周 珩,蘇 謙,2,劉 杰,郭春梅

(1.西南交通大學土木工程學院,成都 610031； 2.西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室,成都 610031)

引言

高速鐵路對路基的剛度、強度、變形控制與穩(wěn)定性提出了更高的要求，樁板結構作為一種新型的路基處理技術已應用于國內多條高速鐵路上，并有效地克服了軟土路基[1-3]、濕陷性黃土[4-5]、巖溶[6]以及采空區(qū)[7]等多種技術難題。隨著我國山區(qū)高速鐵路的大量新建，樁板結構應用于陡坡段路基，與傳統(tǒng)樁板結構路基不同的是，陡坡段樁板結構路基除承受豎向荷載外，還可能承受邊坡由于自重作用的水平荷載作用，從而導致結構橫向變形甚至失穩(wěn)破壞。盡管對于樁板結構路基，國內外已進行了一定的研究[8-12]，但對于陡坡段的非埋式樁板結構路基研究較少。因此開展陡坡段非埋式樁板結構路基受力與變形破壞研究對該結構的設計與應用推廣具有重要的意義。

以陡坡段非埋式樁板結構路基為研究對象，通過物理模型試驗，對非埋式樁板結構路基的水平承載特性、結構變形特征、路基破壞特性等進行研究。

1 水平承載模型試驗

1.1 概況

本物理模型試驗以新建杭黃高速鐵路工點DK106+340典型斷面為原型，該工點地質情況見表1。陡坡路基采用跨度7.5 m的托梁式樁板結構，結構自上而下為承載板、托梁與樁，樁基采用直徑1 m的端承樁，承載板采用搭接形式，托梁與樁基剛接。地質情況為上覆2～3 m厚粉質黏土，中層為10～11 m強風化泥巖，底層為弱風化泥巖，邊坡采用A、B組填料填筑。工點橫、縱斷面如圖1所示。

表1 原型工點地層與樁長

圖1 原型斷面的地層與樁板結構(單位：cm)

1.2 模型相似設計

樁板結構路基水平承載試驗模型為靜力模型，結構應力與荷載、結構尺寸、材料彈性模量、泊松比有關，應力及位移的關系式為

σ=f(F,q,γ,l,E,v,p)

(1)

S=f(F,q,γl,E,v,p)

(2)

式中，F(xiàn)為集中荷載；q為線荷載；γ為材料容重；l為材料尺寸；E為彈性模量；ν為泊松比；p為配筋率。

本試驗采用縮尺模型，以幾何相似比Cl=1/10、彈性模量相似比CE=1為基本相似常數(shù)，根據(jù)π定理推導出本模型試驗其他物理量的相似常數(shù)[13]，見表2。

1.3 模型尺寸與幾何邊界

樁板結構路基模型中相關結構的幾何參數(shù)根據(jù)幾何相似比Cl=1/10計算，見表3。

表2 物理量的相似常數(shù)

為保證模型試驗結構接近工程實際，模型沿線路方向選取3跨板長，沿邊坡橫斷面方向選取5倍板寬的寬度，以減小邊界條件對模型的影響。因此，根據(jù)模型幾何相似比例確定模型槽尺寸為長2.5 m×寬5.0 m×高2.5 m，模型槽側向內壁涂抹凡士林，以降低巖土體、填料與側壁間的摩擦力影響。

表3 模型幾何參數(shù)

1.4 模型材料

考慮到樁板結構實際工作中主要發(fā)生彈性變形，模型材料選擇以考慮彈性模量為主。因此，通過配制微骨料鋼筋混凝土制作模型，并根據(jù)結構配筋率經換算后，選用直徑為4 mm的細鋼絲進行配筋。

原型工點巖土體主要分為3種類型：弱風化泥巖、強風化泥巖與路基填料。弱風化泥巖與強風化泥巖通過水泥砂漿配比試驗選取土、石膏、水泥、砂與水配制地基相似模型材料。填料采用粉質黏土模擬。模型結構中弱風化泥巖、強風化泥巖與路基填料參數(shù)見表4。

表4 模型材料參數(shù)

1.5 模型制作

模型材料待模型槽砌筑完成后按既定比例配置，并逐層填筑與壓實，填筑到達樁底高程后進行樁基定位。地層填筑與樁基埋設完成后依次現(xiàn)澆托梁與承載板(圖2)，待模型養(yǎng)護完成后再開始加載試驗。

1.6 監(jiān)測儀器布置

模型監(jiān)測為獲得3類數(shù)據(jù)：(1)樁板結構內力；(2)土壓力分布；(3)樁板結構與路基的變形。本次模型試驗采用電阻應變片采集結構內力。沿樁深方向布設量程為200 kPa的微型土壓力盒，采集土壓力沿樁身分布數(shù)據(jù)。路基變形通過百分表進行監(jiān)測，采用百分表量程為0～10 mm，精度為0.01 mm。元器件平面布置見圖3。

圖2 模型制作

圖3 模型試驗監(jiān)測點布置(單位：cm)

