靜動荷載下樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)路基土工格柵承載特性試驗研究

梁自立 王旭 韓高孝

蘭州交通大學 土木工程學院， 蘭州 730070

樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)路基已在我國高速鐵路的建設中廣泛應用，而土拱效應與加筋墊層是影響樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)路基荷載傳遞的主要因素，目前樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)路基的設計方法主要基于靜力學的研究成果。實際上，樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)路基不僅要承擔上部結(jié)構(gòu)的靜荷載，同時還要受到列車長期動荷載的作用，從而引起土拱的失穩(wěn)、退化以及墊層中加筋材料承載性能的改變，最終導致路基和軌道結(jié)構(gòu)變形，影響行車安全性和舒適性。

許多學者對樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)路基中加筋墊層的承載特性進行了試驗研究。Jonathan［1］通過設計模型試驗發(fā)現(xiàn)土工格柵剛度對土拱效應的影響較大。Guido［2］通過室內(nèi)模型試驗發(fā)現(xiàn)加筋粗顆粒土可以顯著提高地基承載力，這主要是由于土體中加筋材料的存在，提高了土體的抗拉強度，增大了荷載擴散角，從而提高了地基土的承載力。陳仁朋等［3］通過樁網(wǎng)加筋路堤足尺模型試驗發(fā)現(xiàn)，土工格柵的存在使得樁頂上方多承擔了12%的荷載，長期動荷載作用對土工格柵的拉力影響較大。韓高孝等［4］在室內(nèi)設計了三維模型試驗發(fā)現(xiàn)，土工格柵可以增強動荷載下土拱效應穩(wěn)定性。肖宏等［5］通過幾組模型試驗發(fā)現(xiàn)在動荷載作用下，土工格柵應變隨循環(huán)次數(shù)的增加而增大，并且在未形成完整土拱前增長迅速，而后增速緩慢。焦棟梁［6］通過室內(nèi)模型試驗研究了加載波形、差異沉降、樁身軸力等參數(shù)對樁承加筋土復合地基的影響。Barchard［7］利用離心模型試驗發(fā)現(xiàn)在未形成完整土拱的路基中荷載主要受土工格柵加筋效果的影響。許朝陽等［8］利用模型試驗并結(jié)合數(shù)值分析發(fā)現(xiàn)，動荷載對無加筋墊層的路基影響較大，主要表現(xiàn)在樁頂荷載減小，而樁間土的壓力與變形增大；加筋墊層能減小動荷載對土拱效應影響，設置雙層土工格柵的加筋墊層效果最好。費康等［9］利用室內(nèi)三維模型試驗發(fā)現(xiàn)土工格柵減小了差異沉降，從而削弱了土拱效應；路基中荷載的傳遞主要受土拱效應與加筋墊層的共同支配。蔡德鉤等［10］通過現(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn)樁帽邊緣處格柵肋條應變最大。張崇磊等［11］通過相似理論，設計了4 組大比例模型試驗，發(fā)現(xiàn)隨著循環(huán)次數(shù)增加，土工格柵應變逐漸增大，但橫向分布與靜載類似。房營光等［12］通過可視化光彈試驗技術(shù)發(fā)現(xiàn)路基填筑高度對路基內(nèi)部土拱的形成及形狀有極大的影響。

綜上，國內(nèi)外學者已經(jīng)通過模型試驗與現(xiàn)場實測對樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)路基中的土拱效應與加筋材料做了大量研究?，F(xiàn)有的研究表明，樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)路基荷載的傳遞主要受土拱效應與土工格柵網(wǎng)兜效應的影響，但是兩者之間的協(xié)同機制尚未明確。此外，長期動荷載對加筋材料承載性能的影響也有待研究。本文通過室內(nèi)大比例模型試驗，研究靜動荷載作用下樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)路基土拱效應與土工格柵承載性能的變化規(guī)律和對10 萬次動荷載作用后土工格柵的承載特性，可為今后加筋材料設計參數(shù)的選取提供參考。

1 模型試驗概況

1.1 模型試驗方案

以京滬高速鐵路徐滬段DK849 + 575 斷面路基為研究對象，該斷面為板式無砟軌道線路，樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)路基高4.15 m，其中基床表層0.4 m，碎石墊層厚0.6 m，墊層內(nèi)鋪設一層土工格柵。樁為端承樁，樁徑0.5 m，樁間距1.8 m，呈正方形布置，持力層為強風化角閃巖。試驗時以樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)路基中的一個基本單元為研究對象（即四根樁及其處理的樁間土）。為了保證模型代替原型的有效性，采用相似理論進行了推導，但由于難以完全滿足相似關(guān)系，因此控制主要物理參數(shù)的相似率，忽略其他次要物理參數(shù)的影響。模型試驗中選擇密度、幾何尺寸、動應力為基本物理量，幾何尺寸相似參數(shù)取1∶6，密度參數(shù)取1∶1，動應力參數(shù)取1∶1，通過相似理論推導出其他物理參數(shù)應滿足的相似關(guān)系，見表1。

