鐵路路堤填土柔性荷載下CFG樁復(fù)合地基沉降及樁身應(yīng)力研究

榮文文

(蘭州鐵道設(shè)計院有限公司，甘肅蘭州730000)

鐵路路堤填土柔性荷載下CFG樁復(fù)合地基沉降及樁身應(yīng)力研究

榮文文

(蘭州鐵道設(shè)計院有限公司，甘肅蘭州730000)

分別采用室內(nèi)模型試驗和有限元數(shù)值模擬分析不帶樁帽懸浮式、不帶樁帽支承式、帶樁帽懸浮式、帶樁帽支承式4種CFG樁復(fù)合地基在路堤填土柔性荷載下的沉降和樁身應(yīng)力分布規(guī)律。兩種分析方法的結(jié)果均表明:設(shè)置樁帽和支承式CFG樁均可以明顯減小復(fù)合地基的沉降，復(fù)合地基沉降大小不僅取決于樁間土的承載力，而且樁端持力層土的性質(zhì)也起很大作用;堅硬下臥層的存在可以讓樁體分擔更多的荷載，使得樁體承載力在全樁長范圍內(nèi)得到發(fā)揮，樁端應(yīng)力值增大;樁帽的設(shè)置使得樁身應(yīng)力值有所增大但不如下臥層影響明顯。

路堤填土柔性荷載 CFG樁復(fù)合地基 地基沉降 樁身應(yīng)力 分布規(guī)律

1 室內(nèi)模型試驗

為更好地揭示鐵路CFG樁復(fù)合地基在路堤填土柔性荷載下的受力性狀及對天然地基的加固效果，室內(nèi)模型試驗設(shè)計了帶樁帽懸浮式、不帶樁帽懸浮式、帶樁帽支承式和不帶樁帽支承式4種CFG樁復(fù)合地基來對比分析。

根據(jù)蘭渝鐵路蘭州樞紐北環(huán)線濕陷性黃土路段鐵路路堤所采用的復(fù)合地基處理措施，確定模型試驗CFG樁的樁身強度、路堤荷載的大小以及復(fù)合地基的布樁形式。復(fù)合地基原型布樁形式見圖1。1.1模型試驗設(shè)計

圖1 復(fù)合地基原型布樁形式

根據(jù)模型與原型幾何相似原理，結(jié)合實驗室所能提供的模型箱的尺寸，模型的幾何相似比為1∶10［4］。模型試驗樁間距取15 cm，梅花形布置，共設(shè)三排樁。樁體填埋處理好后樁頂和樁間土上部布置土壓力盒。原型CFG樁樁長為10 m，樁徑為40 cm，方形樁帽長×寬×高為80 cm×80 cm×30 cm。模型試驗預(yù)制的混凝土樁樁長100 cm，樁徑4 cm，方形樁帽長×寬×高為8 cm×8 cm×3 cm。模型樁在預(yù)制前，為使應(yīng)變片的受力能夠準確反映樁體的變形，將貼好應(yīng)變片的鋼筋固定在模具的中心位置，預(yù)埋的鋼筋長度同樁身的長度為100 cm，每隔20 cm在直徑為6 cm的光面鋼筋上粘貼2 mm×3 mm的電阻式應(yīng)變片。在模型箱底部鋪設(shè)5 cm厚的碎石模擬原型路堤堅硬的下臥層，試驗的布樁形式見圖2。

圖2 室內(nèi)模型試驗平面布樁形式(單位:cm)

試驗用土取自蘭渝鐵路蘭州樞紐北環(huán)線濕陷性黃土路段，最大干密度為1.86 g/cm3，最優(yōu)含水率為15%，壓縮模量為8 MPa。按照預(yù)定的壓實度分層均勻填筑并壓實［5］，樁體填埋后上面鋪設(shè)10 cm厚荷載傳遞墊層，以求與原型路堤結(jié)構(gòu)形式相同。采用反力架、千斤頂和加載板來模擬路堤填土柔性荷載作用，分5級進行加載，依次為20，40，60，80和100 kPa。

