循環(huán)荷載作用下有無側(cè)向約束復(fù)合地基沉降對比分析

肖佳興，劉 杰，何 杰，陳小巍

（湖南工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

0 引言

我國廣泛分布著深厚的軟粘土層，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，在軟土地區(qū)修建高速鐵路、高速公路是不可避免的。在軟粘土地區(qū)施工時(shí)常要進(jìn)行地基處理，夯實(shí)水泥土樁復(fù)合地基是軟粘地區(qū)進(jìn)行地基處理的一種常用方法。對于高速公路、高速鐵路等工程來說，其荷載不僅包括靜荷載，還包括動荷載。目前，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對循環(huán)荷載作用下軟粘土的特性做了較多試驗(yàn)研究：胡亞元[1-2]通過一維等效時(shí)間線模型和一維條件下軟土“最終”沉降與應(yīng)力路徑無關(guān)的性質(zhì)，獲得正弦循環(huán)荷載作用下路堤運(yùn)行期間長期總沉降和工后沉降近似計(jì)算公式。黃茂松等人[3]在考慮影響飽和軟黏土循環(huán)荷載下軸向循環(huán)塑性累積應(yīng)變的應(yīng)力歷史、動偏應(yīng)力水平及第一次軸向循環(huán)塑性累積應(yīng)變與圍壓歸一化基礎(chǔ)上，提出了計(jì)算飽和軟黏土軸向循環(huán)塑性累積應(yīng)變顯式模型。Parr等人[4]提出了基于臨界狀態(tài)及動偏應(yīng)力水平的飽和軟黏土循環(huán)加載下軸向循環(huán)塑性累積應(yīng)變，將Ponter提出的“均勻化”理論[5]應(yīng)用于公路、鐵路路基在交通荷載作用下的沉降計(jì)算?！熬鶆蚧崩碚撃Ｐ瓦m用于重復(fù)荷載的周期與材料的特征時(shí)間（包括流變和固結(jié)等）相比很小的情況。C. L. Monismith[6]、周建[7]、蔣軍[8]等人曾對軟粘土進(jìn)行過一系列循環(huán)試驗(yàn)，并提出了一系列經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。白順果等人[9-10]通過循環(huán)荷載作用下水泥土樁復(fù)合地基的室內(nèi)模型試驗(yàn)，探討了影響地基沉降的因素。但循環(huán)荷載作用下側(cè)向約束復(fù)合地基的性狀研究成果甚少。因此本文擬通過室內(nèi)大比例模型試驗(yàn)，模擬循環(huán)荷載作用下墊層、加固區(qū)和下臥層相互作用，研究循環(huán)荷載作用下在有無側(cè)向約束條件下夯實(shí)水泥土樁復(fù)合地基沉降的傳遞規(guī)律，同時(shí)，基于室內(nèi)大比例模型對比試驗(yàn)結(jié)果，分析側(cè)向約束對夯實(shí)水泥土樁復(fù)合地基變形性狀的影響。

1 模型試驗(yàn)

1.1 模型試驗(yàn)概況

模型試驗(yàn)在 2000mm×2000mm×1500mm（長×寬×高）的模型箱內(nèi)進(jìn)行。模型箱內(nèi)分層填筑軟粘土，每層填筑厚度為200mm，并用平板振動器來回振動壓實(shí)2次，以確保分層壓實(shí)的均勻性。模型箱內(nèi)填土結(jié)束靜置1周后進(jìn)行夯實(shí)水泥土樁的制作，樁體材料為粘土與水泥混合料，粘土中水的含量為35 %，水泥采用#325 普通硅酸鹽水泥，水泥摻入比為 10%。夯實(shí)水泥土樁的制作采用帶芯桿的PVC管成孔，芯桿由圓木制成，直徑略小于PVC管內(nèi)徑，長度與PVC等長，PVC管外徑與夯實(shí)水泥土樁直徑相同。夯實(shí)水泥土樁的制作是根據(jù)夯實(shí)水泥土樁的樁長，將帶芯桿的PVC管壓入土中，取出芯桿，并將PVC管上拔100 mm，然后在孔內(nèi)夯填水泥與粘土混合料，夯填質(zhì)量按壓實(shí)度為85%，采用填料體積用量控制，當(dāng)?shù)谝欢蔚膲簩?shí)質(zhì)量滿足要求后，再將PVC管上拔100 mm，采用同樣的方法在孔內(nèi)夯填水泥與粘土混合料，重復(fù)上述操作直至一根夯實(shí)水泥土樁的制作完成。夯實(shí)水泥土樁復(fù)合地基模型豎向從上到下依次為 50 mm厚砂墊層、900 mm 厚的加固層和 600 mm 厚的下臥層。復(fù)合地基中夯實(shí)水泥土樁的樁徑為 75 mm，樁長為 0.9 m，樁間距為 225 mm，正方形布置。有側(cè)向約束復(fù)合地基中的約束樁采用圓木制成，樁徑為200 mm，與夯實(shí)水泥土樁的中心距為200 mm，有無側(cè)向約束復(fù)合地基中樁的平面布置及樁數(shù)如圖1所示。

圖1 加載區(qū)域圖Fig.1 Load area

在復(fù)合地基模型制作完成，靜置28天后進(jìn)行土工參數(shù)的測試（測試結(jié)果見表1）、復(fù)合地基靜載試驗(yàn)及循環(huán)荷載試驗(yàn)。

