肖佳興，劉 杰，何 杰，陳小巍

（湖南工業(yè)大學 土木工程學院，湖南 株洲 412007）

0 引言

我國廣泛分布著深厚的軟粘土層，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，在軟土地區(qū)修建高速鐵路、高速公路是不可避免的。在軟粘土地區(qū)施工時常要進行地基處理，夯實水泥土樁復合地基是軟粘地區(qū)進行地基處理的一種常用方法。對于高速公路、高速鐵路等工程來說，其荷載不僅包括靜荷載，還包括動荷載。目前，國內(nèi)外相關(guān)學者對循環(huán)荷載作用下軟粘土的特性做了較多試驗研究：胡亞元[1-2]通過一維等效時間線模型和一維條件下軟土“最終”沉降與應力路徑無關(guān)的性質(zhì)，獲得正弦循環(huán)荷載作用下路堤運行期間長期總沉降和工后沉降近似計算公式。黃茂松等人[3]在考慮影響飽和軟黏土循環(huán)荷載下軸向循環(huán)塑性累積應變的應力歷史、動偏應力水平及第一次軸向循環(huán)塑性累積應變與圍壓歸一化基礎(chǔ)上，提出了計算飽和軟黏土軸向循環(huán)塑性累積應變顯式模型。Parr等人[4]提出了基于臨界狀態(tài)及動偏應力水平的飽和軟黏土循環(huán)加載下軸向循環(huán)塑性累積應變，將Ponter提出的“均勻化”理論[5]應用于公路、鐵路路基在交通荷載作用下的沉降計算?！熬鶆蚧崩碚撃Ｐ瓦m用于重復荷載的周期與材料的特征時間（包括流變和固結(jié)等）相比很小的情況。C. L. Monismith[6]、周建[7]、蔣軍[8]等人曾對軟粘土進行過一系列循環(huán)試驗，并提出了一系列經(jīng)驗模型。白順果等人[9-10]通過循環(huán)荷載作用下水泥土樁復合地基的室內(nèi)模型試驗，探討了影響地基沉降的因素。但循環(huán)荷載作用下側(cè)向約束復合地基的性狀研究成果甚少。因此本文擬通過室內(nèi)大比例模型試驗，模擬循環(huán)荷載作用下墊層、加固區(qū)和下臥層相互作用，研究循環(huán)荷載作用下在有無側(cè)向約束條件下夯實水泥土樁復合地基沉降的傳遞規(guī)律，同時，基于室內(nèi)大比例模型對比試驗結(jié)果，分析側(cè)向約束對夯實水泥土樁復合地基變形性狀的影響。

1 模型試驗

1.1 模型試驗概況

模型試驗在 2000mm×2000mm×1500mm（長×寬×高）的模型箱內(nèi)進行。模型箱內(nèi)分層填筑軟粘土，每層填筑厚度為200mm，并用平板振動器來回振動壓實2次，以確保分層壓實的均勻性。模型箱內(nèi)填土結(jié)束靜置1周后進行夯實水泥土樁的制作，樁體材料為粘土與水泥混合料，粘土中水的含量為35 %，水泥采用#325 普通硅酸鹽水泥，水泥摻入比為 10%。夯實水泥土樁的制作采用帶芯桿的PVC管成孔，芯桿由圓木制成，直徑略小于PVC管內(nèi)徑，長度與PVC等長，PVC管外徑與夯實水泥土樁直徑相同。夯實水泥土樁的制作是根據(jù)夯實水泥土樁的樁長，將帶芯桿的PVC管壓入土中，取出芯桿，并將PVC管上拔100 mm，然后在孔內(nèi)夯填水泥與粘土混合料，夯填質(zhì)量按壓實度為85%，采用填料體積用量控制，當?shù)谝欢蔚膲簩嵸|(zhì)量滿足要求后，再將PVC管上拔100 mm，采用同樣的方法在孔內(nèi)夯填水泥與粘土混合料，重復上述操作直至一根夯實水泥土樁的制作完成。夯實水泥土樁復合地基模型豎向從上到下依次為 50 mm厚砂墊層、900 mm 厚的加固層和 600 mm 厚的下臥層。復合地基中夯實水泥土樁的樁徑為 75 mm，樁長為 0.9 m，樁間距為 225 mm，正方形布置。有側(cè)向約束復合地基中的約束樁采用圓木制成，樁徑為200 mm，與夯實水泥土樁的中心距為200 mm，有無側(cè)向約束復合地基中樁的平面布置及樁數(shù)如圖1所示。

