斜向水泥土樁加固路基室內(nèi)模型試驗研究

王 鑄，宋緒國

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，天津 300251)

斜向水泥土樁加固路基室內(nèi)模型試驗研究

王 鑄，宋緒國

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，天津 300251)

通過室內(nèi)模型試驗研究斜向水泥土樁加固技術(shù)的工作機理是一種比較有效的方法，在國內(nèi)尚無先例。此次模型試驗設(shè)計，主要考慮在線路荷載作用下路基本體的沉降變形相似和樁體材料的剛度相似兩個方面出發(fā)，共設(shè)計了8組模型試驗，通過模型試驗研究了路基頂面沉降變化規(guī)律、路基邊坡位移變形規(guī)律、路基土體內(nèi)部豎向應(yīng)力分布規(guī)律及水泥土樁體受力變形特征，得到了一系列有價值的結(jié)論。

鐵路路基;斜向水泥土樁;室內(nèi)模型試驗;沉降;豎向應(yīng)力;受力變形特征

1 概述

斜向水泥土樁是用單管旋噴高壓注漿技術(shù)在鐵路路基中形成了一系列一定直徑、一定間距的斜向柱狀水泥土固結(jié)體，這種加固技術(shù)已成功運用于既有線路基加固，有明顯提高路基本體剛度、減小路基沉降的作用。但是，目前斜向水泥土樁加固技術(shù)施工超前于設(shè)計理論，對斜向水泥土樁加固技術(shù)的工作機理缺乏系統(tǒng)認識，而對斜向水泥土樁設(shè)計中樁間距、樁體強度、加固效果等參數(shù)也需要進行深入研究。室內(nèi)模型試驗不僅可以節(jié)約研究成本，也可以增加研究的數(shù)量，影響因素比工程現(xiàn)場更可控，通過室內(nèi)模型試驗研究斜向水泥土樁加固技術(shù)的工作機理是一種比較有效的方法，在國內(nèi)尚無先例，

2 模型試驗理論依據(jù)及設(shè)計方案

模型試驗相關(guān)參數(shù)取值依據(jù)朔黃鐵路路基現(xiàn)場調(diào)查、試驗所得真實數(shù)據(jù)，主要考慮病害路基不處理情況、加樁處理效果以及樁排距的影響。模型試驗設(shè)計，主要考慮在線路荷載作用下路基本體的沉降變形相似和樁體材料的剛度相似兩個方面。

2.1 模型試驗理論依據(jù)

(1)路基沉降變形相似關(guān)系

路基原型的沉降變形計算公式中，沉降變形僅與路基荷載大小、路基填料壓縮模量、填土厚度有關(guān)，分層計算厚度影響忽略不計，得到如下函數(shù)關(guān)系

因為，模型比采用10，填料采用相同的擾動樣，即有

另外，按照應(yīng)力計算，按照路基半高的平均應(yīng)力比p/pm=2，故有

式中，S為路基沉降變形值;ε為土樣豎向應(yīng)變;h為路基高度;p為荷載壓力;e1、e2分別為初始孔隙比和荷載壓力p作用時相應(yīng)孔隙比;Es為土的壓縮模量;E為土的變形模量;μ為土的泊松比;小標帶m的符號為模型對應(yīng)的符號。

式(2)表明，模型試驗中加載與實際線路荷載相同時，路基原型沉降變形值是模型試驗的20倍。

(2)樁體材料相似關(guān)系

試驗樁根據(jù)剛度相似條件確定樁身材料，即

式中，(EI)m為模型試驗中樁身材料的剛度;(EI)p為實際中樁身材料的剛度;CEI為樁體材料相似關(guān)系系數(shù)。

2.2 模型試驗準備

(1)試驗裝置制作

路基模型線路參數(shù):采用單線Ⅰ級重型鐵路，路堤填料為非滲水土，設(shè)計軸荷載為220 kN，路基填高取10 m，路基頂面寬度為7.9 m，活載分布于路基面上的寬度，自軌枕底兩端向下按45°擴散角計算，分布寬度3.6 m。換算土柱高度3.5 m，填料容重為17 kN/m3，計算強度為60.2 kPa。

