李傳寶，程謙恭，梁 鑫, ，張世亮

（1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063；2.西南交通大學(xué) 地質(zhì)工程系，成都 610031；3.廣西科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，廣西 柳州 545006）

1 引 言

高速鐵路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)要求非常高，必須嚴(yán)格控制線下結(jié)構(gòu)物的沉降變形。鐵路選線時(shí)對(duì)于地下礦層大量開采、采空區(qū)面積很大的采空區(qū)路段，一般采取繞避措施，但對(duì)于小型采空區(qū)或者采空巷道分布的采空區(qū)路段，則對(duì)采空區(qū)的地基采取注漿加固，或者對(duì)穿越采空區(qū)的工程結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)采取加固措施。設(shè)計(jì)時(shí)速350 km 的合-福高速鐵路，于江西上饒境內(nèi)的采空區(qū)路段，在采空巷道上方的路基工程中采取樁板結(jié)構(gòu)形式加固地基，以便控制其上方路基工程的變形。樁板結(jié)構(gòu)作為一種新型的路基處理技術(shù)已經(jīng)在國(guó)內(nèi)多條高速鐵路上采用，例如，京津城際客運(yùn)專線[1-2]、京滬高鐵[3-4]和武廣高鐵[5]的軟土路基處理，鄭西高鐵[6]的濕陷性黃土路基處理以及遂渝高鐵[7]的川東紅土路基處理等。這些路基的處理都已取得良好的工程效果，但樁板結(jié)構(gòu)用于路基工程下方采空區(qū)的基礎(chǔ)，目前尚未多見，其相應(yīng)的研究成果鮮見報(bào)道，因此，十分有必要對(duì)樁板結(jié)構(gòu)穿越采空區(qū)控制路基變形的技術(shù)進(jìn)行深入研究，為同類工程的設(shè)計(jì)施工提供可靠的理論依據(jù)。合福高鐵五府山車站位于江西省上饒市四十八鎮(zhèn)，路基下方為民國(guó)及20 世紀(jì)80年代采煤形成的采空巷道。本文以五府山車站采空區(qū)路基為研究對(duì)象，通過物理模型試驗(yàn)，對(duì)采空區(qū)樁板結(jié)構(gòu)復(fù)合地基的沉降特征、荷載傳遞機(jī)制、樁板作用機(jī)制進(jìn)行研究。

2 工程概況

五府山車站位于上饒縣城正南37 km 處48 鎮(zhèn)，屬于丘陵區(qū)，地勢(shì)起伏。五府山車站（DK499+763.83～DK500+835.00）為4 車道設(shè)計(jì)，前（合肥方向）接官山底特大橋，后（福州方向）接四十八鎮(zhèn)1號(hào)大橋。本區(qū)主要的含煤地層為二疊系中統(tǒng)霧林山組（P2w）灰黑色中薄層石英砂巖、灰質(zhì)頁(yè)巖夾泥巖、炭質(zhì)頁(yè)巖及煤層，車站周圍以80年代的私采小煤窯為主，開采深度不大，一般為30～50 m。由于地質(zhì)歷史時(shí)期多起斷裂活動(dòng)，煤層呈雞窩狀分布，村民自發(fā)開采，巷道分布規(guī)律性差。小型淺埋采空區(qū)塌陷前多無明顯征兆，傳統(tǒng)的采空區(qū)地基加固方法（如注漿法、回填法等）加固效果難以控制，無砟軌道高速鐵路對(duì)沉降控制嚴(yán)格，一旦出現(xiàn)沉降病害后果不堪設(shè)想，因此，采用剛性的地基處理方案，路基采用C35 混凝土灌注樁與C35鋼筋混凝土承臺(tái)板亦即樁板結(jié)構(gòu)加固，確保高速鐵路安全運(yùn)營(yíng)。

本次物理模型試驗(yàn)原型為DK499+940 處斷面，車站地層從上到下為：層①全風(fēng)化砂巖；層②強(qiáng)風(fēng)化砂巖；層③弱風(fēng)化灰?guī)r。斷面左側(cè)埋深10.5～12.5 m為1 號(hào)采空巷道，高2.0 m，底部寬2.5 m；中部19.8～22.6 m 埋深為2 號(hào)采空巷道，高2.8 m，底部寬2.5 m。斷面承臺(tái)板厚1.2 m，承臺(tái)板以上路堤填料采用摻3%水泥級(jí)配碎石，高3.0 m，路堤邊坡坡比為1:1.5。地層、采空巷道及灌注樁位置如圖1(a)所示。圖中，A～D為軌道編號(hào)。樁位編號(hào)從左至右依此為I～VII 號(hào)，相應(yīng)樁的長(zhǎng)度依次為12、20、25、24、25、25、25 m。樁板人工挖孔灌注樁樁徑為1.0 m，樁間距為5.0 m。車站樁板結(jié)構(gòu)布置平面圖如圖1(b)所示。斷面各樁樁長(zhǎng)及穿越地層見表1。

