李泰灃，蔡德鉤，張千里，陳 鋒

(1.中國鐵道科學(xué)研究院，北京 100081;2.中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

模型試驗是研究樁網(wǎng)復(fù)合地基的重要手段之一,主要分為足尺試驗和縮尺試驗。足尺試驗一般為工程現(xiàn)場試驗，存在試驗時間長、消耗人力物力大、施工現(xiàn)場條件復(fù)雜、試驗可重復(fù)性差等不利條件，故多為驗證性試驗。相較而言，室內(nèi)縮尺模型試驗的可操控性強，當研究多種因素相互影響的復(fù)雜對象時，易于控制其他試驗條件不變集中研究其中一項因素，從而揭示工程問題的本質(zhì)。本文擬采用室內(nèi)縮尺模型試驗來研究樁網(wǎng)復(fù)合地基加筋墊層荷載傳遞與變形特性。

本次模型試驗通過模擬樁承地基在路堤填土荷載下的受力工作特性，研究樁網(wǎng)復(fù)合地基加筋墊層及土工格柵受力變形規(guī)律。共采用16根模型樁，周圍12根樁為對比樁，主要考慮中間4根樁的受力變形及格柵應(yīng)變情況。通過研究樁網(wǎng)復(fù)合地基加筋墊層的受力機理以及樁體上穿變形，對現(xiàn)有設(shè)計、計算公式提出指導(dǎo)性建議。

1 試驗裝置及量測設(shè)備

1)試驗裝置。試驗裝置如圖1所示，主要由亞克力板圍成的模型槽壁、支撐平臺、底座組成。

圖1 試驗裝置示意(單位：cm)

圖2 底板和槽箱實物照片

2)模型箱。模型箱由多個槽箱拼接而成。槽箱平面凈空尺寸為1.07 m×1.07 m(見圖2)，共有5個，每個槽箱高度為0.5 m，均為加肋框架和亞克力板組合而成，亞克力板厚15 cm。在每個槽箱外側(cè)采用寬40 cm、厚20 cm鋼管進行加固，并對模型亞克力槽壁的內(nèi)側(cè)進行光滑處理，以減小路堤填料與模型槽箱之間的摩擦作用。

3)加載板。為方便對模擬路基施加荷載，試驗設(shè)計了由模擬路基、加載板、加載砝碼構(gòu)成的加載系統(tǒng)。加載板置于路基頂面，設(shè)置模擬路基的高度應(yīng)超出成拱高度，以充分體現(xiàn)土拱現(xiàn)象的影響。為便于吊裝安放加載板，加載板的尺寸略小于模型槽凈空尺寸，加載板尺寸為1.0 m×1.0 m×0.01 m，按照圖3所示進行切割。

圖3 加載板俯視圖(單位：cm)

4)量測設(shè)備。試驗量測設(shè)備主要包括壓力分布傳感器和電阻式應(yīng)變片，并對所有測量設(shè)備的準確性、靈敏度、耐久性及穩(wěn)定性進行了相關(guān)調(diào)研，選取國內(nèi)外優(yōu)質(zhì)廠商的測量設(shè)備，保證室內(nèi)模型試驗的準確性。

5)試驗材料。本次模型試驗中主要用到的試驗材料包括模型樁、碎石、土工格柵、路堤填料等。主要試驗材料見表1。

表1 主要試驗材料

6)模型樁。由量綱分析可知，試驗材料的變形模量應(yīng)與工程實際相同，考慮到試驗內(nèi)容及可操作性，選取PVC管中彈性模量較大的硬聚氯乙烯管作為制作模型樁的材料，樁端均用塑料薄片封死。

7)加筋墊層碎石。在上部荷載作用下，碎石填料能夠通過其細部顆粒之間的咬合和摩擦作用，與墊層當中的土工織物協(xié)調(diào)變形，調(diào)節(jié)復(fù)合地基樁土分擔的應(yīng)力。本次試驗采用干凈碎石作為墊層填料的用料，碎石級配最大粒徑不超過20 mm，自然級配，并在墊層和地基面填土中間鋪設(shè)一層細砂，在保證地基面受力均勻的同時可以防止碎石嵌入土中。

8)路堤填料。路堤填料采用干凈的河砂，共1.0 m3，其物理力學(xué)指標見表2。

表2 路堤填料物理力學(xué)指標

2 樁網(wǎng)復(fù)合地基加筋墊層格柵應(yīng)變

應(yīng)變片布置情況見表3，圖1(b)中標出了各應(yīng)變片的平面位置。上層格柵所處位置為中間一排樁樁頂正上方，主要測量在豎向荷載作用下樁頭連線及相應(yīng)樁間土所處位置處格柵應(yīng)變情況；下層格柵主要測量模型中軸線，即相鄰兩列樁之間樁間土上方格柵的應(yīng)變情況。

表3 應(yīng)變片布置

2.1 應(yīng)變分布規(guī)律

上層格柵在豎向荷載作用下8個應(yīng)變片所記錄的格柵應(yīng)變見圖4。2#,4#,6#,8#應(yīng)變片剛好位于一排4根樁的樁頂附近。1#，3#，5#，7#應(yīng)變片對應(yīng)樁間土。樁頂處格柵應(yīng)變較樁間土格柵應(yīng)變偏大，且存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。其中4#，6#應(yīng)變片所示為中間2根樁樁頂處的應(yīng)變，較2#，8#應(yīng)變略大。這是由于模型的邊界效應(yīng)所致。需要注意的是，5#應(yīng)變片剛好位于中心4根樁樁間土處，此處應(yīng)變最小。

