樁間距和樁帽寬度影響土拱效應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

陳 洋, 李國(guó)維, 楊 濤, 馬鵬真

(1.上海理工大學(xué) 環(huán)境與建筑學(xué)院,上海 200093; 2.河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院,南京 210098)

樁間距和樁帽寬度影響土拱效應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

陳 洋1, 李國(guó)維2, 楊 濤1, 馬鵬真1

(1.上海理工大學(xué) 環(huán)境與建筑學(xué)院,上海 200093; 2.河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院,南京 210098)

為了研究樁間距和樁帽寬度對(duì)樁承式加筋路堤土拱效應(yīng)的影響,在廣清高速公路拓寬工程慶豐收費(fèi)站進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),實(shí)測(cè)了路堤荷載下不同樁間距和樁帽寬度下樁帽及樁間土表面的豎向土壓力,據(jù)此獲得土拱高度與樁帽凈距的關(guān)系.試驗(yàn)結(jié)果表明,樁間土表面豎向應(yīng)力近似均勻分布.當(dāng)樁帽凈距數(shù)值超過(guò)1.0 m以后,土拱高度隨樁帽凈距的增加而減小.樁帽-土應(yīng)力比隨路堤荷載的增加而增大,隨樁帽寬度和樁間距的增加而減小.樁帽荷載分擔(dān)比隨路堤荷載和樁帽寬度的增加而增大,隨樁間距的增加而減小.樁間土荷載分擔(dān)比隨路堤荷載和樁帽寬度的增加而減小,隨樁間距的增加而增大.

樁承式加筋路堤; 土拱效應(yīng); PHC樁; 樁帽-土應(yīng)力比; 荷載分擔(dān)比

工程實(shí)踐表明,軟土地區(qū)公路和鐵路建設(shè)中采用樁承式加筋路堤技術(shù),施工速度快,路堤沉降、不均勻沉降和側(cè)向變形小且穩(wěn)定性好.因此,樁承式加筋路堤在國(guó)內(nèi)外公路和鐵路建設(shè)中都得到了廣泛的應(yīng)用.

根據(jù)路堤中是否加筋,樁承式路堤分為無(wú)筋和加筋樁承式路堤這兩種類型.樁承式加筋路堤由路堤填料(包括砂石墊層)、水平加筋體、帶帽剛性樁、地基土4部分組成,4部分彼此相互作用,承載機(jī)理非常復(fù)雜.國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)室內(nèi)縮尺模型試驗(yàn)研究了樁承式路堤的承載特性[1-10],包括土拱形態(tài)、土拱效應(yīng)以及它們各自的演化過(guò)程、加筋拉膜效應(yīng)及其機(jī)理以及各因素的影響.由于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)可以考慮實(shí)際工程的地質(zhì)和路堤荷載條件,克服了模型試驗(yàn)中模型尺寸效應(yīng)的影響,所以,樁承式路堤現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)越來(lái)越受到重視.Liu等[11]和Chen等[12]分別對(duì)上海和浙江省軟土地區(qū)上的無(wú)筋和加筋樁承式路堤進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn).Wachman等[13]和Brian?on等[14]分別在美國(guó)和法國(guó)進(jìn)行了軟土地基上樁承式加筋路堤現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn).鄭俊杰等[15]針對(duì)中低壓縮性土地基上的寧—安城際鐵路樁承式加筋路堤進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn).在這些現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中,通過(guò)樁帽和樁間土頂面豎向壓力、土工格柵應(yīng)變、地基土孔隙水壓力、樁帽頂和樁間土沉降以及地基土側(cè)向位移等項(xiàng)目的觀測(cè),驗(yàn)證了土拱效應(yīng)和加筋拉膜效應(yīng),評(píng)價(jià)了樁承式無(wú)筋和加筋路堤地基土固結(jié)特性及控制路堤沉降的效果.

