模量；l為樁間距；D為樁徑。

4.1 有限元模型

因路基橫斷面沿路基中心為對稱，有限元模型采用半幅路基建立，以模型試驗的材料參數(shù)、幾何尺寸進(jìn)行數(shù)值分析。水平邊界加與之垂直的位移約束，底部加上水平、豎直位移約束。由于樁、樁帽、土的剛度不同，在樁帽、樁側(cè)與土的接觸面設(shè)定滑動接觸單元，樁帽頂、樁底分別與地基土tie接觸。在數(shù)值分析時，樁體和樁帽采用線彈性模型，地基土、路堤填土、砂墊層本構(gòu)模型為彈塑形模型，屈服準(zhǔn)則采用Mohr－Coulomb準(zhǔn)則，3組模型試驗的計算簡圖分別如圖15、16、17所示。

為驗證模型試驗的準(zhǔn)確性，采用ABAQUS大型有限元軟件進(jìn)行數(shù)值分析，由于路基的長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于路基寬度，因而采用2D平面應(yīng)變。在計算中，將樁簡化為樁墻，將空間問題轉(zhuǎn)化為平面問題來計算，采用對樁身模量進(jìn)行折減的方法模擬樁。

圖15 PVC樁復(fù)合地基計算模型

圖16 帶帽PVC樁復(fù)合地基計算模型

圖17 PVC樁及砂樁復(fù)合地基計算模型

4.2 計算結(jié)果分析

以3組試驗的路面中心的荷載－沉降關(guān)系為例進(jìn)行分析，將數(shù)值計算結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，如圖18所示。可以看出，每組試驗在相同荷載下的沉降與計算結(jié)果相隔較近，說明試驗結(jié)果可信度較高，試驗數(shù)據(jù)對于工程設(shè)計有一定的指導(dǎo)意義。

圖18 試驗與計算結(jié)果的對比

5 結(jié) 論

由于試驗條件的局限性，樁網(wǎng)復(fù)合地基做到了幾何相似，但模型材料選擇很難做到完全的相似，模型邊界條件與路基的實際邊界有一定的出入，實質(zhì)是縮尺試驗。本文室內(nèi)試驗雖不能完全模擬現(xiàn)場樁網(wǎng)復(fù)合地基的工作性狀，但從定性上分析其規(guī)律是可行的。通過3組加固軟土路基的試驗，得出如下結(jié)論：

1)隨著荷載的增大，3組試驗的路面中心、路肩的沉降、二者的差異沉降也趨于增大。其中，第3組沉降最大，第2組沉降最小。這說明樁承式路基在減小差異沉降的同時，還可以適當(dāng)增大樁的中心距，可以減少樁數(shù)。

2)在3組試驗中，在荷載等級相同時，路堤中心處的樁土應(yīng)力比均比堤腳大。對于第2組試驗，路堤中心處、堤腳處的樁土應(yīng)力比比第1組、第3組大得多，這是由于樁帽的作用，使樁體承擔(dān)的荷載更多，因而樁土應(yīng)力比更大。對于第1組試驗中的樁土應(yīng)力比和第3組接近。

3)3組試驗中，越接近路堤中心，格柵的應(yīng)變越大對于第2組試驗，由于樁頂上有樁帽，相應(yīng)上面的格柵應(yīng)變片的數(shù)值比相同位置的格柵應(yīng)變片數(shù)值大很多。在樁頂邊緣和樁間土處，樁頂處的格柵應(yīng)變出現(xiàn)階段性的峰值，樁間土處的格柵應(yīng)變數(shù)值出現(xiàn)階段性的波谷。

由樁土應(yīng)力比曲線和沉降曲線可知，第2組試驗的路面、路肩沉降及二者差異沉降最小，路堤中心、堤腳處的樁土應(yīng)力比也最大，相應(yīng)測點的格柵應(yīng)變也大得多，說明在工程條件相近時，樁承式路基加固軟土效果更好。

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