高速鐵路樁(帽)網和樁筏復合地基模型試驗研究

李善珍，馬學寧，時瑞國

(1.蘭州交通大學 土木工程學院，甘肅 蘭州 730070；2.邢臺職業(yè)技術學院 建筑工程系，河北 邢臺 054053)

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高速鐵路樁(帽)網和樁筏復合地基模型試驗研究

李善珍1，馬學寧1，時瑞國2

(1.蘭州交通大學 土木工程學院，甘肅 蘭州 730070；2.邢臺職業(yè)技術學院 建筑工程系，河北 邢臺 054053)

摘要:結合室內模型試驗，對樁(帽)樁網復合地基和樁筏復合地基在路堤荷載作用下的沉降、荷載傳遞規(guī)律進行分析，得到3種復合地基的試驗結果雖然在數(shù)值上存在一定的差距，但均表現(xiàn)出相似的規(guī)律。3種復合地基對沉降均有一定的減小作用，且沉降隨荷載的增加均近似呈指數(shù)增加的趨勢，其中，樁筏復合地基沉降最小；樁身應力隨深度呈先增加后減小的趨勢，最大值出現(xiàn)在樁頂附近的某一深度處；隨荷載增加，樁土應力比整體呈線性增加的趨勢。在同一荷載水平(如100 kPa)下，樁筏復合地基沉降最小(5.1 mm)、樁頂應力最大(142 kPa)和樁土應力比最大(7.12)時，加固效果更顯著。所得結論在一定程度上可為復合地基類型的選擇及工程研究提供參考。

關鍵詞：高速鐵路；復合地基；承載特性；變形特性；模型試驗

復合地基以其承載力高、沉降變形小、節(jié)約成本等優(yōu)點被廣泛應用于對工后沉降要求嚴格的高速鐵路路基中。樁網復合地基是指天然地基加固區(qū)上部被水平“網”加固，下部被豎向“樁”加強的加筋土復合地基，能使“網”—“樁”—“土”三者協(xié)調作用、共同承擔荷載[1-2]；樁帽網復合地基是指在軟弱地基處理中采用了帶帽的樁體+土工格柵墊層的路基填筑技術[3]，樁帽增加了樁頂與上部土體的接觸面積，起到均化荷載、減小沉降的作用；樁筏復合地基是由樁、土、碎石墊層、鋼筋混凝土板組成，能協(xié)調樁體-墊層-鋼筋混凝土板-地基土的工作特性，共同承擔上部荷載，降低不均勻沉降。國內外學者對樁(帽)網、樁筏復合地基的研究也隨著其應用而展開。Gard等[3]對鋪設了土工織物的樁帽混凝土樁復合地基進行了現(xiàn)場試驗研究；趙春雨等[4-7]通過現(xiàn)場試驗及數(shù)值模擬等方法對樁筏復合地基變形特性及影響因素進行了研究；李曙光[8]探討了樁帽網復合地基的沉降變化規(guī)律及影響因素；孫新彪[9]研究了樁網復合地基沉降、受力特性及影響因素。高速鐵路路堤荷載下，對CFG樁復合地基處理技術的研究還未成熟，沒有形成系統(tǒng)的理論。工程設計時，常依靠經驗或借鑒剛性基礎下復合地基理論。為進一步明確復合地基的承載特性，本文對高速鐵路路堤荷載作用下CFG樁(帽)網、樁筏復合地基進行研究。

1室內模型試驗

室內模型試驗以蘭州某具體工程為背景。為了更加真實地分析比較路堤荷載作用下樁(帽)網和樁筏結構復合地基的加固效果、受力特性和變形特性，在整個模型槽中均勻布設模型樁。試驗中，僅考慮路堤荷載，忽略邊坡部分荷載。在預定位置布設土壓力盒、應變計，通過分級加載，監(jiān)測分析，得到不同加固方式的變化規(guī)律，為工程提供必要的理論指導和技術支持。

1.1模型相似分析

通過室內模型試驗，研究CFG樁(帽)網復合地基和樁筏復合地基的加固效果、沉降變形特性和荷載傳遞機理。為了使模型試驗能夠更準確地揭示和反映原型的受力性狀，試驗必須合理選定模型的相似比。

表1　各物理量的相似系數(shù)

靜荷載作用下，CFG樁(帽)網和樁筏結構的應力和變形特性與結構尺寸、所施加的荷載、材料彈性模量、泊松比有關。應力和位移的表達式為：

σ=f(F,q,γ,l,E,μ,p)