圖1 原型斷面的地層、采空巷道與樁板結(jié)構(gòu)(單位:m)Fig.1 Location of strata,goafs and pile-plank arrangement(unit:m)

表1 原型斷面樁長(zhǎng)及穿越地層Table 1 Pile length and traversing strata at prototype section

3 模型試驗(yàn)

3.1 模型相似常數(shù)的確定

本次物理模型試驗(yàn)中涉及到主要的相關(guān)參數(shù)有應(yīng)力、應(yīng)變、內(nèi)摩擦角、黏聚力、重度、彈性模量、泊松比、均布面力荷載、長(zhǎng)度、位移，根據(jù)相似理論，高速鐵路采空區(qū)路基變形物理模型相關(guān)參數(shù)表達(dá)式為

參數(shù)總數(shù)n=10，基本量綱數(shù)m=2（對(duì)靜力學(xué)問題，基本量綱為F、L）。根據(jù)π 定理，獨(dú)立的π項(xiàng)有8 個(gè)，其π 函數(shù)可表示為

本試驗(yàn)采用縮尺模型，選取幾何相似常數(shù) Cl為第一基本量，取 Cl=25。選重度相似常數(shù)Cγ作為第二基本量，取Cγ=1.5。確定上述2 個(gè)基本相似常數(shù)后，根據(jù)π 定理導(dǎo)出本模型試驗(yàn)的其他物理量的相似常數(shù)，見表2。

表2 物理量的相似常數(shù)Table 2 Similar constants of physical quantity

3.2 模型尺寸與幾何邊界

根據(jù)模型幾何相似常數(shù) Cl=25，得到模型中有關(guān)結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)，見表3。

表3 模型幾何參數(shù)Table 3 Geometry parameters of model

與原型比較，模型試驗(yàn)最顯著特征就是試驗(yàn)過程及結(jié)果要受其邊界條件影響。對(duì)于模型試驗(yàn)邊界效應(yīng)，張四平等[8]指出，日本的岸田英明通過對(duì)砂箱中的物理模型進(jìn)行專門研究提出當(dāng)模型箱的寬度與樁徑之比 B/D ≥10、樁底部到模型箱底部的距離與樁徑之比 Z/D≥6 時(shí)，可以忽略模型箱的側(cè)壁和底板對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。謝濤等[9]則結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)群樁基礎(chǔ)的埋深、承臺(tái)板的幾何尺寸及樁體和土體應(yīng)力的影響范圍等的關(guān)系，考慮邊界效應(yīng)，平面影響范圍取承臺(tái)板尺寸的3 倍，樁體深度應(yīng)力影響范圍為樁徑D 的15 倍。文華等[10]在地下連續(xù)墻模型試驗(yàn)的過程中，對(duì)于邊界條件的影響，采取的是平面影響范圍，取承臺(tái)板尺寸的3 倍以上，連續(xù)墻深度應(yīng)力影響范圍按樁基沉降計(jì)算中的最大計(jì)算深度進(jìn)行估算。

借鑒以上3 種確定依據(jù)，考慮盡量消除邊界效應(yīng)所帶來誤差，本次模型試驗(yàn)的模型箱尺寸：取模型箱的寬度與樁徑之比 B/D=10，樁底部到模型箱底部的距離取15D。模型沿線路延伸方向?qū)挾热?排樁的距離，并增加平面影響范圍；模型垂直于線路延伸方向的寬度為兩側(cè)路基坡腳距離，并增加平面影響范圍?？紤]了消除邊界效應(yīng)后的模型箱內(nèi)部尺寸見表4。

