樁—網結構路基設計理論及離心模型試驗研究

龍小波 周 波

(1.武漢新華園置業有限公司，湖北 武漢 430035； 2.中國葛洲壩集團第一工程有限公司，湖北 宜昌 443002)

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樁—網結構路基設計理論及離心模型試驗研究

龍小波1周 波2

(1.武漢新華園置業有限公司，湖北 武漢 430035； 2.中國葛洲壩集團第一工程有限公司，湖北 宜昌 443002)

結合土質路基上修建的無碴軌道工程實例，從荷載組合、加筋墊層設計及沉降計算等方面，探討了樁—網結構路基設計理論，并考慮在列車荷載作用下樁、網、土三者之間相互作用的復雜性，對樁—網結構進行離心模型試驗研究，試驗結果表明，通車運營3年時間路基面最終累積沉降為12.5 mm。

路基，樁—網結構，加筋墊層，離心模型試驗

0 引言

樁—網結構加固法在地基處理過程中目前應用較為普遍，有變形小、施工方便等特點，對項目工期短的比較適用。其原理就是土體在豎直方向為復合地基加固區、上部水平方向為“網”，共同承擔荷載作用。日本在20世紀70年代中期在軟土地基區就已經使用樁—網加固法，而我們運用在項目上比較晚，屬于一種比較新的工法[1，2]。

1 樁—網結構路基的計算理論

本文將結合實際的路基工程，在樁—網結構路基離心模型試驗的基礎上，研究樁—網結構的沉降變形及樁土共同作用的特性。

1.1 荷載組合

樁—網結構路基一般由上部路堤填土、加筋墊層、樁土復合加固區和下臥層4個部分組成。

在無碴軌道樁—網結構路基設計時，首先根據在極限狀態、使用臨界狀態及疲勞狀態下進行不同的荷載組合，然后在不同的荷載組合下，根據相應的力學模式，進一步分析樁—網結構的強度、穩定與變形。

在一般情況下，其荷載組合可設為：

(m1×G+m2×P+m3×P)×n。

其中，G為上部結構自重；P為活載靜輪重；m1，m2分別為恒載與活載的荷載組合系數；m3為列車活載的沖擊系數；n為結構的重要性系數。

1.2 沉降計算

樁—網復合路基的變形由路基本體的壓縮量、加固區的壓縮量及下臥層的沉降量三部分組成。目前在工程應用上，比較常用計算沉降量的方法是等代墩基法。等代墩基法的計算圖示如圖1所示。下臥層附加應力的計算方法是從群樁體底部往上L/3(L為樁長)處按照30°角向下擴散。

下臥層的沉降量計算公式如下：

1.3 加筋墊層的設計

荷載在加筋墊層中的擴散角為45°，在土體內為30°。在圖2中，樁基承受A區間以上的全部荷載、B區間的大部分荷載，加筋墊層承受C區間的荷載傳遞邊界范圍之外的體積為土體自重。作用在加筋墊層上的荷載為土體自重均布荷載，由此可以確定加筋墊層中土工格柵的強度要求[3]。

在荷載作用下，加筋墊層變形為懸鏈線的柔性拱，在荷載作用較小的情況下，可近似為二次拋物線。拱受力按下式計算：

2 樁—網結構路基離心模型試驗

本文將通過離心模型試驗的方法來進一步了解和分析無碴軌道樁—網結構路基的沉降和樁土相互作用的特性，試驗要求采用能提供200倍重力加速度的離心機，離心模型試驗模型率為80[4]。

2.1 離心模型設計與制作

地基和路堤模型均以遂渝高速鐵路中DK134+820斷面的現場取土制作，在模型箱內分層壓實填筑，回填至設計高度[5]，各層土的性能指標見表1。

試驗中樁的直徑為7.5mm、長為187.5mm，采用方形布樁。樁為AB膠封兩端樁頭的鐵皮管制作，以防止其刺入土體。采用定做的模具來固定模型樁的位置和預埋的方法安裝模型樁，在泥巖夾砂巖層回填完成后，將模型樁插入該層模型地基。回填至樁頂設計標高時，在樁頂上面回填7.5mm厚的中粗砂和處理過的窗紗來模擬設計的加筋墊層。