1.2 模型試驗結(jié)果

4種不同形式CFG樁復(fù)合地基的荷載—沉降曲線見圖3。

圖3 4種不同形式復(fù)合地基的荷載—沉降曲線

圖4 4種不同形式CFG樁復(fù)合地基樁體深度—樁身應(yīng)力曲線

圖5 天然地基和CFG樁復(fù)合地基的荷載—沉降曲線

由圖3可知，帶樁帽復(fù)合地基的沉降小于不帶樁帽復(fù)合地基，支承式復(fù)合地基沉降明顯小于懸浮式。說明設(shè)置樁帽和支承式CFG樁均可以明顯減小復(fù)合地基的沉降，復(fù)合地基沉降大小不僅取決于樁間土的承載力，而且樁端持力層的土的性質(zhì)也起到很大作用。

對4種不同形式CFG樁復(fù)合地基在柔性荷載下樁身應(yīng)力分布進行了測試。其樁體深度—樁身應(yīng)力曲線見圖4。由圖4可知，堅硬下臥層的存在使得復(fù)合地基中樁體承擔了更大的荷載，樁身應(yīng)力在全樁長范圍內(nèi)得到發(fā)揮，樁端應(yīng)力值增大，樁帽的存在也使得樁身應(yīng)力值有所增大但沒有下臥層的影響明顯。

天然地基和CFG樁復(fù)合地基的荷載—沉降曲線見圖5。由圖5可知，路堤填土柔性荷載下CFG樁復(fù)合地基的加固效果明顯好于天然地基。對天然地基，荷載水平達到90 kPa時沉降值為26.11 mm，此時地基土基本上喪失了承載能力。通過CFG樁加固的復(fù)合地基，當荷載水平達到100 kPa時，不帶樁帽懸浮式復(fù)合地基最大沉降值為12.18 mm，不帶樁帽支承式復(fù)合地基最大沉降值為7.38 mm，帶樁帽懸浮式復(fù)合地基最大沉降值為11.29 mm，帶樁帽支承式復(fù)合地基最大沉降值為5.96 mm，且4種CFG樁復(fù)合地基都沒有破壞。荷載達到100 kPa時，4種不同形式復(fù)合地基樁身最大和最小應(yīng)力值見表1。

表1 荷載100 kPa時復(fù)合地基樁身最大、最小應(yīng)力值kPa

2 有限元數(shù)值模擬計算分析

2.1 模型的建立

根據(jù)柔性荷載下CFG樁復(fù)合地基室內(nèi)模型試驗所采用的路堤幾何尺寸、地基填土、樁體、墊層等材料的各項參數(shù)確定有限元模型的相關(guān)參數(shù)［6-7］。

路基沿著線路的方向?qū)ΨQ向兩邊延伸，與室內(nèi)模型試驗相似，按照三排樁制作了模型，數(shù)值模擬4種不同形式的CFG樁復(fù)合地基?？紤]到復(fù)合地基中樁身對下臥層產(chǎn)生的附加應(yīng)力及對下臥層沉降的影響深度，地基土的計算深度取為最大樁長的2倍［8］，原型樁長為10 m，則模型的計算深度取為20 m。有限元計算幾何模型見圖6。

圖6 有限元計算分析幾何模型(單位:m)

表2 有限元計算分析幾何模型參數(shù)

圖7 復(fù)合地基樁頂沉降曲線

室內(nèi)模型試驗?zāi)M路堤填土柔性荷載作用分5級加載，為了與室內(nèi)模型試驗的加載過程相似，將原型路堤等分為5層，每層厚度1 m，依次加載作為路堤填土柔性荷載［9］。按照土壓力理論，經(jīng)過計算可知，路堤填土1，2，3，4，5 m時的柔性荷載值分別為20，40，60，80，100 kPa。有限元計算分析幾何模型參數(shù)見表2。

2.2 有限元計算分析

中間一排樁最能反映復(fù)合地基的群樁效應(yīng)，取復(fù)合地基三排樁中的中間一排樁的沉降值進行分析［9］。4種不同形式CFG樁復(fù)合地基樁頂沉降曲線見圖7。由圖7可見，支承式復(fù)合地基沉降明顯小于懸浮式，帶樁帽復(fù)合地基的沉降小于不帶樁帽復(fù)合地基。說明設(shè)置樁帽和支承式CFG樁均可以明顯減小復(fù)合地基的沉降。此結(jié)論與室內(nèi)模型試驗所得到的復(fù)合地基沉降規(guī)律相同。