參考國內(nèi)外相類似的樁基室內(nèi)模型試驗箱(槽)，結(jié)合實際研究條件和擬采用的模型比10，設(shè)計采用的樁基模型箱內(nèi)凈空尺寸(長×寬×高)為320 cm×100 cm×200 cm。模型箱壁背部為鋼板，前部為鋼化玻璃，厚度15 mm，加水平及豎向矩形鋼管立柱支撐，可較好地約束側(cè)向變形，模型箱試驗裝置如圖1所示。荷載板采用長×寬×厚為100 cm×39.5 cm×2 cm的鋼板。

(2)試驗路基填料選取及壓實控制方法

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查和室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)，路基填土采用土的塑限WP為16.4%，液限WL為27.8%;最大干密度ρdmax為 1.90 g/cm3，最優(yōu)含水率 Wopt為 14.0%，病害路基填土壓實密度控制在17 kN/m3。

圖1 模型試驗所用模型箱

試驗前，通過壓實度控制試驗，分別選5、10 cm和15 cm分別填筑，壓實工具采用鋼管和橡皮錘，通過比較，確定填筑層厚度為10 cm，整平后，人踩鋼管縱向碾壓1遍，后分段橫向碾壓3遍，滿足壓實要求。為準確控制，每層碾壓完成，測試3～6點，環(huán)刀法測試密度，含水量每組模型試驗前均進行烘干法試驗，誤差控制在±2%，過大或過小應(yīng)進行晾干或灑水浸潤，直至滿足要求。

(3)試驗樁模型制作

試驗樁模型采用薄壁鋼管制作，通過等效剛度相似條件，計算選擇外徑d=50 mm，壁厚1 mm的鋼管。鋼管彈性模量E=200 GPa;樁長L按照模型比為10進行計算。按照模型相似關(guān)系所得樁體材料，根據(jù)設(shè)計樁長進行幾何縮減，制備模型樁，選擇中心斷面上的樁體，進行應(yīng)變片粘貼，以期測得樁體受力變形情況。

2.3 試驗內(nèi)容和方法

(1)試驗內(nèi)容

模型試驗中斜向水泥土樁布置形式如圖2所示，加密樁傾斜角度5°，其他樁傾斜角度15°。樁的縱向間距為3.0 m，按照幾何相似比，模型內(nèi)實際樁間距為30 cm，僅將模型內(nèi)樁排距變化，模型試驗方案見表1。

圖2 斜向水泥土樁布置形式

表1 試驗方案

(2)試驗方法

為了研究加樁前后樁體應(yīng)力應(yīng)變以及路基頂面沉降變化規(guī)律、應(yīng)力傳遞規(guī)律，共設(shè)計了8組模型試驗，路基土體豎向應(yīng)力測試用日本產(chǎn)的土壓力盒，應(yīng)變采用應(yīng)變片測試。頂面和邊坡位移用百分表和位移計測試，將貼有應(yīng)變片的樁體隨路基填土過程預(yù)先埋設(shè)在路基土體中。加載方式采用分級加載，一般超過列車換算荷載的1.2倍，利用Ev2靜態(tài)模量測試儀器中的液壓式千斤頂加壓力式傳感器系統(tǒng)作為控制加壓系統(tǒng)。

3 路基受力變形特征

3.1 路基頂面沉降變化規(guī)律

8組模型試驗路基頂面沉降的數(shù)據(jù)見表2，路基頂面沉降與樁間距、排數(shù)的關(guān)系曲線見圖3。從圖表中可以看出，隨著加樁排數(shù)的增加，路基頂面沉降明顯呈減小趨勢。樁的排距越小，減沉效果越明顯。隨著加固深度的增加，即排數(shù)的增加，減沉值越來越大，但隨樁排數(shù)的增加，單排樁的減沉作用逐漸減小，因此存在一個經(jīng)濟合理的最佳處理深度。

表2 模型試驗路基沉降對比分析

圖3 實測路基頂面沉降與樁間距、排數(shù)的關(guān)系曲線

圖4是未加樁路基和樁間距為10 cm加3排樁、9排樁等3種情況實測路基頂面沉降與荷載的關(guān)系曲線。從圖中可以看出，加樁后的路基頂面沉降明顯小于未加樁的路基，而且未加樁路基沉降增加率也明顯大于加樁路基，說明斜向設(shè)置的樁體明顯有減小沉降的作用。另外，可以發(fā)現(xiàn)路基中加樁的排數(shù)越多，路基頂面沉降越小。