表1 模型相似比

模型試驗在120 cm × 120 cm × 190 cm 的模型箱中進行。設置4 根樁，樁截面為圓形，樁徑8.4 cm，樁長100 cm，樁中心間距30.0 cm，凈間距21.7 cm，路基填筑高度為60 cm。模型試驗裝置圖見圖1。

圖1 模型試驗裝置（單位：cm）

1.2 模型試驗材料的選取與路基填筑

模型樁與樁帽均采用有機玻璃材質(zhì)，其彈性模量為2.86 GPa。通過荷載傳感器來測試加載過程中樁頂所承受的荷載。采用實際路堤中所使用的雙向土工格柵，并在樁頂范圍與樁間土范圍內(nèi)分別粘貼應變片來測試土工格柵在荷載作用下的響應。路基填料為天然密度1.92 g/cm3、含水率16%、內(nèi)摩擦角30.4°、黏聚力30.5 kPa 并經(jīng)過2 mm 篩的黃土，壓實系數(shù)控制為0.9。為了模擬較軟的樁間土材料，在填筑模型下部100 cm 的樁間土時，采用松填的方式，不進行夯實。模型箱底部20 cm 采用碎石填筑，作為樁身持力層。上部60 cm 的路堤填筑時，采用分層填筑（每層10 cm），分層擊實，每一層壓實后在樁頂與樁間土處埋設土壓力盒。為了減小模型箱箱壁與土體的摩擦力對試驗的影響，提前在箱壁均勻涂抹了凡士林潤滑劑。最終確定的試驗方案為兩組對比試驗，見表2。模型試驗過程見圖2。

圖2 模型試驗過程

表2 模型試驗方案

1.3 加載系統(tǒng)及加載方式的選取

根據(jù)相關(guān)文獻以及現(xiàn)場實測資料，高速列車在無砟軌道上運行時在路基表面產(chǎn)生的動應力在10 ～20 kPa，動荷載頻率的變化范圍在5 ～ 33 Hz，并且響應主頻在10 Hz 附近。由于高速列車荷載模擬較復雜，因此本次試驗對動荷載的加載波形作了簡化處理，采用半正弦波形的加載方式。

試驗加載分為靜載與動載兩部分。靜載為路堤填土荷載。動力加載系統(tǒng)由加載設備、反力系統(tǒng)和承載板共同組成，在該系統(tǒng)的作用下可產(chǎn)生0 ～ 15 kPa的半正弦波形的動應力，加載頻率為2 Hz，加載波形見圖3。

圖3 動力加載波形

在加載過程中，首先將土壓力盒與應變采集系統(tǒng)置零，測試在靜載（填土荷載）作用下的變化規(guī)律。在靜載測試完畢后，再次將土壓力盒與應變采集系統(tǒng)置零，然后施加動荷載，測試在動荷載作用下的響應，以便與靜載作對比。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 靜載

靜載下路堤中土壓力沿深度分布曲線見圖4?？芍涸谔钔辆鄻俄?0 cm 以上時，樁頂與樁間土上方所承受的土壓力基本相同，此段為無拱范圍；而在30 cm以下時，樁頂與樁間土所承受土壓力出現(xiàn)了較明顯差異，樁頂上方土體所承受的土壓力明顯增大，而樁間土上方的土壓力明顯減小，此段為出現(xiàn)土拱的范圍。在靜載作用下土拱的高度30 cm（1.38倍的樁凈距）附近，土拱效應明顯，此時在土體內(nèi)部已形成穩(wěn)態(tài)土拱。兩組試驗的樁土應力比較為接近，有格柵的約為4.1，無格柵的約為3.4，這主要是由于填土荷載較小，土工格柵網(wǎng)兜效應發(fā)揮不充分。