帶帽PHC(預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土)樁樁承式加筋路堤在我國(guó)的應(yīng)用越來(lái)越多.由于PHC樁混凝土強(qiáng)度等級(jí)很高(大于C60),這就為采用疏樁加固方案創(chuàng)造了條件.迄今為止,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究樁間距和樁帽寬度對(duì)樁承式加筋路堤承載特性影響的成果不多.廣清高速公路擴(kuò)建工程慶豐收費(fèi)站采用了大面積PHC樁樁承式加筋路堤技術(shù),本文通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),分析、比較了不同樁間距和樁帽寬度條件下樁承式加筋路堤中土拱高度與土拱效應(yīng)特性,以期為工程設(shè)計(jì)提供參考.

1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

1.1 工程概況

廣東省廣州—清遠(yuǎn)高速公路改擴(kuò)建工程起點(diǎn)為慶豐收費(fèi)站K2+890,終點(diǎn)位于橫荷立交K60+450,路線全長(zhǎng)57.56 km,正常加寬方式為雙側(cè)拓寬,每側(cè)拓寬8.25 m,擴(kuò)建后為8車道,路基寬度41 m,設(shè)計(jì)車速100 km/h.

工程先行試驗(yàn)段位于慶豐段至朝陽(yáng)段之間.為了研究不同樁間距和樁帽寬度下樁承式加筋路堤的土拱效應(yīng),選擇橫向處理寬度達(dá)47.1～65.4 m,可容納12出貨車的慶豐收費(fèi)站左幅(K4+450—K4+550)路堤作為本次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)場(chǎng)地,該試驗(yàn)段拓寬路堤采用懸臂式擋土墻代替路堤放坡.試驗(yàn)段地基土自上而下分布如下:a.素填土,厚度約0.8～1.2 m,灰褐～褐黃色,軟塑～可塑狀;b.淤泥,厚度約7.2～9.2 m,灰黑～深灰色,流塑～軟塑狀,含粉細(xì)砂,為主要軟弱土層;c.淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土,厚度1.5～3.6 m,灰～深灰色,軟塑狀;d.粗砂,3.5～5.7 m,稍密～中密狀;e.全風(fēng)化～強(qiáng)風(fēng)化砂巖.主要土層的天然含水量ω、孔隙比e、壓縮模量Es、凝聚力c和內(nèi)摩擦角φ等物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)如表1所示.

表1 試驗(yàn)段土層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)

試驗(yàn)段路堤填土高度約3.82～4.06 m.軟基采用帶帽PHC管樁+碎石墊層+鋼塑土工格柵加固.PHC樁型號(hào)為PHC-A300(70),外徑0.3 m,壁厚0.07 m.方形樁帽厚度0.4 m.樁頂鋪設(shè)厚0.4 m的碎石墊層.墊層中部和頂面各鋪設(shè)一層土工格柵,格柵極限抗拉強(qiáng)度為80 kN/m.設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)9～13 m,樁端穿透淤泥和淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土進(jìn)入粗砂層.圖1為試驗(yàn)段地基加固現(xiàn)場(chǎng)圖.

1.2 試驗(yàn)方案

為了研究預(yù)應(yīng)力PHC樁樁間距和樁帽尺寸的變化對(duì)樁帽-土荷載分擔(dān)與傳遞特性的影響,分別在K4+460—K4+510和K4+510—K4+560斷面之間設(shè)計(jì)了樁間距s=3.0 m和s=2.5 m、樁帽寬度a=1.2 m和a=1.5 m共4種工況下的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),如表2所示,表中給出了相應(yīng)工況下的樁帽凈距.

圖1 試驗(yàn)段地基加固現(xiàn)場(chǎng)

位置工況a/ms/m(s-a)/mK4+510-K4+560A11.22.51.3A21.52.51.0K4+460-K4+510B11.23.01.8B21.53.01.5