表4 原型及模型尺寸Table 4 Size of prototype and model

3.3 模型材料

樁在實(shí)際工作中主要為彈性變形，故模型試驗(yàn)中主要考慮其彈性模量。C35 混凝土彈性模量為31.5 GPa，模型樁彈性模量 Emp=3.15×104/37.5=0.84 GPa。最接近于模型樁彈性模量的材料是由一定級(jí)配的骨料、水泥和水配合而成的微混凝土，但本次模型試驗(yàn)結(jié)構(gòu)尺寸小，微混凝土不容易制作成模型中所需要的尺寸，故選取與其彈性模量較為接近的塑料材料來模擬混凝土灌注樁。通過多種材料試驗(yàn)對(duì)比和彈性模量測(cè)試，最終選擇外徑為32 mm，內(nèi)徑為23 mm，彈性模量為0.962 GPa 的PPR（pentatrico peptide repeats，無規(guī)共聚聚丙烯）普通熱水管為混凝土灌注樁的模型材料。普通熱水管（PPR）彈性模量測(cè)定試驗(yàn)結(jié)果見表5?；炷脸信_(tái)板模型采用現(xiàn)澆混凝土來模擬，以增強(qiáng)模型中樁與承臺(tái)的整體性。

表5 普通熱水管彈性模量測(cè)定試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Elastic modulus of PPR pipe used as model pile

原型現(xiàn)場(chǎng)巖土體分3 種類型：全風(fēng)化砂巖、強(qiáng)風(fēng)化砂巖和弱風(fēng)化灰?guī)r。全風(fēng)化砂巖和強(qiáng)風(fēng)化砂巖主要提供樁側(cè)摩阻力，在模型試驗(yàn)中主要考慮重度和內(nèi)摩擦角2 個(gè)參數(shù)。全風(fēng)化砂巖和強(qiáng)風(fēng)化砂巖分別采用級(jí)配均勻的細(xì)砂和粗砂進(jìn)行模擬。原型中路堤填料采用的是級(jí)配碎石，對(duì)路堤填料的模擬以重度控制為標(biāo)準(zhǔn)，而對(duì)于模型填料本身的級(jí)配、壓實(shí)度等物理指標(biāo)要求可以適當(dāng)放寬，填料采用細(xì)砂模擬。全風(fēng)化砂巖、強(qiáng)風(fēng)化砂巖和路堤填料原型參數(shù)、模擬材料參數(shù)及相似要求見表6。

表6 全風(fēng)化砂巖、強(qiáng)風(fēng)化砂巖和路堤填料原型及模擬材料參數(shù)Table 6 Parameters of prototype and model materials of whole weathered sandstone,highly weathered sandstone and roadbed filling

由相似理論計(jì)算得出的最佳模擬材料其重度和內(nèi)摩擦角參數(shù)如表6 所列的相似要求。對(duì)比可見，本次模型試驗(yàn)中采用細(xì)砂來模擬全風(fēng)化的砂巖、路堤填料，用粗砂來模擬強(qiáng)風(fēng)化的砂巖是完全可行的。

弱風(fēng)化灰?guī)r主要分布在部分樁的底部作為持力層，故在模型試驗(yàn)中，模擬材料的抗壓強(qiáng)度和彈性模量是主要考慮因素。借鑒相似材料模擬研究成果[11-14]，并根據(jù)本試驗(yàn)原型材料特征，本次試驗(yàn)采用中粗砂為骨料，用石膏和水泥為膠結(jié)物，采取6組配比材料進(jìn)行制樣。每個(gè)配比做3 個(gè)試樣，材料混合均勻后加入直徑為5 cm、長(zhǎng)10 cm 的PVC 管，搗實(shí)制作試塊。試塊養(yǎng)護(hù)14 d 后，在其中部表面黏貼應(yīng)變片，在壓力機(jī)上加壓，測(cè)量試樣的彈性模量和抗壓強(qiáng)度。各配比材料配合比與力學(xué)參數(shù)，見表7。

表7 弱風(fēng)化灰?guī)r各配比材料配合比與力學(xué)參數(shù)Table 7 Model material ratio of weak weathered limestone and mechanical parameters

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察資料，弱風(fēng)化灰?guī)r的彈性模量E=16 GPa，單軸抗壓強(qiáng)度P=65 MPa。根據(jù)相似理論，最佳模型材料的彈性模量E=16 000/37.5=427 MPa，單軸抗壓強(qiáng)度P=65/37.5=1.73 MPa，故選擇配比編號(hào)為5 的配比材料作為弱風(fēng)化灰?guī)r的模型材料。

