循環(huán)荷載下樁承加筋復(fù)合地基中土工格柵變形試驗(yàn)研究★

邵 洪 槐

(中國(guó)石化銷售浙江石油分公司，浙江 杭州 310009)

1 概述

土工格柵具有強(qiáng)度高、變形小、耐久性好等特點(diǎn)，常和樁一同設(shè)置于軟土路基中組成樁承加筋路基，用于解決軟土路基承載力低，整體變形及不均勻沉降較大的問題[1，2]。唐曉松等[3]通過(guò)有限元分析發(fā)現(xiàn)土工格柵模量對(duì)路堤加固效果影響顯著。謝新宇等[4]、周娟[5]的研究表明在復(fù)合地基中設(shè)置土工格柵能有效減小地基的不均勻沉降。曹新文等[6]、劉飛禹等[7]的研究表明樁承加筋路基中鋪設(shè)土工格柵能夠有效改善附加應(yīng)力的傳遞。劉開富等[8]通過(guò)模型試驗(yàn)探究了靜荷載下土工格柵應(yīng)變值與平面位置間的關(guān)系。

考慮到循環(huán)荷載的作用，張孟喜等[9]通過(guò)拉伸試驗(yàn)研究了循環(huán)荷載的大小、頻率和預(yù)拉力對(duì)土工格柵動(dòng)應(yīng)變和軟化指數(shù)的影響；張興強(qiáng)等[10]通過(guò)數(shù)值分析研究交通荷載作用下土工格柵的加筋效果和機(jī)理。胡意[11]、許家培[12]通過(guò)模型試驗(yàn)研究了循環(huán)荷載作用下土工格柵在不同樁支承條件下的變形性狀。總體上對(duì)循環(huán)荷載下的剛?cè)嵝詷都咏顝?fù)合地基中土工格柵的變形研究還不夠深入。

因此，本文以剛?cè)嵝詷都咏顝?fù)合地基中的土工格柵為研究對(duì)象設(shè)置了3組模型試驗(yàn)，分析不同頻率及幅值的循環(huán)荷載作用下剛?cè)嵝詷都咏盥坊型凉じ駯诺膽?yīng)變變化規(guī)律，以探究交通荷載下土工格柵的變形性狀。

2 試驗(yàn)簡(jiǎn)介

2.1 試驗(yàn)材料

地基模型中土層自下而上分別為粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土，模擬軟土地區(qū)常見的地層；并在上部鋪設(shè)砂墊層模擬路堤填土。試驗(yàn)土體均取自杭州地區(qū)，其物理指標(biāo)如表1所示。

表1 地基土層的基本物理指標(biāo)

周小鳳等[13]的研究表明，雙向土工格柵加筋效果優(yōu)于單向和三向土工格柵，因此模型中選用雙向土工格柵；土工格柵采用雙向拉伸塑料格柵，具體型號(hào)為TGSG30-30。

剛性樁采用鋼管模擬，柔性樁采用PVC管模擬。剛性樁與柔性樁的管徑均為50 mm，壁厚均為2 mm。兩種樁在彈性模量上的比值近似于工程實(shí)際中的剛性樁與柔性樁的比值。

2.2 試驗(yàn)簡(jiǎn)介

1)模型箱布置與加載裝置。

加載試驗(yàn)在自制模型箱中進(jìn)行，模型箱采用鋼板圍焊而成，并在一側(cè)采用鋼化玻璃代替鋼板。模型箱內(nèi)壁凈尺寸為1.5 m×0.9 m×1.7 m(長(zhǎng)×寬×高)，具體情況如圖1所示。試驗(yàn)加載通過(guò)伺服液壓系統(tǒng)進(jìn)行，加載板平面尺寸為0.8 m×0.8 m。

2)應(yīng)變片布置。

為觀察土工格柵的應(yīng)變變化情況，在土工格柵上布置應(yīng)變片，應(yīng)變片布置如圖2所示；其中1號(hào)測(cè)點(diǎn)位于樁間土，2號(hào)測(cè)點(diǎn)位于柔性樁樁側(cè)，3號(hào)測(cè)點(diǎn)位于剛性樁附近。

3)加載方案。

循環(huán)荷載加載曲線如圖3所示，為正弦波循環(huán)荷載。本文擬通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比分析循環(huán)荷載作用下不同幅值和頻率的樁承加筋復(fù)合地基中土工格柵的應(yīng)變變化，加載方案如表2所示，根據(jù)循環(huán)荷載的振幅和頻率，共設(shè)置5組加載方案，每組試驗(yàn)循環(huán)加載100次。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

表2 循環(huán)荷載加載方案

試驗(yàn)編號(hào)12345荷載大小Pmax/kN4443.55P/kN33333Pmin/kN2222.51頻率f/Hz0.51211循環(huán)次數(shù)n/次100100100100100荷載波形正弦正弦正弦正弦正弦

