龍小波 周 波

(1.武漢新華園置業(yè)有限公司，湖北 武漢 430035； 2.中國(guó)葛洲壩集團(tuán)第一工程有限公司，湖北 宜昌 443002)

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樁—網(wǎng)結(jié)構(gòu)路基設(shè)計(jì)理論及離心模型試驗(yàn)研究

龍小波1周 波2

(1.武漢新華園置業(yè)有限公司，湖北 武漢 430035； 2.中國(guó)葛洲壩集團(tuán)第一工程有限公司，湖北 宜昌 443002)

結(jié)合土質(zhì)路基上修建的無(wú)碴軌道工程實(shí)例，從荷載組合、加筋墊層設(shè)計(jì)及沉降計(jì)算等方面，探討了樁—網(wǎng)結(jié)構(gòu)路基設(shè)計(jì)理論，并考慮在列車荷載作用下樁、網(wǎng)、土三者之間相互作用的復(fù)雜性，對(duì)樁—網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行離心模型試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明，通車運(yùn)營(yíng)3年時(shí)間路基面最終累積沉降為12.5 mm。

路基，樁—網(wǎng)結(jié)構(gòu)，加筋墊層，離心模型試驗(yàn)

0 引言

樁—網(wǎng)結(jié)構(gòu)加固法在地基處理過(guò)程中目前應(yīng)用較為普遍，有變形小、施工方便等特點(diǎn)，對(duì)項(xiàng)目工期短的比較適用。其原理就是土體在豎直方向?yàn)閺?fù)合地基加固區(qū)、上部水平方向?yàn)椤熬W(wǎng)”，共同承擔(dān)荷載作用。日本在20世紀(jì)70年代中期在軟土地基區(qū)就已經(jīng)使用樁—網(wǎng)加固法，而我們運(yùn)用在項(xiàng)目上比較晚，屬于一種比較新的工法[1，2]。

1 樁—網(wǎng)結(jié)構(gòu)路基的計(jì)算理論

本文將結(jié)合實(shí)際的路基工程，在樁—網(wǎng)結(jié)構(gòu)路基離心模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，研究樁—網(wǎng)結(jié)構(gòu)的沉降變形及樁土共同作用的特性。

1.1 荷載組合

樁—網(wǎng)結(jié)構(gòu)路基一般由上部路堤填土、加筋墊層、樁土復(fù)合加固區(qū)和下臥層4個(gè)部分組成。

在無(wú)碴軌道樁—網(wǎng)結(jié)構(gòu)路基設(shè)計(jì)時(shí)，首先根據(jù)在極限狀態(tài)、使用臨界狀態(tài)及疲勞狀態(tài)下進(jìn)行不同的荷載組合，然后在不同的荷載組合下，根據(jù)相應(yīng)的力學(xué)模式，進(jìn)一步分析樁—網(wǎng)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、穩(wěn)定與變形。

在一般情況下，其荷載組合可設(shè)為：

(m1×G+m2×P+m3×P)×n。

其中，G為上部結(jié)構(gòu)自重；P為活載靜輪重；m1，m2分別為恒載與活載的荷載組合系數(shù)；m3為列車活載的沖擊系數(shù)；n為結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù)。

1.2 沉降計(jì)算

樁—網(wǎng)復(fù)合路基的變形由路基本體的壓縮量、加固區(qū)的壓縮量及下臥層的沉降量三部分組成。目前在工程應(yīng)用上，比較常用計(jì)算沉降量的方法是等代墩基法。等代墩基法的計(jì)算圖示如圖1所示。下臥層附加應(yīng)力的計(jì)算方法是從群樁體底部往上L/3(L為樁長(zhǎng))處按照30°角向下擴(kuò)散。

下臥層的沉降量計(jì)算公式如下：

1.3 加筋墊層的設(shè)計(jì)

荷載在加筋墊層中的擴(kuò)散角為45°，在土體內(nèi)為30°。在圖2中，樁基承受A區(qū)間以上的全部荷載、B區(qū)間的大部分荷載，加筋墊層承受C區(qū)間的荷載傳遞邊界范圍之外的體積為土體自重。作用在加筋墊層上的荷載為土體自重均布荷載，由此可以確定加筋墊層中土工格柵的強(qiáng)度要求[3]。

在荷載作用下，加筋墊層變形為懸鏈線的柔性拱，在荷載作用較小的情況下，可近似為二次拋物線。拱受力按下式計(jì)算：

2 樁—網(wǎng)結(jié)構(gòu)路基離心模型試驗(yàn)

本文將通過(guò)離心模型試驗(yàn)的方法來(lái)進(jìn)一步了解和分析無(wú)碴軌道樁—網(wǎng)結(jié)構(gòu)路基的沉降和樁土相互作用的特性，試驗(yàn)要求采用能提供200倍重力加速度的離心機(jī)，離心模型試驗(yàn)?zāi)Ｐ吐蕿?0[4]。

2.1 離心模型設(shè)計(jì)與制作

地基和路堤模型均以遂渝高速鐵路中DK134+820斷面的現(xiàn)場(chǎng)取土制作，在模型箱內(nèi)分層壓實(shí)填筑，回填至設(shè)計(jì)高度[5]，各層土的性能指標(biāo)見表1。