1.7 模型加載

為模擬傳遞的剩余下滑力作用，加載板布置于承載板內側滑坡體內(圖3)，模型通過千斤頂對樁板結構路基進行水平逐級加載，每次增加相當于25 kN/m剩余下滑力的水平荷載，每級加載后靜置5 min，待監(jiān)測數(shù)據(jù)穩(wěn)定后進行采集與下一級的加載。加載分級情況見表5。

表5 模型路基加載

2 試驗結果分析

2.1 水平承載特性分析

2.1.1 樁基應力變化

當樁板結構路基承受水平荷載時，主要考慮樁側土壓力對結構的影響。依據(jù)彎曲理論和慣性矩的定義，由實測截面處的應變計算樁身各截面的彎矩Mi為[14]

(3)

式中，d為樁身直徑；E為模型樁彈性模量；I為樁身截面慣性矩；εli、εyi分布為樁身各截面測點處的拉壓應變。

由圖4(a)可知，外樁彎矩隨水平荷載的增加而增大。當水平荷載<100 kN時，外樁彎矩變化量較小，彎矩極值位于樁頂處，當水平荷載≥100 kN時，彎矩極值位于距樁頂80 cm處。

由圖4(b)可知，內樁彎矩極值位于距樁頂66 cm處。當水平荷載<100 kN時，內樁彎矩隨水平荷載的增加而增大。當水平荷載達到100 kN時，內樁彎矩分布存在明顯突變，結合樁基破壞特性可知，內樁鋼筋發(fā)生屈服，樁身出現(xiàn)開裂破壞。

2.1.2 樁側土壓力變化

樁側土壓力隨水平荷載的變化規(guī)律如圖5所示。內樁內側滑面以上土壓力隨水平荷載的增加而增大，樁頂附近出現(xiàn)最大土壓力達23 kPa，滑面以下土壓力隨荷載變化量較小，基本保持在5 kPa左右；內樁滑面以上樁間土壓力基本為零，說明樁間土與內樁出現(xiàn)脫離?；嬉韵峦翂毫﹄S水平荷載的增加而增大，呈三角形分布，土壓力極值位于距樁頂60 cm處，達85 kPa。

圖4 樁身彎矩分布

圖5 土壓力分布

外樁樁間土壓力隨水平荷載的增加而增大，樁頂附近與滑面處土壓力存在極值，樁頂處最大土壓力達到30 kPa，滑面處最大土壓力達到25 kPa；外樁樁前土壓力呈三角形分布，隨水平荷載的增加而增大，最大土壓力位于距樁頂20 cm處，達到110 kPa。

2.2 承載板位移特性分析

承載板水平位移隨水平荷載的變化規(guī)律如圖6(a)所示，承載板水平位移隨水平荷載的增加呈拋物線型增大。當水平荷載達到57 kN時，承載板開始產生微小水平變形。當水平荷載達到143 kN時，水平位移顯著增加，說明此時樁身發(fā)生折斷破壞，承載板最大水平位移達到7.25 mm。

承載板豎向位移隨水平荷載的變化規(guī)律如圖6(b)所示，承載板豎向位移隨水平荷載的增加呈拋物線型增大。承載板出現(xiàn)內外側不均勻的豎向抬升，內側最大豎向位移為3.9 mm，外側最大豎向變形為0.7 mm。說明在水平推力作用下，樁板結構承載板出現(xiàn)以近坡面端為轉點的翹曲變形。

2.3 破壞特性分析

2.3.1邊坡與基巖破壞特性

圖6 承載板位移變化曲線

如圖7所示，路基邊坡在水平荷載加載至100 kN時開始出現(xiàn)滑移變形，加載至157 kN時，出現(xiàn)顯著的淺層破壞與局部壓潰現(xiàn)象，此時相應于實際工程中剩余下滑力達到770 kN/m，說明樁板結構路基具有良好的抗變形能力。

圖7 邊坡變形

2.3.2 樁板結構破壞特性

通過對試驗后的邊坡開挖，發(fā)現(xiàn)樁板結構于樁身處出現(xiàn)裂縫，裂縫主要產生于樁頂以及滑動面附近(圖8)，樁板結構其余部分基本完好。

圖8 樁板結構破壞情況(單位：cm)

3 結論

通過陡坡樁板結構路基水平承載試驗得到以下結論。

(1)樁板結構樁基彎矩基本上隨水平荷載的增加而增大，加載過程中，外樁始終處于彈性變形階段，當水平荷載增至100 kN時，內樁出現(xiàn)屈服破壞現(xiàn)象。

(2)樁側土壓力隨水平荷載的增加而增大，且以樁側抗力較大，外樁樁間土壓力與內樁內側土壓力較小，說明在滑坡推力較大時，樁板結構將發(fā)生較大變形擠壓樁前土體。

(3)承載板變形隨水平荷載的增加呈拋物線型增大，最大水平位移達7.25 mm；豎向產生內高外低的翹曲變形，因此，在水平推力較大的地段應謹慎選用采用非埋式樁板結構路基形式。

(4)當水平荷載增加至100 kN時，邊坡坡體開始出現(xiàn)顯著淺層破壞，以及局部隆起與壓潰。樁板結構于樁頂與滑面附近出現(xiàn)張拉裂縫。