3.2 路基邊坡位移變形規(guī)律

通過試驗數(shù)據(jù)(表3)結(jié)果看，經(jīng)過加樁后的路基，不僅頂面沉降得到有效的控制，同時邊坡變形也明顯減小。邊坡測點采用百分表讀數(shù)，A、B、C三點位置依次自路肩點沿坡面線設(shè)于30、60 cm和90 cm處。

圖4 實測路基頂面沉降與荷載的關(guān)系曲線

表3 坡面各測點的垂直于坡面的變形值

從表3中可以看出，隨著加樁的處理深度和排數(shù)的變化，邊坡變形迅速減小，并有向下部發(fā)展的趨勢，說明加樁明顯改善了路基本體的應(yīng)力狀態(tài)，類似于加筋作用，約束上部邊坡的變形，起到減小路基頂面沉降的作用;同時將應(yīng)力向下傳遞，導(dǎo)致下部路基土體兩側(cè)變形增大，說明樁體起到擴散應(yīng)力的作用。

3.3 路基土體內(nèi)部豎向應(yīng)力分布規(guī)律

為研究加樁前后路基本體豎向壓力分布特點，在路基本體中布置了9個土壓力盒，埋設(shè)位置如圖5所示。

圖5 模型中土壓力盒埋設(shè)分布(單位:cm)

圖6是未加樁時，3號、4號、5號測點的豎向應(yīng)力隨加載量變化的曲線。從測試結(jié)果看，豎向應(yīng)力符合剛性板加載附加應(yīng)力分布規(guī)律，線路中心小，而兩側(cè)大的馬鞍形分布特征。

圖7為加密樁+第一排樁的路基本體應(yīng)力分布圖，對比圖6和圖7，可以看出，當(dāng)加了第一排樁之后，路基土體樁下豎向壓力分布明顯發(fā)生變化，線路中心豎向壓力明顯提高，斷面上豎向壓力呈現(xiàn)均勻分布趨勢，證明加樁起到加筋作用，使應(yīng)力擴散近乎均勻化，減小了路基中心附加應(yīng)力值，從而減小路基中心沉降值。隨著加樁排數(shù)增加，路基豎向應(yīng)力均勻化效果更為理想。其他組模型試驗結(jié)果類似，這里不再列舉。

圖6 未加樁時3號、4號與5號測點豎向應(yīng)力隨加載量變化曲線

圖7 設(shè)置加密樁+第一排樁時3號、4號與5號測點豎向應(yīng)力隨加載量變化曲線

4 水泥土樁體受力變形特征

為了揭示斜向水泥土樁在路基本體內(nèi)受到線路荷載作用時的樁體受力變形情況，為斜向水泥土樁設(shè)計計算方法及檢測方法提供依據(jù)和理論上的支持，模型試驗中在模型樁體上粘貼應(yīng)變片進行應(yīng)變的測試。

4.1 應(yīng)變片標定

在室內(nèi)首先對粘貼好應(yīng)變片的樁進行標定，以1.2 m樁為例，其應(yīng)變片布置見圖8。通過砝碼加載，觀察樁體上下側(cè)面應(yīng)變變化情況，隨著荷載的增加，各點應(yīng)變片呈現(xiàn)明顯拉正壓負現(xiàn)象。

圖8 樁長1.2 m應(yīng)變片布置(單位:mm)

4.2 實測樁體應(yīng)變分布

模型試驗實測結(jié)果以1.2 m長樁來說明，詳見圖9和圖10。從圖中可以看出，樁體存在明顯的拉應(yīng)變和壓應(yīng)變，樁體上側(cè)以壓應(yīng)變?yōu)橹鳎聜?cè)有明顯的拉應(yīng)變值，但也出現(xiàn)了壓應(yīng)變，說明樁體受力比豎直樁復(fù)雜，不是簡單的拉壓問題，樁身存在彎矩。

從測試的結(jié)果初步可以確定，路基中斜向水泥土樁與傳統(tǒng)的豎向和水平受力樁，在受力狀態(tài)上有著顯著的差異，用豎直樁的設(shè)計理念進行路基內(nèi)斜向水泥土樁的設(shè)計是不符合其工作機理的。而且，彎拉組合作用導(dǎo)致樁體不僅承受壓應(yīng)力，而且受到拉應(yīng)力的作用，水泥土樁樁體材料是一種脆性材料，抗拉強度低，抗壓強度高，因此，檢測時應(yīng)以抗拉強度進行質(zhì)量控制是符合其自身工作特點。