循環(huán)荷載作用下，土工格柵應(yīng)變隨荷載循環(huán)次數(shù)增大而不斷變化，是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程[11]。考慮到循環(huán)次數(shù)過(guò)多時(shí)應(yīng)變曲線會(huì)非常密集，導(dǎo)致無(wú)法看清單次循環(huán)內(nèi)的土工格柵應(yīng)變變化情況，故僅選取循環(huán)次數(shù)為55～65時(shí)土工格柵的應(yīng)變曲線進(jìn)行分析。

3.1 循環(huán)荷載的幅值對(duì)土工格柵應(yīng)變的影響

圖4為循環(huán)次數(shù)從55增大到65時(shí)不同加載幅值下各測(cè)點(diǎn)土工格柵應(yīng)變—循環(huán)次數(shù)曲線。由圖4可知，循環(huán)荷載作用下土工格柵的應(yīng)變值隨著上部荷載的加載曲線波動(dòng)而發(fā)生變化；隨著循環(huán)荷載幅值的增大，土工格柵應(yīng)變的變化幅度也隨之增大。由圖4還可知，位于柔性樁側(cè)的2號(hào)測(cè)點(diǎn)處土工格柵應(yīng)變的變化幅度大于其他測(cè)點(diǎn)，如上部荷載的幅值為0.5 kN時(shí)應(yīng)變幅值約8.7 με，上部荷載的幅值為1 kN時(shí)應(yīng)變幅值約為19.9 με，上部荷載的幅值為2kN時(shí)應(yīng)變幅值約為43.6 με；這表明荷載幅值增大時(shí)，土工格柵應(yīng)變幅值與荷載幅值的增大隨之增大，但其不是一個(gè)定值。

實(shí)際工程中，復(fù)合地基或路基上部的荷載振幅是多變的，與車輛大小、載重等有關(guān)，工程設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮荷載振幅最大的情況下柔性樁樁邊(2號(hào)測(cè)點(diǎn))處土工格柵的工作性狀。

3.2 循環(huán)荷載的頻率對(duì)土工格柵應(yīng)變的影響

圖5為不同加載頻率下各測(cè)點(diǎn)的土工格柵應(yīng)變—循環(huán)次數(shù)曲線。由圖5可知，加載頻率的改變對(duì)土工格柵的應(yīng)變幅值影響較小，但會(huì)影響土工格柵應(yīng)變值隨循環(huán)次數(shù)變化的規(guī)律。增大荷載頻率時(shí)，1號(hào)測(cè)點(diǎn)處的土工格柵的應(yīng)變值處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)；2號(hào)測(cè)點(diǎn)處的土工格柵應(yīng)變值在0.5 Hz的荷載作用下隨著循環(huán)次數(shù)增大而減小，在1 Hz的荷載作用下隨著循環(huán)次數(shù)增大而增大，在2 Hz的荷載作用下應(yīng)變值相對(duì)穩(wěn)定；3號(hào)測(cè)點(diǎn)在0.5 Hz的荷載作用下應(yīng)變值隨著循環(huán)次數(shù)增大而減小，而在1 Hz及2 Hz的荷載作用下應(yīng)變值處于比較穩(wěn)定的狀態(tài)。由圖5還可知，不同頻率荷載作用下，2號(hào)測(cè)點(diǎn)(柔性樁樁側(cè))處的土工格柵應(yīng)變的變化幅值均大于其他測(cè)點(diǎn)，3號(hào)測(cè)點(diǎn)(剛性樁附近)處的土工格柵應(yīng)變的變化幅值大于1號(hào)測(cè)點(diǎn)(樁間土)處的。這個(gè)規(guī)律與前文所得的循環(huán)荷載幅值對(duì)土工格柵應(yīng)變的影響規(guī)律相似。

實(shí)際工程中，交通荷載的頻率是不確定的，與車速有關(guān)，工程設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮不同頻率荷載的變化對(duì)柔性樁樁邊(2號(hào)測(cè)點(diǎn))位置土工格柵工作性狀的影響。

4 結(jié)論與建議

通過(guò)模型試驗(yàn)對(duì)復(fù)合地基進(jìn)行循環(huán)加載，探究了剛?cè)嵝詷都咏盥坊型凉じ駯诺膽?yīng)變變化規(guī)律，得出如下結(jié)論：

1)正弦波循環(huán)荷載下土工格柵的應(yīng)變變化規(guī)律與上部荷載密切相關(guān)，改變荷載幅值和頻率時(shí)，土工格柵上的應(yīng)變會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。

2)在循環(huán)荷載作用下，柔性樁樁邊土工格柵上的應(yīng)變變化幅值最大，其受荷載幅值、頻率變化的影響也最大。因此，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)及應(yīng)用中需考慮交通荷載作用下柔性樁樁側(cè)位置的土工格柵變形、強(qiáng)度等問題。