試驗(yàn)采用常州金土木工程儀器有限公司生產(chǎn)的JTM-V2000A型振弦式二次感應(yīng)土壓力計(jì)測(cè)量樁帽和樁間土表面土壓力,土壓力計(jì)量程0.6 MPa.現(xiàn)場(chǎng)埋設(shè)采用砂墊層法:在樁帽頂面和樁間土表面鋪設(shè)5 cm左右的細(xì)砂并夯實(shí),使樁帽頂面與樁間土表面在同一高程,然后在樁頂、二樁中間和四樁中心樁間土處放置土壓力計(jì),再鋪設(shè)10～15 cm厚的細(xì)砂并夯實(shí),最后將土壓力計(jì)的導(dǎo)線通過(guò)PVC管引出基底范圍以便后期測(cè)量,如圖2所示.圖3給出了試驗(yàn)場(chǎng)中2-8#和3-12#這2根PHC樁單樁靜荷載試驗(yàn)獲得的荷載-沉降曲線,可見P-S曲線呈陡降型,2根PHC樁單樁極限承載力分別超過(guò)240 kN和300 kN.P為荷載,S為沉降.

圖2 土壓力計(jì)布設(shè)圖

圖3 單樁靜載荷試驗(yàn)曲線

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖4給出了試驗(yàn)點(diǎn)路堤填筑厚度時(shí)程線,B1和B2,A1和A2工況試驗(yàn)點(diǎn)分別位于K4+500和K4+530斷面附近,路堤填土重度為19.12 kN/m3.t為時(shí)間.圖4表明,試驗(yàn)結(jié)束時(shí)K4+500和K4+530斷面的填筑高度分別為3.04 m和3.88 m.由于試驗(yàn)段地處大面積填土的慶豐收費(fèi)站,受力變形類似樁承式加筋路堤,與主線上標(biāo)準(zhǔn)拓寬路堤不同.

圖5為試驗(yàn)獲得的4個(gè)工況下樁帽與樁間土表面土壓力隨填土荷載的變化曲線,填土荷載是根據(jù)土的重度和填土厚度計(jì)算的近似值.從圖5可以看出,4個(gè)工況下四樁中心樁間土土壓力測(cè)值與二樁中心樁間土土壓力測(cè)值非常接近,說(shuō)明樁間土表面豎向應(yīng)力接近均勻分布.隨著路堤填筑高度的增加,填土荷載逐漸增大,樁帽與樁間土表面土壓力逐漸增大.路堤荷載小于13 kPa時(shí),樁帽與樁間土上的豎向應(yīng)力數(shù)值相差較小,說(shuō)明土拱效應(yīng)并不明顯.路堤荷載超過(guò)13 kPa以后,樁帽上的土壓力隨路堤荷載的增加迅速增大,而樁間土表面的土壓力則增長(zhǎng)較為緩慢.當(dāng)A1,A2和B1,B2工況試驗(yàn)段的路堤荷載分別超過(guò)50 kPa和45 kPa以后,各工況樁間土表面土壓力數(shù)值趨于穩(wěn)定,說(shuō)明此時(shí)土拱效應(yīng)已完全發(fā)揮.路堤填筑到樁間土上土壓力不再變化時(shí),路堤中可形成完整的土拱.圖6(見下頁(yè))給出了土拱高度h隨樁帽凈距s-a的變化曲線.圖6表明,當(dāng)樁帽凈距超過(guò)1.0 m以后,土拱高度隨樁帽凈距的增加而減小,樁帽凈距從1.0 m增加到1.8 m,土拱高度從2.82 m減小到2.33 m,減小了約17.3%.

圖4 填土厚度時(shí)程線

圖7(見下頁(yè))給出了樁間距分別取s=2.5 m和s=3.0 m情況下樁帽寬度對(duì)樁帽-土應(yīng)力比的影響.從圖7中可以發(fā)現(xiàn),樁帽-土應(yīng)力比隨路堤荷載的增加而增大,在樁間距一定的條件下,樁帽寬度為1.2 m時(shí),樁帽-土應(yīng)力比較之樁帽寬度為1.5 m時(shí)的要大,說(shuō)明樁帽-土應(yīng)力比隨樁帽寬度的增加而減小.圖8(見下頁(yè))給出樁帽寬度分別取a=1.0 m和a=1.5 m情況下樁間距對(duì)樁帽-土應(yīng)力比的影響.圖8表明,在樁帽寬度一定的條件下,樁間距為2.5 m時(shí),樁帽-土應(yīng)力比較之樁間距為3.0 m時(shí)的要大,說(shuō)明樁間距越大,樁帽-土應(yīng)力比數(shù)值越小.路堤填筑結(jié)束時(shí),工況A1和A2的樁帽-土應(yīng)力比分別為10.1和6.6,工況B1和B2的樁帽-土應(yīng)力比分別為6.7和5.1