圖4 靜載下路堤中土壓力沿深度分布

靜載下土工格柵應變見圖5?？芍禾钔梁奢d作用下，由于土拱效應和土工格柵網(wǎng)兜效應，樁間土所承受的荷載不斷轉(zhuǎn)移到樁頂上方，導致樁間土上方的格柵應變增幅較小，而樁帽范圍內(nèi)的格柵應變增長迅速，且樁帽邊緣格柵應變最大。這是由于樁帽邊緣處有形狀和剛度的突變，會產(chǎn)生應力集中。土工格柵應變增長分為快速增長期與平穩(wěn)增長期兩個階段。這主要是由于在路堤填筑初期，土體內(nèi)部未形成穩(wěn)態(tài)土拱，荷載主要通過土工格柵網(wǎng)兜效應進行傳遞，此階段土工格柵應變增長迅速；隨著路堤高度不斷增加，土工格柵應變增長速率明顯下降，應變保持平穩(wěn)增長，此階段路基內(nèi)部已形成穩(wěn)態(tài)土拱，荷載轉(zhuǎn)移量趨于穩(wěn)定。

圖5 靜載下土工格柵應變

靜載下樁頂荷載分擔比隨填土高度變化曲線見圖6。可知：在填土荷載作用下，路基高度為0 ～ 30 cm時，樁頂荷載分擔比不斷增長，這主要是由于土拱效應與土工格柵網(wǎng)兜效應使更多荷載轉(zhuǎn)移到樁頂上方。在填土高度為30 cm 以后增長速率趨于穩(wěn)定，主要是由于此時土體內(nèi)部已形成穩(wěn)態(tài)土拱，樁頂上方的荷載轉(zhuǎn)移量趨于穩(wěn)定。在有格柵的試驗中，樁頂荷載分擔比的前期增長速率明顯高于無格柵試驗，而后期兩者的增長速率基本保持一致，這說明土工格柵主要是在路基填筑初期將更多的荷載轉(zhuǎn)移到樁頂上方，從而提高了樁頂荷載分擔比。在路堤填筑結(jié)束后，有土工格柵試驗最終的樁頂荷載分擔比為57.7%，而無土工格柵試驗最終的樁頂荷載分擔為50.1%，土工格柵的存在使得樁頂上方多承擔了7.6%的荷載。

圖6 靜載下樁頂荷載分擔比隨填土高度變化曲線

綜上，在靜載作用下，樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)路基內(nèi)部荷載的傳遞主要受土拱效應影響，而土工格柵的網(wǎng)兜效應主要發(fā)揮在路基填筑初期。

2.2 動荷載

動荷載下路堤中土壓力沿深度分布曲線見圖7?？芍簝山M試驗樁頂與樁間土上方土體所承受的動應力在高度大于30 cm 的范圍內(nèi)（土拱影響范圍外）存在基本相同的線性衰減規(guī)律，但是在高度30 cm 以內(nèi)（土拱影響范圍內(nèi)）出現(xiàn)了明顯不同的變化趨勢；在無格柵試驗中，樁頂上方土體動應力基本保持不變，且還有小幅度減小的趨勢；而樁間土上方土體動應力繼續(xù)衰減，但是速率明顯加快，這主要是由于在動荷載作用下土拱效應依然有效，使更多的荷載轉(zhuǎn)移到了樁頂上方。在有格柵的試驗中，兩者出現(xiàn)了明顯相反的趨勢，樁頂上方土體動應力出現(xiàn)增大現(xiàn)象，而樁間土上方土體動應力繼續(xù)衰減，這主要是由于土工格柵的存在進一步加強了荷載向樁頂上方的轉(zhuǎn)移，從而使樁頂上方土體動應力出現(xiàn)了增大現(xiàn)象。 此時兩組試驗的樁土應力比，有格柵的約為6.1，無格柵的約為3.5，土工格柵明顯提高了樁土應力比，改變了荷載的傳遞方式，使更多的荷載由樁頂上方承擔，從而減小了荷載向樁間土上方的轉(zhuǎn)移量，增強了動荷載作用下土拱效應穩(wěn)定性。在動荷載作用下的土壓力沿深度的變化曲線與靜載下的明顯不同。

動荷載下土工格柵應變見圖8?？芍孩贅睹狈秶鷥?nèi)的土工格柵在動荷載作用下的應變隨循環(huán)次數(shù)的增加迅速增長，但是在循環(huán)次數(shù)為2萬～4萬次時應變出現(xiàn)先減小又增大的現(xiàn)象，而樁間土范圍內(nèi)的格柵應變則在這一區(qū)間增長速率明顯提高，但在振動4 萬次以后基本保持穩(wěn)定。這主要是由于土體在振動的過程中密實度增加，提高了土體的強度與剛度，同時受動荷載影響土拱效應有所弱化，從而使部分荷載轉(zhuǎn)移到樁間土上方；但是隨著土工格柵網(wǎng)兜效應不斷發(fā)揮，荷載又轉(zhuǎn)移到樁頂上方，這點從樁帽范圍內(nèi)的格柵應變在后期（振動4 萬次以后）持續(xù)增長可以看出。②動荷載作用下土工格柵應變的橫向分布與靜載作用下的規(guī)律類似，由于土拱效應和格柵網(wǎng)兜效應，樁帽范圍內(nèi)的格柵應變最大，樁間土處的格柵應變最小。但是在動荷載循環(huán)10萬次后，典型位置的應變相比靜載分別增長了11%、19%、8%、13%、16%。其中樁帽范圍內(nèi)的增長幅度相對較大。由此可知，長期動荷載作用對土工格柵的承載性能影響較大。