圖4 上層格柵應(yīng)變情況

同一筋材上層格柵的應(yīng)變分布情況見圖5(a)，下層格柵應(yīng)變見圖5(b)。下層格柵存在一定程度的邊界效應(yīng)，但不如上層格柵明顯。其中11#，13#，15#為樁底平面2樁中心處樁間土格柵應(yīng)變情況。需要指出的是10#，12#，14#為4根樁中心處樁間土處格柵應(yīng)變情況，較2根樁中心處樁間土處應(yīng)變略大，見圖6。

圖5 格柵應(yīng)變分布

圖6 下層格柵應(yīng)變情況

2.2 應(yīng)變傳遞情況

從圖7可以看出下層格柵的應(yīng)變較上層格柵有了明顯增加，增幅為2～4倍，但分布規(guī)律基本一致，樁頭處的應(yīng)變明顯大于樁間土處的應(yīng)變?？苫镜贸鰳毒W(wǎng)復(fù)合地基加筋墊層應(yīng)變傳遞的一般規(guī)律：樁頭上穿的影響范圍為樁徑的2.0～2.5倍。因本次試驗采用無樁帽的樁體，樁徑為7.5 cm，墊層厚度為6.0 cm，2倍樁徑影響范圍為樁頭上部15 cm處。假定豎向應(yīng)力隨深度呈線性衰減，墊層上部的作用力剛好為墊層下部作用力的1/3左右。

圖7 應(yīng)變傳遞規(guī)律

3 樁網(wǎng)復(fù)合地基荷載特征

圖8為樁頂壓力分布。左側(cè)2根樁從上至下分別為A1,A2，右側(cè)2根樁分別為B1,B2。這4根樁位于整體16根樁的右下處，其中樁A1為4根中心樁的右下樁。本次模型試驗樁頂鋪設(shè)一塊50 cm×50 cm的壓力分布傳感器，剛好涵蓋右下角4根樁的面積，用于測量4根樁樁頂應(yīng)力及樁間土豎向應(yīng)力。與前文應(yīng)變片的編號方式不同，每片壓力分布傳感器具有32×32個有效壓力識別單元，每個截面均有32個傳感單元，分別編號為1#～32#。

圖8 樁頂壓力分布

3.1 A-A截面(樁A1,A2中心連線)

圖9 A-A截面壓力分布情況

圖9所示為A-A截面的壓力分布情況，可見A1樁頂處的豎向壓力要大于A2樁頂。這主要是由于模型箱四周的邊界效應(yīng)所致。對于單樁來說，其壓力分布曲線呈現(xiàn)“M”形分布，對于樁網(wǎng)復(fù)合地基來說，加筋墊層的失效主要是由于土工格柵變形過大，且最大應(yīng)變處不是位于樁頂正上方和樁間土，而是位于樁頭邊緣0.50～0.75倍樁徑處，大部分情況是由于樁體上刺所引起的類剪切破壞，并伴隨一定程度的拉伸破壞。

當填土達到臨界高度后，繼續(xù)增加上覆荷載，僅對樁頂處的豎向應(yīng)力起作用，而對樁間土的豎向應(yīng)力無明顯影響。這是由于當填土高度達到成拱高度后，相對穩(wěn)定的土拱效應(yīng)會將路基上部荷載有效地傳遞到樁頂處，樁間土承擔的豎向荷載基本處于一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)，除非較大的上部荷載，尤其是較大頻率和振幅的動荷載將原本穩(wěn)定的土拱結(jié)構(gòu)破壞。

5#,9#為A1樁頭邊緣位置傳感器單元，22#,26#為A2樁頭邊緣位置傳感器單元。5#傳感器單元對上部荷載的增幅最為敏感，因為此處最靠近模型中心，應(yīng)力集中現(xiàn)象較為明顯，邊界效應(yīng)較為薄弱。

3.2 B-B截面(樁B1,B2中心連線)

B-B截面?zhèn)鞲衅鲉卧茇Q向壓力與豎向荷載的關(guān)系見圖10。5#,9#為B1樁頭邊緣位置傳感器單元，22#,26#為B2樁頭邊緣位置傳感器單元。同A-A截面類似，B-B截面也存在一定的邊界效應(yīng)，B1樁頂位置處的豎向應(yīng)力比B2樁頂處略大，因為雖同屬于邊界樁，但B2為16根樁右下角的角樁，同時受到來自2個邊界的影響，因此豎向壓力略小。對比A2,B1樁頂位置處壓力分布，可以發(fā)現(xiàn)在同等豎向荷載條件下，其最大壓力值均在5～6 kPa左右，壓力分布規(guī)律均呈現(xiàn)“M”形分布，但較中心樁壓力分布形態(tài)略不明顯。

圖10 B-B截面壓力分布情況

4 結(jié)論

1)設(shè)計了能夠準確反映樁網(wǎng)復(fù)合地基各部位受力變形特性的室內(nèi)縮尺試驗，對樁網(wǎng)復(fù)合地基加筋墊層受力變形和荷載傳遞規(guī)律有了進一步的認識。基于壓力分布傳感器的測試優(yōu)勢，首次探明了加筋墊層和樁-土接觸界面的壓力分布情況，為現(xiàn)有理論及計算方法的優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐。

2)通過試驗獲得了樁網(wǎng)復(fù)合地基應(yīng)變傳遞的規(guī)律，樁端豎向應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，樁端豎向應(yīng)力即樁頭上穿的影響范圍為樁徑的2.0～2.5倍，且格柵應(yīng)變呈現(xiàn)“M”形分布。

3)由試驗發(fā)現(xiàn)在上部荷載作用下，樁端平面壓力分布基本呈現(xiàn)三角形形態(tài)?？蓪F(xiàn)有路基墊層上部結(jié)構(gòu)細分為局部應(yīng)力集中區(qū)和應(yīng)力均布區(qū)2部分。這加深了對樁端應(yīng)力分布的認識。

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