當路堤填土為5 m，相當于路堤填土柔性荷載水平達到100 kPa時，不帶樁帽懸浮式復(fù)合地基最大沉降值為92.54 mm，不帶樁帽支承式復(fù)合地基最大沉降值為43.29 mm，帶樁帽懸浮式復(fù)合地基最大沉降值為83.44 mm，帶樁帽支承式復(fù)合地基最大沉降值為40.82 mm。

為了與室內(nèi)模型試驗結(jié)果進行對比，以路堤下最靠近路堤中心線的中間一排樁的應(yīng)力平均值為研究對象進行樁身應(yīng)力分析。CFG樁復(fù)合地基樁體深度—樁身應(yīng)力曲線見圖8。

圖8 復(fù)合地基樁體深度—樁身應(yīng)力

由圖8可知，兩種懸浮式復(fù)合地基樁身應(yīng)力分布規(guī)律一致，兩種支承式復(fù)合地基樁身應(yīng)力分布規(guī)律一致。樁身應(yīng)力峰值出現(xiàn)在樁身1 m附近，支承式復(fù)合地基中樁端應(yīng)力明顯大于懸浮式，支承式樁身應(yīng)力整體上都大于懸浮式。說明堅硬下臥層的存在可以讓樁體分擔更多的荷載，使得樁體承載力在全樁長范圍內(nèi)得到發(fā)揮。樁帽的設(shè)置一定程度上提高了樁身應(yīng)力，樁帽對樁身應(yīng)力的分布有影響但是影響較小。此結(jié)論與室內(nèi)模型試驗結(jié)果基本一致。

當路堤填土為5 m，相當于路堤填土柔性荷載水平達到100 kPa時，4種不同形式CFG樁復(fù)合地基樁身最大和最小應(yīng)力值見表3。

表3 荷載100 kPa時復(fù)合地基樁身最大、最小應(yīng)力值kPa

3 結(jié)論

分別采用室內(nèi)模型試驗和有限元數(shù)值模擬分析不帶樁帽懸浮式、不帶樁帽支承式、帶樁帽懸浮式、帶樁帽支承式4種不同形式CFG樁復(fù)合地基在路堤填土柔性荷載下的沉降和樁身應(yīng)力分布規(guī)律。結(jié)果表明:室內(nèi)模型試驗和有限元數(shù)值模擬計算分析的結(jié)果基本一致，即下臥層的存在使得復(fù)合地基中樁體承擔了更大的荷載，并且使得樁身應(yīng)力在全樁長范圍內(nèi)得到發(fā)揮，樁端的應(yīng)力值增大;樁帽的設(shè)置使得樁身應(yīng)力值有所增大，但不如下臥層影響明顯。

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(責任審編葛全紅)

TU473.1

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.02.24

1003-1995(2015)02-0085-04

2014-09-10;

2014-11-25

榮文文(1981—)，男，寧夏西吉人，工程師。

CFG樁是水泥粉煤灰碎石樁的簡稱。它是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌合形成的高粘結(jié)強度樁，和樁間土、樁端下臥層和褥墊層一起形成復(fù)合地基。CFG樁復(fù)合地基的受力和變形特性受到基礎(chǔ)形式、各個組成部分之間的相互關(guān)系等因素影響［1］。

隨著鐵路建設(shè)的發(fā)展，CFG樁復(fù)合地基廣泛地應(yīng)用于高速鐵路的軟土、濕陷性黃土地基處理中［2］。在路堤填土柔性荷載下CFG樁復(fù)合地基的工作機理不同于剛性基礎(chǔ)下［3］，其結(jié)構(gòu)形式的選取、設(shè)計計算理論以及在不同地質(zhì)條件下的施工工藝都有待進一步的研究。本文以蘭渝鐵路蘭州樞紐北環(huán)線濕陷性黃土地基處理為依托，分析研究路堤填土柔性荷載下CFG樁復(fù)合地基的沉降規(guī)律和樁身應(yīng)力分布規(guī)律。首先進行路堤填土柔性荷載下CFG樁復(fù)合地基的室內(nèi)模型試驗研究。然后利用相似理論，采用有限元模擬計算分析方法對鐵路原型CFG樁進行分析研究，最后將兩者的CFG樁研究結(jié)果進行定性比較分析，總結(jié)歸納柔性荷載下CFG樁復(fù)合地基的工作性狀，以期為同類型工程提供借鑒。