3.4 模型制作

砌筑完模型槽后按配比拌制模擬材料，按地層分布位置進(jìn)行澆筑，到樁底標(biāo)高和采空區(qū)后分別進(jìn)行樁的定位安裝和采空巷道的制作。對(duì)于采空巷道的模擬，首先用與灰?guī)r相同的模型材料預(yù)制采空巷道頂板；然后在灰?guī)r模擬材料填筑過程中，先制作形成巷道，再將預(yù)制好的頂板與巷道相結(jié)合，即完成模擬采空巷道的制作（見圖2）。地層澆筑和樁安裝完成后采用現(xiàn)澆混凝土制作承臺(tái)。待模型養(yǎng)護(hù)完成后即可進(jìn)行加載。

3.5 監(jiān)測(cè)儀器布置

模型承臺(tái)板面積為1.4 m2，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)目的是為了獲取3 類數(shù)據(jù)：（1）樁的內(nèi)力；（2）土的應(yīng)力；（3）樁、承臺(tái)板、土和采空巷道頂板的沉降。本次模型試驗(yàn)所用電阻應(yīng)變片電阻值為(119.9±0.1) Ω，靈敏系數(shù)K=(2.08±1)%。試驗(yàn)中樁間土和樁底選取的是量程為50 kPa 的微型土壓力盒，樁頂選取的是量程400 kPa 的微型土壓力盒。沉降采用觀測(cè)標(biāo)配合千分表用來監(jiān)測(cè)，采用千分表量程為0～5 mm，精度為0.001 mm。

圖2 采空巷道的制作Fig.2 Fabrication of goafs

元器件布設(shè)和監(jiān)測(cè)內(nèi)容：（1）在承臺(tái)板下方兩樁之間和4 樁之間的巖土體頂端安裝微型土壓力盒，監(jiān)測(cè)樁間土應(yīng)力，編號(hào)為T1～T4。（2）在1、2 號(hào)采空巷道頂板底端布置沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)采空巷道頂板的豎向位移，編號(hào)分別為Cj1，Cj2。（3）在承臺(tái)板下方兩樁之間和4 樁之間土體頂端布置沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)承臺(tái)板下方土體的豎向位移，編號(hào)為Cj3～Cj6。（4）在承臺(tái)板上表面布置4 個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)承臺(tái)板頂端的豎向位移，編號(hào)為Cj7～Cj10。（5）選擇具有代表性的1～4 號(hào)樁沿樁身貼應(yīng)變片，并于樁頂及樁底安裝微型土壓力盒，土壓力盒編號(hào)為T5～T8（同一根樁采用同一編號(hào)，按樁頂樁底標(biāo)注）。

監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置平面圖如圖3(a)所示，模型樁應(yīng)變片及樁土壓力盒布置如圖3(b)所示，模型中4 根監(jiān)測(cè)樁樁長(zhǎng)及穿越模擬地層詳細(xì)情況見表8。

3.6 模型荷載

試驗(yàn)荷載包括承臺(tái)板以上路堤填料、無砟軌道系統(tǒng)自重、列車荷載及附加荷載。五府山車站軌道形式為CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道，由鋼軌、彈性扣件、雙塊式軌枕、道床板、支承層等組成。道床板采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場(chǎng)澆筑成型，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40。列車荷載參考規(guī)范取值[15]，車站設(shè)計(jì)為4 車道，最大靜荷載應(yīng)考慮4 列列車同時(shí)停靠，將列車和軌道荷載換算成相應(yīng)高度的土柱荷載。對(duì)于列車行駛時(shí)輪載力通過上部結(jié)構(gòu)傳遞到路基面上的動(dòng)應(yīng)力即動(dòng)荷載，可通過式（3）來確定。

圖3 模型試驗(yàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.3 Monitoring points arrangement

表8 監(jiān)測(cè)樁樁長(zhǎng)及穿越模擬地層Table 8 Monitoring piles length and traversing strata

式中：Pd為動(dòng)輪載；α為動(dòng)載系數(shù)，對(duì)于設(shè)計(jì)時(shí)速300 km 線路，取3.0；Pj為靜輪載。為更好地研究模型加載后的受力及變形規(guī)律，荷載分為8 級(jí)，其中施工路堤填料3 級(jí)，列車荷載3 級(jí)，超過正常荷載的附加荷載分為兩級(jí)。具體荷載分級(jí)情況及加載方式見表9。