圖9 1.2 m樁的上側(cè)測點應(yīng)變隨荷載的變化曲線

圖10 1.2 m樁的下側(cè)測點應(yīng)變隨荷載的變化曲線

5 結(jié)論

通過對室內(nèi)模型試驗數(shù)據(jù)的整理分析，得到了一系列有價值的結(jié)論。

(1)室內(nèi)模型試驗作為定性研究斜向水泥土樁的加固效果，是可行的。

(2)試驗結(jié)果表明，斜向水泥土樁加固路基的效果明顯，能夠有效地減小路基頂面沉降，約束路基邊坡側(cè)向變形。

(3)路基本體中設(shè)置加固樁，不僅提高路基本體剛度，而且由于樁土之間的相互作用(摩擦剪切作用)將路基本體內(nèi)附加應(yīng)力的集中情況弱化，將樁以下土體應(yīng)力擴散至整個路基斷面寬度，應(yīng)力分布均勻，從而減小路基頂面的沉降，起到明顯的加筋效果。

(4)通過室內(nèi)模型試驗對樁體應(yīng)變的測試結(jié)果說明，斜向水泥土樁在路基本體中，實際受到彎拉應(yīng)力組合作用，其作為脆性材料，在質(zhì)量檢驗方法上，應(yīng)采用抗拉強度控制，而不是現(xiàn)行的抗壓強度指標。

(5)加固樁的樁間距、加固處理深度對沉降變形的影響很大。但由于隨著加固樁排數(shù)的增加，其減沉效果也越來越小，在實際工程中，存在一個經(jīng)濟合理的加固深度。

［1］ 中華人民共和國鐵道部.TB 10001—2005 鐵路路基設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［2］ 中華人民共和國鐵道部.TB 10414—2003 鐵路路基工程施工質(zhì)量驗收標準［S］.北京:中國鐵道出版社，2003.

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［4］ 中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所.鐵路路基基床結(jié)構(gòu)設(shè)計方法及參數(shù)的研究［R］.北京:中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，2008.

［5］ 中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所.不同基床表層結(jié)構(gòu)及路基、軌道動態(tài)試驗研究報告［R］.北京:中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，2003.

［6］ 龔曉南.地基處理手冊［M］.3版.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2008.

［7］ 林宗元.巖土工程治理手冊［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2005.

［8］ 徐至鈞，全科政.高壓噴射法處理地基［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2004.

［9］ 王恩遠，吳邁.工程實用地基處理手冊［M］.北京:中國建材工業(yè)出版社，2005.

［10］王鑄，宋緒國.斜向水泥土樁法加固既有鐵路路基施工技術(shù)研究［J］.鐵道標準設(shè)計，2013(1):17-20.

Laboratory Model Experiment Research of Using Oblique Soil-Cement Mixed Pile for Subgrade Strengthening

WANG Zhu，SONG Xu-guo
(The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation，Tianjin 300251，China)

It was a relatively effective method to do laboratory model experiment for the researching of the working mechanism of strengthening technology with oblique soil-cement mixed pile，and there was no precedent in China.For this laboratory model experiment，two aspects were emphatically considered，including the similarity of settlement deformations of subgrade soil body materials，and the similarity of the rigidities of pile body materials under the action of track roads;and a total of eight groups of model experiments were designed.Through this model experiment，relevant issues were researched including the change rule of subgrade top surface settlement，the rule of subgrade side slope displacement deformation，the rule of vertical stress distribution within subgrade soil body，and the stress deformation behavior of soil-cement mixed pile.As a result，a series of valuable conclusions were drawn from this experiment.Key words:railway subgrade;oblique soil-cement mixed pile;laboratory model experiment;settlement;vertical stress;stress deformation behaviors

U213.1+5

A

1004-2954(2013)09-0022-04

2013-06-13

鐵三院科研項目“重載鐵路路基加筋水泥土樁強化技術(shù)的應(yīng)用研究”(721248)

王 鑄(1976—)，男，高級工程師，1998年畢業(yè)于石家莊鐵道學(xué)院交通土建工程專業(yè)，工學(xué)學(xué)士，E-mail:tsywzh@139.com。