S=f(F,q,γ,l,E,μ,p)式中：F為集中荷載；q為線荷載；γ為材料容重；l為結構尺寸；E為彈性模量；μ為泊松比；p為配筋率。

通過量綱分析，有

結合實驗室條件確定模型中各物理量的相似系數(shù)如表1所示。

1.2試驗方案

根據本文研究內容，確定如下4種試驗方案：天然地基模型試驗；樁網復合地基模型試驗；樁帽網復合地基模型試驗；樁筏復合地基模型試驗。具體布置及尺寸如圖1所示。

(a)樁(帽)網復合地基;(b)樁筏復合地基圖1　模型試驗樁布置圖Fig.1 Pile arrangement on model test

1.3試驗模型槽和模型樁

填土用的模型槽是依據相似比，用4塊鋼板拼接而成的(見圖2)，以保證其具有足夠的抗變形能力，尺寸為：長120 cm×寬60 cm×高120 cm。在模型槽側壁涂抹凡士林并鋪設塑料布，以減小摩擦。

圖2　模型箱整體布置圖Fig.2 Overall layout of model box

根據模型槽尺寸和相似比，選取模型樁樁長100 cm，樁徑4 cm；樁帽為正方形，邊長8 cm，厚3 cm；樁筏結構的混凝土板長44 cm×寬60 cm×厚3 cm。為保證樁帽和樁身連接牢固，采用C20混凝土對二者進行整體澆筑。3種復合地基樁間距均取17 cm，按梅花型布樁。

1.4填土性質及填筑過程

試驗所用黃土取自實際工程施工現(xiàn)場，通過試驗測得其物理力學指標如表2所示。為了更清楚地觀測、比較復合地基的加固效果，控制填土的壓實度為75%，并嚴格控制填土的密度和含水率。

表2　黃土物理力學指標

試驗采用分層填筑壓實的方法進行填土。為保證樁身與樁周土體有足夠的摩擦，先在模型箱內填土40 cm，再將直徑為4 cm的鋼管壓入土中30 cm成孔，將預制好的樁放入孔中，再用細鋼筋將樁體周圍的土體搗實，保證樁和土體接觸良好。

樁周土填筑完畢后，在樁頂復合地基上鋪設3 cm的砂墊層，在砂墊層中部鋪設一層土工格柵，然后再填筑10 cm的土用來模擬路堤填土，并充分壓實。1.5測點布置

為了測試路堤荷載下的應力應變值，復合地基做好后在樁(帽)頂和樁間土上部布設土壓力盒；在加載板下中間一排3根樁上埋設了應變片；沿樁體每隔20 cm貼一個應變片。將土壓力盒和應變片的引線分別做好標記，并將應變片用膠封裹，做好防潮處理。土壓力盒與應變計布置如圖1所示。

1.6加載方法

試驗采用千斤頂進行人工加載。在加載過程中，由安放在加載板4個角上的百分表測量沉降板的變形。每級荷載作用下的最終變形值取4個百分表讀數(shù)的平均值。為保證試驗的準確性，采用逐級加載的方法，每級壓力為10 kPa，最大壓力為100 kPa。每隔30 min讀記承壓板沉降量，每次加載前后均應讀記。當1 h內沉降量小于0.1 mm時，進行下一級加載。試驗加載裝置如圖3所示。

圖3　加載裝置圖Fig.3 Figure of loading device

2實驗結果分析

2.1荷載—沉降變化規(guī)律

圖4為模型試驗得到的天然地基和加固后地基的荷載-沉降曲線。文中ZW，ZMW和ZF分別表示樁網、樁帽網和樁筏復合地基。

從圖中可以看出，當荷載處在較低水平時(荷載小于40 kPa)，天然地基和加固后地基的荷載沉降曲線基本都呈線性增長，且沉降數(shù)值相差不大，這表明地基土都處于彈性工作狀態(tài)；隨著荷載的增加，天然地基的沉降增加很快，而加固后的復合地基沉降比較均勻，且數(shù)值較小；當荷載增加到80 kPa時，天然地基變形持續(xù)發(fā)展，表明地基達到了極限承載力，而加固后的復合地基還可以繼續(xù)承載。當荷載達到100 kPa時，樁網復合地基最大沉降為8.9 mm，樁帽網復合地基最大沉降為7.2 mm，樁筏復合地基的最大沉降為5.1 mm。根據模型試驗的相似常數(shù)CS=1/10，得到100 kPa時，樁網、樁帽網和樁筏復合地基的實際沉降分別為89，72和51 mm。