值得指出的是，列車荷載以動(dòng)力波的形式通過道床傳遞到基床面，再向深層傳播的過程中動(dòng)應(yīng)力隨著深度的增加而衰減。鐵道科學(xué)研究院和西南交通大學(xué)等單位的許多實(shí)測(cè)資料表明[16]，路基面以下0.6 m 范圍內(nèi)的衰減最為急劇，已衰減了40%～60%。日本的資料[16]認(rèn)為，路基面下3.0 m 處的動(dòng)應(yīng)力約為自重應(yīng)力的10%，并認(rèn)為動(dòng)應(yīng)力對(duì)3.0 m以下路基變形的影響很小[16]。由于本模型試驗(yàn)的主要目的在于研究采空巷道上方樁板結(jié)構(gòu)路基的性狀，樁板結(jié)構(gòu)均位于路基面下方3.0 m 以下的地層深處（見圖1），根據(jù)式（3）確定等效列車動(dòng)荷載是可行的。

表9 模型路堤荷載Table 9 Load on road embankment model

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 樁身軸力

1～4 號(hào)樁樁身軸力如圖4 所示。1 號(hào)樁樁長(zhǎng)48 cm，樁身軸力如圖4(a)所示。在荷載作用下樁身軸力變化趨勢(shì)是從樁頂?shù)綐兜字饾u減小，樁軸力在采空巷道范圍內(nèi)為定值。在1、2 級(jí)荷載下，樁身軸力較小，樁底部一定范圍內(nèi)軸力為0 kN；在最大8級(jí)荷載作用下樁身軸力在樁底48.0 cm 處為 0.061 kN，而樁頂軸力為0.114 kN，此時(shí)樁的端阻力發(fā)揮占總荷載的53.5%。

2 號(hào)樁樁長(zhǎng)96 cm，樁身軸力如圖4(b)所示，樁身軸力變化趨勢(shì)與1 號(hào)樁相同，采空巷道內(nèi)樁身軸力不變。從第8 級(jí)6.30 kN 荷載曲線可知，樁身軸力在樁底96.0 cm 處為0.047 kN，樁頂軸力為0.119 kN，樁的端阻力發(fā)揮占總荷載的39.5%，總側(cè)摩阻力占荷載的60.5%，可見隨著樁長(zhǎng)增加，側(cè)摩阻力承擔(dān)了大部分的荷載。該軸力分布規(guī)律與詹永祥等[5]和蘇謙等[6]研究成果中軸力分布規(guī)律相似，不同的是本次試驗(yàn)存在采空巷道，采空巷道段軸力不變。

3、4 號(hào)樁樁長(zhǎng)均為100 cm，地層無采空區(qū)，軸力分別如圖4(c)、4(d)所示。整體上看，樁身軸力從樁頂?shù)綐兜诪檫B續(xù)遞減，遞減的速率明顯超過1、2 號(hào)樁，是因?yàn)?、2 號(hào)樁樁底部分相似材料為模擬灰?guī)r，3、4 號(hào)樁樁底部分相似材料為粗砂，3、4號(hào)樁與土層的相對(duì)變形量更大，側(cè)摩阻力的發(fā)揮更為充分。當(dāng)荷載較小時(shí)，樁身軸力較小，例如，3號(hào)樁在第1 級(jí)荷載1.12 kN 時(shí)，樁頂處的軸力僅為0.006 kN，48.0 cm 以下軸力基本為0 kN；3～8 級(jí)荷載作用下樁頂軸力有顯著的區(qū)別，但樁底軸力差別不明顯，均為0.02 kN 左右。4 號(hào)樁樁身軸力變化規(guī)律雖沒有3 號(hào)樁明顯，但規(guī)律基本相同。

