樁承式路堤受力機理模型試驗研究

李國峰 （安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計院，安徽 合肥 230031）

1 引言

目前樁承式路堤在實踐中已經(jīng)大量使用，但是因為其工作原理特別復(fù)雜，國內(nèi)外對其研究仍然不夠充分，甚至國內(nèi)都沒有形成統(tǒng)一的適用于中國情況的規(guī)范。國內(nèi)學(xué)術(shù)界及工程界對這種新技術(shù)的稱呼也是大不相同[1-3]，沒有形成統(tǒng)一的理論來指導(dǎo)工程建設(shè)。承式路堤研究的重點問題是路堤內(nèi)部土拱效應(yīng)以及土工格柵受力機理。從目前的研究來看，縮尺物理模型試驗是研究這兩個問題的主要方法。目前國內(nèi)外學(xué)者大都采用砂土來模擬填料，但是由其所形成的砂土拱并不能代表現(xiàn)實項目中由粘性土形成的土拱，并且高速鐵路、公路現(xiàn)場路堤的填料很少會用到砂土[4-7]。

針對上述問題，本文以粘性土來模擬填料，通過物理模型試驗分析了路堤填筑過程和靜力加載情況下土拱效應(yīng)的發(fā)展機理以及土工格柵的加筋作用。

2 試驗概況

2.1 實驗裝置及材料

如圖1所示：試驗在鋼制模型槽中進(jìn)行，模型槽分節(jié)搭接而成，高1.8m、長寬均為2m。本次模型試驗中共設(shè)置了4根樁（簡化研究對象，以樁帽代替），樁帽材料為60cm×60cm×20cm(厚)的方形鋼板。為了試驗中方形鋼板的穩(wěn)定，直接將其焊接在鋼制模型槽底部。

圖1 模型尺寸示意圖

路堤填土采用粘土最大干密度ρdmax=1.81 g/cm3，最優(yōu)含水率w最優(yōu)=61%，液限為wL=39.6%，塑限wp=21.2%，塑性指數(shù)Ip=18.4，有效粘聚力c=18kPa，有效內(nèi)摩擦角φ=22°。分層填路堤土，分9層，每層厚度通常為15cm，填筑完一層后，整平土頂面，并按1.5 g/cm3控制干密度，然后再填筑下一層土，直到高度為135cm。地基土采用壓實的橡膠顆粒材料模擬，密度ρ橡膠=0.90g/cm3，試驗測得橡膠顆粒在0～80kPa之間的壓縮模量E橡膠=910kPa。

實驗采用一層單向土工格柵，其橫向抗拉強度為43 kN/m，抗拉剛度為400kN/m，延伸率為7%。

2.2 加載系統(tǒng)

靜力加載系統(tǒng)：用反力架固定液壓千斤頂從而形成了自平衡系統(tǒng)。液壓千斤頂額定出力為600kN。加載板采用方形鋼板，厚度1cm；加載板和千斤頂之間放有墊塊。分10級加載，每級荷載3kPa。沉降穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為每級沉降量小于0.02mm/10min。施加完成每一級荷載后，量測路堤內(nèi)土壓力。

2.3 試驗量測設(shè)備及布置

為監(jiān)測樁承式路堤的靜力特性行為，本模型試驗裝置含有一套完整的量測系統(tǒng)。包括傳感器，以及量測傳感器數(shù)據(jù)的解調(diào)儀。

在路堤填土內(nèi)部根據(jù)試驗要求，布置了14個電阻式土壓力盒，如圖2、3所示。從某一樁帽中心（T1處）向上以15cm為間距逐漸向上共布置了5個土壓力盒，從模型樁間土的中心（Ts1處）向上同樣以15cm為間距逐漸向上共布置了5個土壓力盒。填筑過程中埋設(shè)土壓力盒且在讀數(shù)穩(wěn)定后開始填筑下一層土。

圖2 樁頂平面土壓力盒布置示意圖

圖3 縱剖面土壓力盒布置示意圖

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 路堤填筑過程

圖4為樁頂平面T1和TS1處土壓力隨路堤填筑高度變化圖。由圖可知，填筑高度小于0.3 m時，隨著路堤高度的增加樁頂和樁間土壓力增長較為一致；填筑高度大于0.3 m后，樁頂出土壓力和樁間處土壓力開始分化。因為模擬地基土的橡膠剛度遠(yuǎn)小于樁帽剛度而且橡膠具有一定的流動性，隨著填筑高度增加，填筑土壓力向樁頂集中。當(dāng)填筑高度為1.35m時，樁頂上土壓力為41.3kPa，大于通過填土高度和密度計算得出的平均自重土壓力25.93kPa，樁間土最大土壓力為7.5kPa，小于平均自重土壓力。此外從圖中可以看到填筑高度在0-0.45m之間時，樁土應(yīng)力比增長緩慢，此后樁土應(yīng)力比增長速度明顯增快。這說明在0.45m左右土拱形成，使土壓力明顯向樁頂集中。

圖4 樁頂平面土壓力隨填筑高度增長圖

圖5為不同高度處土壓力隨填土高度變化圖，隨著填土高度的增長，土壓力都有所增加，而對于0.15 m和0.3 m高度處土壓力，隨著填土高度的變大，樁頂上方與樁間上方土壓力之間的差值越來越大；而對于0.45 m和0.60 m高度處，樁頂和樁間土壓力基本相同?？梢娫诼返烫钪^程中發(fā)生了土拱效應(yīng)，0.45 m高度下方產(chǎn)生應(yīng)力集中，而對0.45 m上方土壓力未見此現(xiàn)象。