由此可見，在同一荷載水平下，樁筏復合地基的沉降最小，承載力最高，樁帽網復合地基次之，樁網復合地基最小。也就是說，加設樁帽或混凝土板都可以明顯減小地基沉降。

圖4　地基的荷載—沉降曲線Fig.4 Load-settlement curves of foundations

2.2樁身應力隨深度的變化規(guī)律

由模型樁身表面粘貼的應變片，可測得不同荷載水平下混凝土的應變，經過換算得到不同深度的樁身應力值。圖5～7為3種不同地基加固形式下樁身應力隨深度的變化曲線。對比圖形可以得出以下結論：

3種復合地基的荷載-沉降曲線形狀相同，都是在不同荷載水平下，樁身應力沿深度先增加后逐漸衰減，最大應力出現(xiàn)在樁(帽)頂下10～20 cm處。這是因為樁、土沉降差異，使得樁側產生向下的摩阻力。

圖5　樁網復合地基樁身應力隨深度的變化曲線Fig.5 Curves of pile body stress of pile-net composite foundation with depth

圖6　樁帽網復合地基樁身應力隨深度的變化曲線Fig.6 Curves of pile body stress of pile-cap-net composite foundation with depth

圖7　樁筏復合地基樁身應力隨深度的變化曲線Fig.7 Curves of pile body stress of pile raft composite foundation with depth

2.3樁土應力比與樁土荷載分擔比的變化規(guī)律

在荷載作用下，復合地基中樁體和樁間土受力不同。若用σp表示樁(帽)頂應力，σs表示樁間土應力，則樁土應力比n=σp/σs。若用Pp表示樁(帽)承擔的荷載，用Ps表示樁間土承擔的荷載，P為總荷載，m為面積置換率，δP為樁體的荷載分擔比，δs為樁間土的荷載分擔比，則有δP=Pp/P=mn/[1+m(n-1)]，δs=Ps/P=(1-m)/ [1+m(n-1)]。本文由土壓力盒測試得到樁土應力值，再通過計算得到樁(帽)土荷載分擔比。

圖8～9為3種加固方式下樁土應力比與樁土荷載分擔比隨荷載的變化關系。從圖中可以看出，3種復合地基樁土應力比、樁體的荷載分擔比均隨荷載的增加而增加，而樁間土的荷載分擔比則減小。這表明外荷載越大，樁體分擔的荷載越大、樁間土分擔的荷載越小。3種復合地基中，樁筏復合地基樁土應力比最大、樁體的荷載分擔比也最大，而樁間土的荷載分擔比最小。這也表明樁筏復合地基更能發(fā)揮樁體的承載作用。

當荷載從10 kPa增加到100 kPa時，樁網、樁帽網和樁筏復合地基樁土應力比變化范圍分別從2.45，3.41和6.30增加到為3.09，5.08和7.12；相應的樁體荷載分擔比分別從0.14，0.54和0.59增加到0.18，0.64和0.69；而樁間土的荷載分擔比分別從0.86，0.81和0.70減小到0.82，0.74和0.67。

圖8　荷載與樁土應力比的變化關系曲線Fig.8 Curves of pile soil stress ratio with load

圖9　荷載與樁土荷載分擔比的關系曲線Fig.9 Curves of load pile and soil load sharing ratio with load

3結論

1)3種地基加固形式，在荷載作用下樁身應力總體上表現(xiàn)出隨深度衰減的特性，但衰減速度不同。其中，樁筏復合地基中樁分擔的荷載最大，樁網復合地基最小，這也是樁筏復合地基在荷載作用下，沉降較小的原因。

2)3種加固方式下樁土應力比均隨荷載的增加近似呈線性增加。其中，樁筏復合地基樁體分擔的荷載最多，樁帽網復合地基次之。

3)通過載荷試驗可知，3種加固方式對天然地基均有一定的加固效果。當荷載達到100 kPa時，樁網、樁帽網和樁筏復合地基的最大沉降分別為8.9，7.2和5.1 mm，有相似常數(shù)CS=1/10得到相應的實際沉降分別為89，72和51 mm。

4)通過以上計算對比分析可知：在路堤荷載作用下，樁筏復合在減小路基沉降、荷載分擔方面明顯優(yōu)于樁(帽)網復合地基。

參考文獻：

[1] 張愛軍,謝定義.復合地基三維數(shù)值分析[M].北京:科學出版社,2004.