樁帽和樁間土分擔(dān)路堤荷載的比例可由樁帽荷載分擔(dān)比和樁間土荷載分擔(dān)比來(lái)表示.圖9(見下頁(yè))給出了樁間距s=2.5 m時(shí)不同樁帽寬度下的樁帽和樁間土各自的荷載分擔(dān)比隨路堤荷載的變化曲線.

圖5 樁帽與樁間土上土壓力的變化曲線

圖6 土拱高度隨樁帽凈距變化的曲線

圖7 樁帽寬度對(duì)樁帽-土應(yīng)力比的影響

圖9表明,樁帽荷載分擔(dān)比隨路堤荷載的增加而增大,樁間土荷載分擔(dān)比隨路堤荷載的增加而減小.保持樁的間距不變,樁帽荷載分擔(dān)比隨樁帽寬度的增加而增大,樁間土荷載分擔(dān)比隨樁帽寬度的增加而減小.路堤填筑結(jié)束時(shí),樁帽寬度a=1.2 m和a=1.5 m兩種情況下樁帽荷載分擔(dān)比約為75%和79%,樁間土荷載分擔(dān)比約為25%和21%.

圖10給出了樁帽寬度a=1.2 m時(shí)不同樁間距下樁帽和樁間土荷載分擔(dān)比隨路堤荷載變化的曲線.從圖10可見,樁帽荷載分擔(dān)比隨樁間距的增加而減小,樁間土荷載分擔(dān)比隨樁間距的增加而增大.樁間距從2.5 m增加到3.0 m,路堤填筑結(jié)束時(shí)樁帽荷載分擔(dān)比從75%降低到59%,而樁間土荷載分擔(dān)比從25%增加到41%.

圖8 樁間距對(duì)樁帽-土應(yīng)力比影響

圖9 樁帽寬度對(duì)樁帽和樁間土荷載分擔(dān)比的影響

圖10 樁間距對(duì)樁帽和樁間土荷載分擔(dān)比的影響

3 結(jié) 論

a. 四樁中心樁間土表面土壓力測(cè)值與二樁中心樁間土表面土壓力測(cè)值近乎相等,據(jù)此可以認(rèn)為,樁承式加筋路堤中樁間土表面豎向應(yīng)力接近均勻分布.

b. 樁帽凈距大于1.0 m以后,土拱高度隨樁帽凈距的增加而減小.樁帽凈距從1.0 m增加到1.8 m,土拱高度從2.82 m減小到2.33 m.

c. 樁帽-土應(yīng)力比隨路堤荷載的增加而增大,隨樁帽寬度和樁間距的增加而減小.

d. 樁帽荷載分擔(dān)比隨路堤荷載和樁帽寬度的增加而增大,隨樁間距的增加而減小.樁間土荷載分擔(dān)比則相反,其隨路堤荷載和樁帽寬度的增加而減小,隨樁間距的增加而增大.

[1] HEWLETTW J,RANDOLPHMF.Analysis of piled embankments[J].Ground Engineering,1988,21(3):12-18.[2] LOW B K,TANG S K,CHOA V.Arching in piled embankments[J].Journal of Geotechnical Engineering,1994,120(11):1917-1938.

[3] HONG W P,LEE J H,LEE K W.Load transfer by soil

arching in pile-supported embankments[J].Soils and Foundations,2007,47(5):833-843.

[4] ELLIS E A,ASLAM R.Arching in piled embankments:comparison of centrifuge tests and predictive methods-part 1 of 2[J].Ground Engineering,2009,42(6):34-38.

[5] VAN EEKELEN S J M,BEZUIJEN A,LODDER H J,et al.Model experiments on piled embankments.Part I[J].Geotextiles and Geomembranes,2012,32(1):69-81.