圖1 加載區(qū)域圖Fig.1 Load area

在復合地基模型制作完成，靜置28天后進行土工參數(shù)的測試（測試結(jié)果見表1）、復合地基靜載試驗及循環(huán)荷載試驗。

表 1 土的物理力學指標Table1 Physical and mechanical properties of soil

循環(huán)荷載試驗采用剛性承載板加載，剛性承載板為邊長500 mm，厚 20 mm正方形鋼板，有無側(cè)向約束復合地基模型試驗加載區(qū)域和加載裝置示意如圖1～2所示。

圖2 試驗模型剖面圖Fig.2 The test model section

為了模擬交通荷載的特性，采用連續(xù)的正弦加載曲線作為動力加載曲線，加載設(shè)備為西安力創(chuàng)多點協(xié)調(diào)加載試驗系統(tǒng)自動控制加載的波形、頻率和次數(shù)。

1.2 循環(huán)荷載的施加

本模型試驗考慮豎向加載，采用連續(xù)的正弦加載曲線作為動力加載曲線。具體試驗加載區(qū)域見圖1，試驗模型斷面見圖2，沉降采用百分表測量。本實驗采用加載頻率為2 Hz，循環(huán)荷載比（Rc=Pmax/Pu，Pmax為循環(huán)荷載的峰值，Pu為復合地基極限承載力，本文中Pu的值是通過靜載荷確定的）為 0.30，0.35，0.40，0.45，0.50，0.55，0.60；加載次數(shù)均為5 000次。

2 實驗結(jié)果與分析

圖3為加載頻率是2 Hz情況下，有無側(cè)向約束的復合地基在循環(huán)荷載施加5 000次后，載荷板沉降與循環(huán)荷載比關(guān)系的實測曲線。

圖3 載荷板沉降和循環(huán)荷載比關(guān)系Fig.3 Relation of load plate settlement and cyclic load ratio

從圖3中可以看出：在循環(huán)荷載作用次數(shù)及加載頻率相同的條件下，載荷板的沉降均隨循環(huán)荷載比的增加而增大；有側(cè)向約束的復合地基的沉降明顯小于無側(cè)向約束的復合地基的沉降，且隨著循環(huán)荷載比的增加，兩者的差值越來越大。

圖4為加載頻率是2 Hz情況下，有無側(cè)向約束的復合地基在循環(huán)荷載施加5 000次后，樁間土沉降與循環(huán)荷載比關(guān)系的實測曲線。

圖4 樁間土沉降和循環(huán)荷載比關(guān)系Fig.4 Relation of soil settlement and cyclic load ratio

從圖4中可以看出：在循環(huán)荷載作用次數(shù)及加載頻率相同的條件下，樁間土的沉降值隨循環(huán)荷載比的增加而增大。當循環(huán)荷載比小于0.45時，有無側(cè)向約束的復合地基樁間土的沉降差不顯著，當循環(huán)荷載比大于0.45時，有側(cè)向約束的復合地基樁間土的沉降明顯小于無側(cè)向約束的復合地基樁間土的沉降，且隨著循環(huán)荷載比的增加，兩者的差值越來越大，且有側(cè)向約束的復合地基沉降隨循環(huán)荷載比增加的趨勢明顯比無側(cè)向約束復合地基沉降增加趨勢要平緩。

圖5為加載頻率是2 Hz情況下，有無側(cè)向約束的復合地基在循環(huán)荷載施加5 000次后，樁沉降與循環(huán)荷載比關(guān)系的實測曲線。

圖5 樁沉降和循環(huán)荷載比關(guān)系Fig.5 Relation of pile settlement and cyclic load ratio

從圖5中可以看出：樁的沉降均隨循環(huán)荷載比的增加而增加。當循環(huán)荷載比小于0.40時有無側(cè)向約束的復合地基中樁的沉降差值不明顯；當循環(huán)荷載比大于0.40時，有側(cè)向約束的復合地基中，樁的沉降明顯小于無側(cè)向約束的復合地基中樁的沉降，并隨著循環(huán)荷載比的增加，兩者的差值越來越大，且有側(cè)向約束的復合地基樁的沉降隨循環(huán)荷載比增加的趨勢，明顯比無側(cè)向約束復合地基樁的沉降增加趨勢要平緩。