ZHANG Aijun, Xie Dingyi. Three-dimensional numerical analysis of composite foundation [M]. Beijing:Science Press. 2004.

[2] 龔曉南.地基處理新技術[M].北京:中國水利水電出版社,2000.

GONG Xiaonan. New technology of foundation treatment [M]. Beijing: China Water & Power Press,2000.

[3] Card G B,Carter G R. Case history of a piled embanlanent in London's Docklands. Engineering Geology of Construction[M]. Geological Sociey Engineering Geology Special Publication, 1992,10:79-84.

[4] 趙春雨.樁筏復合地基沉降過程預測理論和方法研究[D].北京：北京交通大學,2012.

ZHAO Chunyu. Research on the theory and method for prediction of pile-raft composite foundation settlement process[D].Beijing:Beijing Jiaotong University,2012.

[5] 王炳龍,宮全美.CFG樁復合地基設計參數(shù)對地基沉降影響的數(shù)值分析[J].鐵道建筑,2009(7):24-26.

WANG Binglong,GONG Quanmei. Numerical analysis of the influence of design parameters on the settlement of pile composite foundation [J]. Railway Engineering,2009(7):24-26.

[6] 肖啟航,謝朝娟,黃啟舒.高速鐵路CFG樁筏復合地基沉降特性試驗研究[J].工程勘察,2010(11):6-10.

XIAO Qihang, XIE Chaojuan, HUANG Qishu. Experimental study on settlement performance of CFG pile-RC mat composite foundation of high railway[J]. Geotechnical Investigation & Surveying,2010(11):6-10.

[7] 付強,劉漢龍.莊妍,等.高速鐵路CFG樁筏復合地基沉降變形特性研究[J].鐵道科學與工程學報,2014,11(6):45-51.

FU Qiang, LIU Hanlong, ZHANG Yan, et al. Analysis of settlement characteristic of CFG pile raft composite foundation in high-speed railway[J]. Journal of Railway Science and Engineering,2014,11(6):45-51.

[8] 李曙光.高速鐵路CFG樁-帽-網復合地基沉降特性研究[D].成都：西南交通大學, 2009.

LI Shuguang. Study on settlement characters of CFG pile-cap-net composite foundation in high-speed railway[D]. Chengdu:Southwest Jiaotong University, 2009.

[9] 孫新彪.高速鐵路CFG樁復合地基承載特性研究[D]. 成都：西南交通大學, 2009.

SUN Xinbiao. Study on the vearing behavior of CFG-pile composite foundation for high-speed railway[D]. Chengdu:Southwest Jiaotong University, 2009.

Experimental study on CFG pile-(cap-)-net and pile-raft composite foundations of high speed railway

LI Shanzhen1, MA Xuening1, SHI Ruiguo2

(1.College of Civil Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China;2.Department of Architectural Engineering, Xingtai Polytechnic College, Xintai 054053, China)

Abstract:Based on the model test, the settlement and load transfer rule of pile-net, pile-cap and pile-raft composite foundations were analyzed. Although serveral differences are found among these composite foundations, the overall regularity is similar. All these composite foundations have a certain effect on settlement reducing, and the settlement has an exponential increase as the load increases. Among them, the settlement of pile-raft composite foundation is the minimum one. With the increase of depth, pile body stress increases firstly and then decreases. The maximum value appeared in a certain depth under the top of pile. As the load increases, the stress ratio of pile-soil increases linearly. Under the same load level (such as 100 kPa), the settlement and pile top stress of pile-raft composite foundation are minimum (5.1 mm, 142 kPa) while stress ratio of pile-soil is the maximum(7.12). So the reinforcement effect of pile-raft composite foundation is more significant. To a certain extent, the conclusions obtained by this paper can provide reference for the study of the composite foundation theory and engineering research.

Key words：high speed railway; composite foundation; bearing characteristic; settlement; model test

中圖分類號：U292.91+7

文獻標志碼：A

文章編號：1672-7029(2016)04-0600-06

通訊作者：馬學寧(1974-)，男，寧夏中衛(wèi)人，教授，從事巖土、道鐵等方面的教學與研究; E-mail: 65809626@qq.com

基金項目：國家自然科學基金資助項目(41562014)；長江學者和創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃資助項目(IRT1139)

收稿日期：2015-09-13