4.2 樁側(cè)摩阻力

1～4 號(hào)樁側(cè)摩阻力如圖5 所示。圖5(a)顯示，1 號(hào)樁側(cè)摩阻力從樁頂?shù)綐兜走f減，采空巷道為0；在第8 級(jí)荷載6.30 kN 作用下，2.0～16.0 cm 段側(cè)摩阻力為2.07 kPa，16.0～32.0 cm 段側(cè)摩阻力為1.05 kPa，到達(dá)采空巷道的40.0～48.0 cm 段側(cè)摩阻力為0 kPa；總側(cè)摩阻力占荷載的46.5%，與端阻力發(fā)揮相當(dāng)，端阻力略大。由圖5(b)可見，2 號(hào)樁總側(cè)摩阻力占荷載的60.5%，樁端阻力和側(cè)摩阻力的變化規(guī)律與1 號(hào)樁基本相同，但1、2 號(hào)樁樁長(zhǎng)差異較大，兩根樁都穿過采空巷道，深度不同。兩根樁地層巖性相同，但地層分布的深度位置與厚度不同，所以端阻力和側(cè)摩阻力承擔(dān)荷載比例有顯著區(qū)別。兩樁樁身軸力從上到下變化趨勢(shì)相同，均不斷減小，在采空巷道樁軸力恒定，都有明顯的端阻力；由于2 號(hào)樁樁長(zhǎng)較長(zhǎng)，側(cè)摩阻力發(fā)揮效果較1 號(hào)樁明顯，使得樁的端阻力分擔(dān)的荷載比例由1 號(hào)樁的53.5%降低到2 號(hào)樁的39.5%。兩樁的側(cè)摩阻力從上到下的變化趨勢(shì)也是相同，均不斷減小，到達(dá)采空巷道段為0；但在荷載較小時(shí)，2 號(hào)樁下半部分沒有側(cè)摩阻力，隨著荷載的增加，下半部分的側(cè)摩阻力才逐漸得到發(fā)揮。3、4 號(hào)樁側(cè)摩阻力分布見圖5(c)和圖5(d)。兩樁側(cè)摩阻力從樁頂?shù)綐兜走f減，由3 號(hào)樁在第8 級(jí)6.30 kN 荷載作用下曲線可知，樁的端阻力發(fā)揮占總荷載的11.6%左右，總側(cè)摩阻力占荷載的88.4%左右，側(cè)摩阻力承擔(dān)了絕大部分的荷載，該側(cè)摩阻力分布規(guī)律與蘇謙[6]等研究成果分布規(guī)律相似，不同之處僅在于樁到達(dá)采空巷道部分，側(cè)摩阻力為0。4 號(hào)樁側(cè)摩阻力規(guī)律與3 號(hào)樁基本相同，3、4 號(hào)樁長(zhǎng)度相同，地層情況相似，只是樁的空間位置不同，兩樁的軸力和側(cè)摩阻力分布規(guī)律基本一致。從圖4 還可以看出，4 根樁的頂部均未出現(xiàn)軟土地基樁板結(jié)構(gòu)中的樁側(cè)負(fù)摩阻力[17]。

圖4 樁身軸力分布Fig.4 Distribution of axial force of piles

圖5 樁側(cè)摩阻力分布Fig.5 Skin friction of piles

4.3 樁土應(yīng)力

樁間土的應(yīng)力大小隨荷載增加而變化的規(guī)律如圖6 所示。從圖中可以看出，隨著荷載的增加，樁間土應(yīng)力變化分為4 個(gè)階段：當(dāng)荷載從0～3.36 kN時(shí)，樁間土應(yīng)力平穩(wěn)增大；當(dāng)荷載從3.36～4.03 kN時(shí)，樁間土應(yīng)力增大速率加快；當(dāng)荷載從4.03～4.70 kN 時(shí)，增大速率又放緩；當(dāng)荷載從4.70～6.30 kN 時(shí)，增大速率加快到一穩(wěn)定值，并以此較穩(wěn)定的速率增加，說明在加載過程中樁間土應(yīng)力在經(jīng)過一段時(shí)間的調(diào)整后，隨著荷載的增加，增大速率趨于定值。

在承臺(tái)板的不同位置，樁間土應(yīng)力很接近，但還是有細(xì)微的差別。兩樁中心和4 樁中心的土應(yīng)力隨荷載增加變化規(guī)律逐步一致，但在承臺(tái)板的中部和兩側(cè)靠邊的位置，土應(yīng)力大小有所不同，亦即中部的應(yīng)力要稍微大于兩側(cè)的應(yīng)力（圖6 中承臺(tái)中部T2、T3兩點(diǎn)的應(yīng)力大于承臺(tái)兩側(cè)T1、T4兩點(diǎn)的應(yīng)力）。承臺(tái)板總體受力比較均勻，樁與其間的土體，沒有表現(xiàn)出在軟土樁網(wǎng)復(fù)合地基[18-19]中出現(xiàn)的應(yīng)力傳遞的土拱效應(yīng)。