[6] 曹衛(wèi)平,陳仁朋,陳云敏.樁承式加筋路堤土拱效應(yīng)試驗(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),2007,29(3):436-441.

[7] 蔡德鉤,閆宏業(yè),葉陽(yáng)升,等.樁網(wǎng)支承路基結(jié)構(gòu)中土拱效應(yīng)及網(wǎng)墊受力的模型試驗(yàn)研究[J].鐵道學(xué)報(bào),2011,33(11):85-92.

[8] 曹衛(wèi)平,胡偉偉.樁承式加筋路堤三維土拱效應(yīng)試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué),2014,35(2):351-358.[9] 芮瑞,黃成,夏元友,等.砂填料樁承式路堤土拱效應(yīng)模型試驗(yàn)[J].巖土工程學(xué)報(bào),2013,35(11):2082-2089.

[10] 費(fèi)康,陳毅,王軍軍.加筋形式對(duì)樁承式路堤工作性狀影響的試驗(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),2012,34(12):2312-2317.

[11] LIU H L,NG C W W,FEI K.Performance of a geogrid-reinforced and pile-supported highway embankment over soft clay:case study[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,2007,133(12):1483-1493.[12] CHEN R P,XU Z Z,CHEN Y M,et al.Field tests on pile-supported embankments over soft ground[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,2010,136(6):777-785.

[13] WACHMAN G S,BIOLZI L,LABUZ J F,et al.Structural behavior of a pile-supported embankment[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,2010,136(1):26-34.[14] BRIAN?ON L,SIMON B.Performance of pile-supported embankment over soft soil:full-scale experiment[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,2012,138(4):551-561.

[15] 鄭俊杰,曹文昭,董同新,等.中低壓縮性土地區(qū)樁承式加筋路堤現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),2015,37(9):1549-1555.

(編輯:石 瑛)

Field Tests on the Effects of the Spacing of Piles and Width of Pile Caps on the Soil Arching

CHEN Yang1, LI Guowei2, YANG Tao1, MA Pengzhen1

(1.SchoolofEnvironmentandArchitecture,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093,China; 2.CollegeofCivilandTransportationEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

In order to study the effect of the center-to-center spacing of piles and the width of pile caps on the soil arching in a piled embankment with reinforcements,field tests were performed at the Qing Feng toll station constructed on a geogrid-reinforced and PHC pile-supported embankment in the Guangzhou-Qingyuan highway extension project.The contact pressures acting on the pile caps and the surrounding soil were measured in the conditions of different widths of pile caps and spacings of piles,and the relation between the height of soil arch and the clear spacing of pile caps was obtained.The test results show that the vertical stress in the surrounding soil is distributed uniformly.The height of soil arch decreases with the increasing of the clear spacing of pile caps when the spacing is larger than 1.0 m.The pile cap-soil stress ratio increases with the increasing of the embankment load,while decreases with the increasing of the width of pile caps and the spacing of piles.The load sharing ratio carried by the pile caps increases with the increasing of the embankment load and the width of pile caps,while decreases with the increasing of the spacing of piles.The load sharing ratio carried by the surrounding soil decreases with the increasing of the embankment load and the width of pile caps,while increases with the increasing of the spacing of piles.

piledembankmentwithreinforcements;soilarchingeffect;PHCpile;pilecap-soilstressratio;loadsharingratio

1007-6735(2017)02-0170-06

10.13255/j.cnki.jusst.2017.02.013

2016-12-16

廣東省交通運(yùn)輸廳科技項(xiàng)目(201102021);上海理工大學(xué)國(guó)家級(jí)項(xiàng)目培育計(jì)劃(16HJPY-MSO3)

陳 洋(1991-),男,碩士研究生.研究方向:地基處理與樁基礎(chǔ).E-mail:cyeext@qq.com

楊 濤(1962-),男,教授.研究方向:軟土地基加固技術(shù)與復(fù)合地基理論.E-mail:shyangtao@163.com

TU 473

A