按最不利情況考慮，采用鋼板自重來模擬列車荷載，按照模型相似率的方法把單線軌道靜荷載和列車中—活載換算成鋼板的重量，按模型幾何比尺的方法由軌道板換算出鋼板的寬度，最后換算成鋼板尺寸。

表1 各土層的性能指標

模型設計的尺寸及測點布置位置見圖3。

2.2 測試結果分析

沉降板的沉降觀測以及模型路基面累積的沉降觀測用電渦流位移計進行測量，樁身應變的檢測用應變片。根據相似理論的原則，得出如下的結論：

1)沉降變化曲線(見圖4)。從圖4的變化曲線可以了解，曲線的變化比較平緩，但沉降的速率是逐漸減小的，到2年后沉降已基本趨于穩定，到第3年路基面累積沉降達到最大值也只有12.5 mm。

2)樁土相互作用分析。在通車運營的不同時期對應的樁身軸力分布曲線如圖5所示。

由圖5a)，圖5b)可知，樁頂荷載隨時間均呈增大趨勢。在各個對應時間，中心樁和邊緣樁的樁頂荷載相差不大。樁底往上11 m的范圍內中心樁的軸力隨時間增加而逐漸減少的變化不明顯，基本上沒有什么變化，即通過在通車運營期間比較可知樁的承載力主要靠樁側摩阻力發揮；而中心樁的樁長從0 m～6 m范圍內由于負摩擦力的作用，樁身承受的軸力隨深度增大而變大，從6 m～11 m范圍內樁身所受軸力隨樁長變長而減少，從11 m以下樁身所受軸力隨樁長變長而急劇減小，標明11 m以下樁所受的樁側摩阻力較大。邊緣樁的樁身上部所受軸力比樁身下部所受軸力大，且隨深度增加而逐漸減小，樁身范圍內樁身所受軸力隨時間增加變化并不明顯，即樁側摩阻力對樁的作用影響不大。

3 結語

關于樁—網結構設計計算方法，通過結合實際工程分析和選取典型截面的計算進行了深入的探討。從上述離心模型試驗可知，在通車運營期間樁所受荷載隨時間的增長而增大，而在不同的樁長范圍內樁身所受的樁基側摩阻力也不同，雖然樁端進入持力層4 m左右，該位置處的摩擦力及端承力較小，但對樁的承載力有利。

[1] 肖 宏，蔣關魯，魏永幸.遂渝線無碴軌道樁網結構地基處理技術[J].鐵道工程學報，2006，94(4)：22-25.

[2] 肖 宏，蔣關魯，魏永幸,等.客運專線無碴軌道樁網結構模型試驗研究[J].鐵道學報，2006，29(2)：126-131.

[3] 凌賢長，王 臣，王 成．液化場地樁—土—橋梁結構動力相互作用振動臺試驗模型相似設計方法[J]．巖石力學與工程學報，2004，23(3)：450-456．

[4] 鐵道第二勘察設計院.遂渝線引入工程無碴軌道綜合試驗段(修改初步設計)總說明書[Z].成都:鐵道第二勘察設計院，2005.

[5] 蔣關魯，劉先鋒，張建文，等．高速鐵路液化土地基加固的振動臺試驗研究[J]．西南交通大學學報，2006，41(2)：190-196．

Study on the design of column-net structure by centrifugal model test

Long Xiaobo1Zhou Bo2

(1.WuhanXinhuayuanRealEstateCo.,Ltd,Wuhan430035,China; 2.ChinaGezhoubaGroupFirstEngineeringCo.,Ltd,Yichang443002,China)

Based on ballastless track on soil subgrade, design calculation theory of column-net structure has been carried on detailed explanation, including the design load combination, geosynthetic reinforcement layer design and settlement calculation. Considered to the interaction complexity of the column, net and soil under the train load, the centrifugal model test of column-net structure was carried on. Test results indicate that the final settlement of the surface of subgrade is 12.5 mm. The load of pile top is increasing and pile-skin resistance is almost stable during subgrade’s being in use for 3 years.

subgrade, column-net structure, geosynthetic reinforcement layer, centrifugal model test

1009-6825(2017)03-0126-02

2016-11-02

龍小波(1974- )，男，高級工程師； 周 波(1983- )，男

U416.1

A