試驗(yàn)中樁的直徑為7.5mm、長(zhǎng)為187.5mm，采用方形布樁。樁為AB膠封兩端樁頭的鐵皮管制作，以防止其刺入土體。采用定做的模具來(lái)固定模型樁的位置和預(yù)埋的方法安裝模型樁，在泥巖夾砂巖層回填完成后，將模型樁插入該層模型地基?；靥钪翗俄斣O(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，在樁頂上面回填7.5mm厚的中粗砂和處理過(guò)的窗紗來(lái)模擬設(shè)計(jì)的加筋墊層。

按最不利情況考慮，采用鋼板自重來(lái)模擬列車荷載，按照模型相似率的方法把單線軌道靜荷載和列車中—活載換算成鋼板的重量，按模型幾何比尺的方法由軌道板換算出鋼板的寬度，最后換算成鋼板尺寸。

表1 各土層的性能指標(biāo)

模型設(shè)計(jì)的尺寸及測(cè)點(diǎn)布置位置見圖3。

2.2 測(cè)試結(jié)果分析

沉降板的沉降觀測(cè)以及模型路基面累積的沉降觀測(cè)用電渦流位移計(jì)進(jìn)行測(cè)量，樁身應(yīng)變的檢測(cè)用應(yīng)變片。根據(jù)相似理論的原則，得出如下的結(jié)論：

1)沉降變化曲線(見圖4)。從圖4的變化曲線可以了解，曲線的變化比較平緩，但沉降的速率是逐漸減小的，到2年后沉降已基本趨于穩(wěn)定，到第3年路基面累積沉降達(dá)到最大值也只有12.5 mm。

2)樁土相互作用分析。在通車運(yùn)營(yíng)的不同時(shí)期對(duì)應(yīng)的樁身軸力分布曲線如圖5所示。

由圖5a)，圖5b)可知，樁頂荷載隨時(shí)間均呈增大趨勢(shì)。在各個(gè)對(duì)應(yīng)時(shí)間，中心樁和邊緣樁的樁頂荷載相差不大。樁底往上11 m的范圍內(nèi)中心樁的軸力隨時(shí)間增加而逐漸減少的變化不明顯，基本上沒有什么變化，即通過(guò)在通車運(yùn)營(yíng)期間比較可知樁的承載力主要靠樁側(cè)摩阻力發(fā)揮；而中心樁的樁長(zhǎng)從0 m～6 m范圍內(nèi)由于負(fù)摩擦力的作用，樁身承受的軸力隨深度增大而變大，從6 m～11 m范圍內(nèi)樁身所受軸力隨樁長(zhǎng)變長(zhǎng)而減少，從11 m以下樁身所受軸力隨樁長(zhǎng)變長(zhǎng)而急劇減小，標(biāo)明11 m以下樁所受的樁側(cè)摩阻力較大。邊緣樁的樁身上部所受軸力比樁身下部所受軸力大，且隨深度增加而逐漸減小，樁身范圍內(nèi)樁身所受軸力隨時(shí)間增加變化并不明顯，即樁側(cè)摩阻力對(duì)樁的作用影響不大。

3 結(jié)語(yǔ)

關(guān)于樁—網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算方法，通過(guò)結(jié)合實(shí)際工程分析和選取典型截面的計(jì)算進(jìn)行了深入的探討。從上述離心模型試驗(yàn)可知，在通車運(yùn)營(yíng)期間樁所受荷載隨時(shí)間的增長(zhǎng)而增大，而在不同的樁長(zhǎng)范圍內(nèi)樁身所受的樁基側(cè)摩阻力也不同，雖然樁端進(jìn)入持力層4 m左右，該位置處的摩擦力及端承力較小，但對(duì)樁的承載力有利。

[1] 肖 宏，蔣關(guān)魯，魏永幸.遂渝線無(wú)碴軌道樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)地基處理技術(shù)[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2006，94(4)：22-25.

[2] 肖 宏，蔣關(guān)魯，魏永幸,等.客運(yùn)專線無(wú)碴軌道樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)研究[J].鐵道學(xué)報(bào)，2006，29(2)：126-131.

[3] 凌賢長(zhǎng)，王 臣，王 成．液化場(chǎng)地樁—土—橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖嗨圃O(shè)計(jì)方法[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23(3)：450-456．

[4] 鐵道第二勘察設(shè)計(jì)院.遂渝線引入工程無(wú)碴軌道綜合試驗(yàn)段(修改初步設(shè)計(jì))總說(shuō)明書[Z].成都:鐵道第二勘察設(shè)計(jì)院，2005.

[5] 蔣關(guān)魯，劉先鋒，張建文，等．高速鐵路液化土地基加固的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究[J]．西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，41(2)：190-196．

Study on the design of column-net structure by centrifugal model test

Long Xiaobo1Zhou Bo2

(1.WuhanXinhuayuanRealEstateCo.,Ltd,Wuhan430035,China; 2.ChinaGezhoubaGroupFirstEngineeringCo.,Ltd,Yichang443002,China)

Based on ballastless track on soil subgrade, design calculation theory of column-net structure has been carried on detailed explanation, including the design load combination, geosynthetic reinforcement layer design and settlement calculation. Considered to the interaction complexity of the column, net and soil under the train load, the centrifugal model test of column-net structure was carried on. Test results indicate that the final settlement of the surface of subgrade is 12.5 mm. The load of pile top is increasing and pile-skin resistance is almost stable during subgrade’s being in use for 3 years.

subgrade, column-net structure, geosynthetic reinforcement layer, centrifugal model test

1009-6825(2017)03-0126-02

2016-11-02

龍小波(1974- )，男，高級(jí)工程師； 周 波(1983- )，男

U416.1

A