圖5 不同高度處土壓力隨填筑高度變化圖

圖6是路堤填完后樁頂樁間的豎向應(yīng)力變化圖，由圖可知，路堤表層至路堤0.9m深度內(nèi)，土壓力隨路堤深度線性增大，且樁頂和樁間變化基本相同；而路堤0.9 m深度以下，樁頂上方和樁間上方土壓力明顯分化，應(yīng)力逐漸向樁頂集中，發(fā)生土拱效應(yīng)，土拱高約0.45 m（1.125倍樁間凈距的）。

圖6 填筑完后樁頂樁間的豎向應(yīng)力分布

圖7是樁土應(yīng)力比豎向分布在路堤填筑不同階段的變化曲線，由圖可知，隨著路堤填筑高度的變大，路堤深度0.9m以內(nèi)的樁土應(yīng)力比變化較小，路堤深度0.9-1.2m深度內(nèi)樁土應(yīng)力比急劇增大，說明這個過程土拱效應(yīng)明顯使土壓力向樁頂集中。從圖中還可以看到當(dāng)填筑高度大于1.2m（3倍樁間凈距）以后，隨著路堤填筑高度的變大，樁土應(yīng)力比趨向于不變。說明路堤填筑超過某一臨界高度后填土不再影響土拱變化。

圖7 樁土應(yīng)力比豎向分布隨路堤填筑過程的變化

3.2 路堤靜力加載過程

圖8為樁頂平面不同位置處的土壓力隨靜荷載變化圖，由圖可知，樁頂和樁間土壓力均隨著靜荷載增大而接近線性增長，可見在最大為30kPa的靜載作用下，填土內(nèi)部土拱穩(wěn)定、未破壞。樁頂和樁間的土壓力增長幅度差異很大。當(dāng)靜載從0增長到30kPa時，樁頂中心處的土壓力增加了37kPa；而樁間土壓力僅增加了3.72kPa。說明在靜荷載作用下，由于土和樁剛度不同，土體內(nèi)部應(yīng)力發(fā)生調(diào)整，部分土壓力轉(zhuǎn)移到樁頂，樁間土承擔(dān)的附加荷載不大，形成了較穩(wěn)定的土拱。

圖8 樁頂平面不同位置處的土壓力隨靜荷載變化圖

如圖9和圖10顯示隨著靜荷載增加，樁頂上方不同深度處附加應(yīng)力與樁上方不同深度處附加應(yīng)力表現(xiàn)出相似的變化趨勢，均隨靜荷載的增加而增加。然而，樁頂和樁間附加應(yīng)力隨深度的變化趨勢不一致：樁間上方，附加應(yīng)力的增長幅度隨路堤深度變??；而樁頂上方，路堤深度在1.05m～1.35 m范圍時，越靠近樁頂，路堤深度越大，附加應(yīng)力增長幅度也越大，路堤深度在0.75m～0.9m范圍時，越靠近路堤表面，路堤深度越淺，附加應(yīng)力增長幅度越大。這是在填筑路堤期間，路堤內(nèi)部形成土拱效應(yīng)，使附加應(yīng)力重新分布。以上分析說明土拱的影響范圍在樁頂平面上方高0.45 m內(nèi)，相當(dāng)于1.125倍樁間凈距。

圖9 樁頂上方路堤不同深度處附加應(yīng)

圖10 樁間上方路堤不同深度處附加應(yīng)力

由圖11所示，樁頂上方路堤豎向附加應(yīng)力分布呈現(xiàn)出V型反轉(zhuǎn)的趨勢。路堤表層至其下0.9m深度范圍內(nèi)，樁頂和樁間上方附加應(yīng)力均隨路堤深度增大而減小，且數(shù)值相差不大。而在路堤0.9m深度至樁頂平面范圍內(nèi)，樁頂上方附加應(yīng)力隨路堤深度增大而增大，樁間上方附加應(yīng)力則隨路堤深度增大而減??；并且隨著靜荷載的增大樁頂承擔(dān)的附加應(yīng)力遞增幅度逐漸變大，樁間承擔(dān)的附加應(yīng)力衰減幅度也逐漸變大，附加應(yīng)力向樁頂集中。說明在一定靜荷載范圍內(nèi)隨著靜荷載的增大土拱效應(yīng)表現(xiàn)得越來越顯著。

圖11 樁頂樁間附加應(yīng)力豎向分布

在樁土附加靜應(yīng)力比與路堤深度協(xié)變關(guān)系圖解上（圖12），在施加靜荷載過程中，當(dāng)路堤深度≤0.9m時，樁土附加靜應(yīng)力比基本不隨靜荷載增加而變化；當(dāng)路堤深度≥0.9m時，樁土附加靜應(yīng)力比隨著路堤深度增加而顯著增大。

圖12 不同靜荷載作用下樁土附加靜應(yīng)力比豎向分布

4 結(jié)論

①本次試驗所得土拱高度約為樁間凈距的1.125倍。隨著填筑高度的增大，路堤深度小于土拱高度時樁土應(yīng)力比變化較小。填筑高度大于3倍樁間凈距時，隨著填筑高度的增加樁土應(yīng)力比基本不再變化。兩者之間深度范圍內(nèi)樁土應(yīng)力比急劇增大。說明存在某一臨界高度，當(dāng)路堤填筑超過此臨界高度后填土不再影響土拱變化。

②靜荷載附加應(yīng)力的分布受土拱影響，土拱影響范圍在樁頂上方1.125倍樁間凈距以內(nèi)。在一定靜荷載范圍內(nèi)隨著靜荷載的增大土拱效應(yīng)表現(xiàn)得越來越顯著。路堤表層至土拱高度范圍內(nèi)，樁土附加靜應(yīng)力比基本不隨靜荷載增加而變化；而在土拱高度下方，在路堤靜力加載過程中，樁土附加靜應(yīng)力比隨著路堤深度增加而顯著增大。