表 1 土的物理力學(xué)指標(biāo)Table1 Physical and mechanical properties of soil

循環(huán)荷載試驗(yàn)采用剛性承載板加載，剛性承載板為邊長500 mm，厚 20 mm正方形鋼板，有無側(cè)向約束復(fù)合地基模型試驗(yàn)加載區(qū)域和加載裝置示意如圖1～2所示。

圖2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ推拭鎴DFig.2 The test model section

為了模擬交通荷載的特性，采用連續(xù)的正弦加載曲線作為動力加載曲線，加載設(shè)備為西安力創(chuàng)多點(diǎn)協(xié)調(diào)加載試驗(yàn)系統(tǒng)自動控制加載的波形、頻率和次數(shù)。

1.2 循環(huán)荷載的施加

本模型試驗(yàn)考慮豎向加載，采用連續(xù)的正弦加載曲線作為動力加載曲線。具體試驗(yàn)加載區(qū)域見圖1，試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛿嗝嬉妶D2，沉降采用百分表測量。本實(shí)驗(yàn)采用加載頻率為2 Hz，循環(huán)荷載比（Rc=Pmax/Pu，Pmax為循環(huán)荷載的峰值，Pu為復(fù)合地基極限承載力，本文中Pu的值是通過靜載荷確定的）為 0.30，0.35，0.40，0.45，0.50，0.55，0.60；加載次數(shù)均為5 000次。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖3為加載頻率是2 Hz情況下，有無側(cè)向約束的復(fù)合地基在循環(huán)荷載施加5 000次后，載荷板沉降與循環(huán)荷載比關(guān)系的實(shí)測曲線。

圖3 載荷板沉降和循環(huán)荷載比關(guān)系Fig.3 Relation of load plate settlement and cyclic load ratio

從圖3中可以看出：在循環(huán)荷載作用次數(shù)及加載頻率相同的條件下，載荷板的沉降均隨循環(huán)荷載比的增加而增大；有側(cè)向約束的復(fù)合地基的沉降明顯小于無側(cè)向約束的復(fù)合地基的沉降，且隨著循環(huán)荷載比的增加，兩者的差值越來越大。

圖4為加載頻率是2 Hz情況下，有無側(cè)向約束的復(fù)合地基在循環(huán)荷載施加5 000次后，樁間土沉降與循環(huán)荷載比關(guān)系的實(shí)測曲線。

圖4 樁間土沉降和循環(huán)荷載比關(guān)系Fig.4 Relation of soil settlement and cyclic load ratio

從圖4中可以看出：在循環(huán)荷載作用次數(shù)及加載頻率相同的條件下，樁間土的沉降值隨循環(huán)荷載比的增加而增大。當(dāng)循環(huán)荷載比小于0.45時(shí)，有無側(cè)向約束的復(fù)合地基樁間土的沉降差不顯著，當(dāng)循環(huán)荷載比大于0.45時(shí)，有側(cè)向約束的復(fù)合地基樁間土的沉降明顯小于無側(cè)向約束的復(fù)合地基樁間土的沉降，且隨著循環(huán)荷載比的增加，兩者的差值越來越大，且有側(cè)向約束的復(fù)合地基沉降隨循環(huán)荷載比增加的趨勢明顯比無側(cè)向約束復(fù)合地基沉降增加趨勢要平緩。

圖5為加載頻率是2 Hz情況下，有無側(cè)向約束的復(fù)合地基在循環(huán)荷載施加5 000次后，樁沉降與循環(huán)荷載比關(guān)系的實(shí)測曲線。

圖5 樁沉降和循環(huán)荷載比關(guān)系Fig.5 Relation of pile settlement and cyclic load ratio

從圖5中可以看出：樁的沉降均隨循環(huán)荷載比的增加而增加。當(dāng)循環(huán)荷載比小于0.40時(shí)有無側(cè)向約束的復(fù)合地基中樁的沉降差值不明顯；當(dāng)循環(huán)荷載比大于0.40時(shí)，有側(cè)向約束的復(fù)合地基中，樁的沉降明顯小于無側(cè)向約束的復(fù)合地基中樁的沉降，并隨著循環(huán)荷載比的增加，兩者的差值越來越大，且有側(cè)向約束的復(fù)合地基樁的沉降隨循環(huán)荷載比增加的趨勢，明顯比無側(cè)向約束復(fù)合地基樁的沉降增加趨勢要平緩。

3 結(jié)論

1）在循環(huán)荷載作用次數(shù)及加載頻率相同的條件下，有側(cè)向約束的復(fù)合地基的沉降明顯小于無側(cè)向約束的復(fù)合地基的沉降；因此，在軟土地基中可通過設(shè)置側(cè)向約束來限制軟土的側(cè)向變形，從而達(dá)到降低復(fù)合地基的沉降，提高復(fù)合地基的承載力該方法具有良好的效果；

2）當(dāng)循環(huán)荷載比小于0.40時(shí)，側(cè)向約束對限制軟土側(cè)向變形的作用還不能發(fā)揮；只有當(dāng)循環(huán)荷載比大于0.40后，側(cè)向約束對限制軟土側(cè)向變形、降低地基沉降的作用才能逐步體現(xiàn)出來。

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