3 結(jié)論

1）在循環(huán)荷載作用次數(shù)及加載頻率相同的條件下，有側(cè)向約束的復合地基的沉降明顯小于無側(cè)向約束的復合地基的沉降；因此，在軟土地基中可通過設(shè)置側(cè)向約束來限制軟土的側(cè)向變形，從而達到降低復合地基的沉降，提高復合地基的承載力該方法具有良好的效果；

2）當循環(huán)荷載比小于0.40時，側(cè)向約束對限制軟土側(cè)向變形的作用還不能發(fā)揮；只有當循環(huán)荷載比大于0.40后，側(cè)向約束對限制軟土側(cè)向變形、降低地基沉降的作用才能逐步體現(xiàn)出來。

[1] 胡亞元. 準塑性的粘彈性模型在黏土中的應用[J].巖土工程學報，2009，31(3)：253-360.Hu Yayuan. Application of Plastic-Like Visco-Elastic Model to Clay[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2009，31(3)：253-360.

[2] 胡亞元.考慮次固結(jié)時循環(huán)荷載引起的軟基沉降[J].浙江大學學報：工學版，2011，45(1)：106-111.Hu Yayuan. Settlement of Soft Ground Induced by Cycle Load Considering Secondary Settlement [J]. Journal of Zhejiang University：Engineering Science， 2011，45(1)：106-111.

[3] 黃茂松，李進軍，李興照.飽和軟黏土的不排水循環(huán)累積變形特性[J].巖土工程學報， 2006， 28(7)：891-895.Huang Maosong，Li Jinjun，Li Xingzhao. Cumulative Deformation Behavior of Soft Clay in Cyclic Undrained Tests[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2006，28(7)：891-895.

[4] 劉 明，黃茂松，柳艷華.車振荷載引起的軟土越江隧道長期沉降分析[J].巖土工程學報，2009，31(11)：1703-1709.Liu Ming，Huang Maosong，Liu Yanhua. Long-Term Settlement of Tunnels Across a River Induced by Vehicle Operation[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2009，31(11)：1703-1709.

[5]Abdelkrim M，Bonnet G，de Buhan P.AComputational Procedure for Predicting the Long Term Residual Settlement of aPlatform Induced by Repeated Traffic Loading[J].Computers and Geotechnics，2003，30：463-476.

[6]Monismith CL，Ogawa N，F(xiàn)reeme C R.Permanent Deformation Characteristics of Subsoil Due to Repeated Loading[J].Transportation Research Record，1975，537：1-17．

[7] 周 建，龔曉南.循環(huán)荷載作用下飽和軟粘土應變軟化研究[J].土木工程學報，2000，33(5)：75-78．Zhou Jian，Gong Xiaonan. Study on Strain Sofitn in Saturated Soft Clay under Cyclic Loading[J].China Civil Engineering Journal，2000，33(5)：75-78.

[8] 蔣 軍.循環(huán)荷載作用下粘土應變速率試驗研究[J].巖土工程學報，2002，24(4)：528-531．Jiang Jun. Study on the Strain Rate of Clay under Cyclic Loading[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2002，24(4)： 528-531．

[9] 白順果，侯永峰，張鴻儒.循環(huán)荷載作用下水泥土樁復合地基的臨界循環(huán)應力比和永久變形分析[J].巖土工程學報，2006，28(1)：84-87.Bai Shunguo，Hou Yongfeng，Zhang Hongru. Analysis on Critical Cyclic Stress Ratio and Permanent Deformation of Composite Foundation Improved by Cement-Soil Piles under Cyclic Loading[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2006，28(1)：84-87

[10] 白順果，侯永峰，張鴻儒，等. 循環(huán)荷載作用下水泥土樁復合地基模型試驗研究[J]. 巖土力學 2006，27（增刊1）： 1017-1020.Bai Shunguo，Hou Yongfeng，Zhang Hongru，et al. Model Testing Study on Composite Foundation of Cement-Soil Pile under Cyclic Loading [J]，Rock and Soil Mechanics，2006，27(S1)： 1017-1020.