圖6 樁間土應(yīng)力Fig.6 Soil stress between piles

樁頂應(yīng)力、樁端應(yīng)力與樁間土應(yīng)力比較如圖7所示。由圖可以看出，加載初期樁頂應(yīng)力隨著荷載的增加而迅速增大，之后以一穩(wěn)定的速率逐漸遞增。例如，1 號(hào)樁在荷載從1.12 kN 增長(zhǎng)到4.03 kN 的過程中，樁頂土應(yīng)力由 12.36 kPa 左右增大至147.89 kPa，增長(zhǎng)速率明顯增大；在荷載從4.03 kN增長(zhǎng)到6.30 kN 的過程中，樁頂應(yīng)力由147.89 kPa左右增大至246.68 kPa 左右，增長(zhǎng)速率相對(duì)比較穩(wěn)定，說明隨著荷載的增加，樁所承擔(dān)的荷載在迅速增長(zhǎng)。

荷載較小時(shí)，樁底應(yīng)力為0；隨著荷載逐漸增大，一部分荷載傳遞到樁端，樁底應(yīng)力開始增大；隨著荷載的繼續(xù)增大，樁底應(yīng)力也穩(wěn)定增大。1、2號(hào)樁樁底應(yīng)力大于3、4 號(hào)樁樁底應(yīng)力，因?yàn)檫@4根樁承擔(dān)的荷載大小接近，且1、2 號(hào)樁樁側(cè)摩阻力的大小要小于3、4 號(hào)樁，1、2 號(hào)樁的樁端阻力必定大于3、4 號(hào)樁。同理，1 號(hào)樁長(zhǎng)度比2 號(hào)樁短，側(cè)摩阻力發(fā)揮不如2 號(hào)樁，1 號(hào)樁樁底應(yīng)力大于2號(hào)樁樁底應(yīng)力。

樁頂應(yīng)力和樁間土應(yīng)力相差較大，且樁頂應(yīng)力增長(zhǎng)很快，這是由于樁的彈性模量較土體來說要大很多，在相同變形的情況下樁的荷載增加速率較快造成的。

圖7 樁頂應(yīng)力、樁端應(yīng)力與樁間土應(yīng)力比較Fig.7 Comparison of stress on top,bottom and middle of piles

樁土應(yīng)力比如圖8 所示。數(shù)值采用所有監(jiān)測(cè)樁的樁頂應(yīng)力平均值與樁間土應(yīng)力平均值之比。由圖可以看出，隨著荷載的增加，樁土應(yīng)力比從荷載為1.12 kN 時(shí)的31 增加到30 kN 時(shí)的127，增長(zhǎng)較快，說明隨著荷載的增加，樁體開始承擔(dān)更多的荷載。本次試驗(yàn)的最終樁土應(yīng)力比明顯大于京滬高鐵軟土樁板結(jié)構(gòu)路基中最終樁土應(yīng)力比31.1[3]。

圖8 樁土應(yīng)力比Fig.8 Pile-soil stress ratio

4.4 樁土荷載分擔(dān)比

樁土荷載分擔(dān)比如圖9 所示。從圖中可以看出，隨著荷載的增加，樁體所承擔(dān)的荷載的比率也在逐漸增加。在荷載為1.12 kN 時(shí)，樁體承擔(dān)荷載占總荷載的23.6%，因?yàn)楹奢d較小，產(chǎn)生的變形較小，此時(shí)樁間土承擔(dān)了大部分的荷載；隨著荷載的增加，變形增大，樁體彈性模量大的優(yōu)勢(shì)顯現(xiàn)出來，樁體應(yīng)力迅速增大，使得樁體所承擔(dān)的荷載在荷載為4.03 kN 時(shí)就增加到50.6%；隨著荷載的繼續(xù)增大，土體開始發(fā)揮作用，土體承擔(dān)的荷載有所增加，對(duì)樁體荷載分擔(dān)比的增大產(chǎn)生一定的影響，使得樁體荷載分擔(dān)比例增長(zhǎng)速率放緩，最終荷載作用下樁體荷載分擔(dān)比為55.8%。從圖9 中還可以看出，樁荷載分擔(dān)比與樁土荷載分擔(dān)比兩條曲線相交，是由于荷載達(dá)到4 kN 時(shí)兩種荷載分擔(dān)比均達(dá)到50%，表明此時(shí)各個(gè)樁以及樁間土承擔(dān)的荷載相同。

圖9 樁土荷載分擔(dān)比Fig.9 Pile-soil load share ratio

4.5 沉降分析

圖10 監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降Fig.10 Monitoring points settlements