動荷載下樁頂荷載分擔比見圖9。可知：樁頂荷載分擔比隨著循環(huán)次數(shù)的增加呈下降趨勢，但下降幅度不大。這主要是由于在循環(huán)加載過程中，土拱在動荷載作用下產(chǎn)生了一定程度的退化，在土拱影響范圍內(nèi)的部分荷載轉(zhuǎn)移至樁間土。試驗結(jié)束后，在有土工格柵的試驗中樁頂荷載分擔比從最開始的57.6%下降到55.7%，下降了約2%；而無土工格柵的試驗中從開始的50.1%下降到了43.3%，下降了約7%。土工格柵可以減少樁頂荷載向樁間土上方的轉(zhuǎn)移，從而增加動荷載作用下土拱效應的穩(wěn)定性。

綜上，在10 萬次動荷載作用下，土拱效應依然有效，但是會產(chǎn)生一定程度的弱化，土工格柵的存在可以有效減小動荷載對土拱效應的削弱作用，從而使更多的荷載轉(zhuǎn)移到樁頂上方。長期動荷載作用對土工格柵的承載特性影響較大。

3 土工格柵拉伸試驗

3.1 試驗概況

為研究在循環(huán)10 萬次后動荷載對土工格柵承載特性的影響，在實驗室內(nèi)通過自行設計的夾具，在萬能試驗機上進行了拉伸試驗。

試驗選取了4組動荷載作用后的土工格柵（2組取自樁頂，2 組取自樁間土）同4 組沒有加載的土工格柵作對比試驗，見圖10。其中，試樣寬度200 mm，名義夾持長度100 mm，拉伸速率20 mm/min。

圖10 拉伸試驗試樣

自行設計的夾具是通過對兩塊L 形鋼板開孔后，用螺栓將土工格柵夾緊，然后在兩側(cè)通過放置鋼板與鋼筋和萬能試驗機的夾具相連來進行試驗（圖11）。

圖11 拉伸試驗

3.2 試驗結(jié)果

拉伸曲線見圖12。可知：①在10萬次動荷載作用后的格柵拉力都有所下降，樁間土處土工格柵的拉力下降幅度較小，從6 kN 下降到5 kN，拉力退化了16.7%；而樁頂處的土工格柵下降幅度較大，從6 kN下降到了4 kN，拉力退化了33.3%。②樁頂1 處土工格柵的拉伸曲線明顯與其他的不同，該曲線的拉力在前半段與未加載的增長趨勢相同，而在后半段出現(xiàn)了位移迅速增長但拉力卻增長不大，出現(xiàn)了軟化現(xiàn)象。

圖12 土工格柵拉伸曲線

長期動荷載作用對樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)路基中土工格柵的承載特性影響較大，會發(fā)生拉力退化以及軟化現(xiàn)象。因此，在長期動荷載作用下加筋材料的設計中，應該考慮將土工格柵拉力退化率及軟化指數(shù)加入其中。

4 結(jié)論與建議

1）在靜載作用下，土體內(nèi)部土拱效應明顯，土拱高度在30 cm 左右，荷載的傳遞主要受土拱效應影響；土工格柵應變增長分為前期快速增長與后期平穩(wěn)增長兩階段，加筋作用主要發(fā)生在路堤填筑初期未形成穩(wěn)態(tài)土拱前，且樁帽邊緣處的格柵拉力最大。

2）在動荷載作用下，土拱效應依然有效，但是會產(chǎn)生一定程度的弱化，兩組試驗中樁土應力比有格柵的約為6.1，無格柵的約為3.5。土工格柵明顯提高了樁土應力比，從而增強了動荷載作用下土拱效應的穩(wěn)定性。

3）在動荷載作用下，土工格柵的承載特性發(fā)生了明顯變化，主要表現(xiàn)在應變隨動荷載循環(huán)次數(shù)的增加而迅速增長，相比靜載最大增長了約19%；格柵會出現(xiàn)拉力退化與軟化現(xiàn)象，特別是樁頂格柵拉力退化達33.3%并出現(xiàn)了軟化現(xiàn)象，在長期動荷載作用下加筋材料的設計中應予考慮。