模型監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降特征如圖10 所示。從整體上看，模型承臺(tái)板和樁間土的沉降量都很小，與原型設(shè)計(jì)對(duì)沉降量要求十分嚴(yán)格是一致的。荷載從1.12 kN 增加到6.30 kN 時(shí)，承臺(tái)板表面沉降和樁間土頂沉降均從0 逐漸增大到0.13 mm 以上。承臺(tái)板各處的沉降量雖有差異，但相對(duì)于總體的沉降，差異很小，剛度較大的承臺(tái)板很好地控制了地基不均勻沉降；1 號(hào)和2 號(hào)采空巷道頂板底部基本沒有沉降?？梢婋S著上部荷載增大，樁間土和承臺(tái)板的沉降都逐漸增大，且二者沉降量始終很接近，該沉降規(guī)律與魏永幸[20]在客運(yùn)專線無砟軌道樁板結(jié)構(gòu)軟弱地基加固得出的規(guī)律一致。對(duì)于采空巷道，由于樁板結(jié)構(gòu)樁數(shù)量和承臺(tái)板面積都很大，有效減少了地基應(yīng)力，而且采空巷道位于樁底，地基附加應(yīng)力很小，本次縮尺試驗(yàn)中測(cè)得的采空巷道頂板基本沒有變形。對(duì)一般采空巷道而言，采空巷道頂板處于冒落帶最底端，頂板最底部沉降量最大[21]，但在本次樁板結(jié)構(gòu)路基研究中，采空巷道整個(gè)頂板的變形規(guī)律與一般地層相同，即變形上大下小，樁加固有效地限制了巷道頂板的變形，進(jìn)而消除了巷道頂板冒落甚至誘發(fā)塌陷的隱患。

4.6 板的作用

由圖4 可見，1～4 號(hào)樁樁身軸力還有一個(gè)規(guī)律，即在同一級(jí)荷載下4 根樁樁頂軸力大小基本一致，如在第8 級(jí)荷載6.30 kN 作用下4 樁樁頂軸力大小均在0.11～0.12 kN 之間，樁長(zhǎng)及在樁板結(jié)構(gòu)布置位置中差異明顯，但樁所承受的荷載大小基本相同，說明承臺(tái)板剛度較大，在同級(jí)荷載下很均勻地將上部荷載傳遞給樁基。另一方面，從圖10 還可以看出，除了承臺(tái)板表面邊緣的監(jiān)測(cè)點(diǎn)（CJ9、CJ10）外，承臺(tái)板表面的其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)其沉降量極為接近，且均小于承臺(tái)板底部樁間土體的沉降量，說明承臺(tái)板使路基基底與地基的接觸關(guān)系從柔性接觸轉(zhuǎn)化為剛性接觸，有效地協(xié)調(diào)了路基整體沉降，使得橫向不均勻沉降得到了有效的控制。鋼筋混凝土板的作用效果與京津城際[2]、京滬高速鐵路[4]無砟軌道樁板結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果相一致。

5 結(jié) 論

（1）樁頂處軸力最大，樁身軸力在樁的上部減小較快，采空巷道段軸力恒定，同一級(jí)荷載下樁頂軸力大小基本一致。

（2）樁的上段側(cè)摩阻力較大，在采空巷道側(cè)摩阻力為0，樁未出現(xiàn)軟土地基樁板結(jié)構(gòu)中的樁側(cè)負(fù)摩阻力。

（3）樁土應(yīng)力比與樁體荷載分擔(dān)比變化規(guī)律相似。隨著荷載的增大，樁所分擔(dān)的荷載的增加速率逐漸變慢直至某一穩(wěn)定值，本次試驗(yàn)的最終樁土應(yīng)力比明顯大于京滬高鐵軟土樁板結(jié)構(gòu)路基中最終樁土應(yīng)力比。

（4）承臺(tái)板和樁間土的沉降曲線都是由陡變緩，最終趨于穩(wěn)定增長(zhǎng)。

（5）同級(jí)加載作用下各樁頂軸力基本相同，剛度較大的承臺(tái)板起到了平均分配上部荷載的作用，同時(shí)承臺(tái)板總體沉降量很小，在采空區(qū)和非采空區(qū)上方的沉降基本相同。

（6）試驗(yàn)中測(cè)得采空巷道頂板最底端基本沒有變形，說明樁加固有效地限制了巷道頂板的變形，消除了巷道頂板冒落甚至誘發(fā)塌陷的隱患。

從試驗(yàn)結(jié)果來看，剛性路基設(shè)計(jì)理念，不等樁長(zhǎng)和厚承臺(tái)板設(shè)計(jì)很好地滿足了采空區(qū)路基的加固要求，加固效果良好。

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