樁間距和樁帽寬度影響土拱效應的現場試驗

陳 洋, 李國維, 楊 濤, 馬鵬真

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

樁間距和樁帽寬度影響土拱效應的現場試驗

陳 洋1, 李國維2, 楊 濤1, 馬鵬真1

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

為了研究樁間距和樁帽寬度對樁承式加筋路堤土拱效應的影響,在廣清高速公路拓寬工程慶豐收費站進行了現場試驗,實測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,據此獲得土拱高度與樁帽凈距的關系.試驗結果表明,樁間土表面豎向應力近似均勻分布.當樁帽凈距數值超過1.0 m以后,土拱高度隨樁帽凈距的增加而減小.樁帽-土應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; PHC樁; 樁帽-土應力比; 荷載分擔比

工程實踐表明,軟土地區公路和鐵路建設中采用樁承式加筋路堤技術,施工速度快,路堤沉降、不均勻沉降和側向變形小且穩定性好.因此,樁承式加筋路堤在國內外公路和鐵路建設中都得到了廣泛的應用.

根據路堤中是否加筋,樁承式路堤分為無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,承載機理非常復雜.國內外學者通過室內縮尺模型試驗研究了樁承式路堤的承載特性[1-10],包括土拱形態、土拱效應以及它們各自的演化過程、加筋拉膜效應及其機理以及各因素的影響.由于現場試驗可以考慮實際工程的地質和路堤荷載條件,克服了模型試驗中模型尺寸效應的影響,所以,樁承式路堤現場試驗越來越受到重視.Liu等[11]和Chen等[12]分別對上海和浙江省軟土地區上的無筋和加筋樁承式路堤進行了現場試驗.Wachman等[13]和Brian?on等[14]分別在美國和法國進行了軟土地基上樁承式加筋路堤現場試驗.鄭俊杰等[15]針對中低壓縮性土地基上的寧—安城際鐵路樁承式加筋路堤進行了現場試驗.在這些現場試驗中,通過樁帽和樁間土頂面豎向壓力、土工格柵應變、地基土孔隙水壓力、樁帽頂和樁間土沉降以及地基土側向位移等項目的觀測,驗證了土拱效應和加筋拉膜效應,評價了樁承式無筋和加筋路堤地基土固結特性及控制路堤沉降的效果.

帶帽PHC(預應力高強混凝土)樁樁承式加筋路堤在我國的應用越來越多.由于PHC樁混凝土強度等級很高(大于C60),這就為采用疏樁加固方案創造了條件.迄今為止,通過現場試驗研究樁間距和樁帽寬度對樁承式加筋路堤承載特性影響的成果不多.廣清高速公路擴建工程慶豐收費站采用了大面積PHC樁樁承式加筋路堤技術,本文通過現場試驗,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特性,以期為工程設計提供參考.

1 現場試驗

1.1 工程概況

廣東省廣州—清遠高速公路改擴建工程起點為慶豐收費站K2+890,終點位于橫荷立交K60+450,路線全長57.56 km,正常加寬方式為雙側拓寬,每側拓寬8.25 m,擴建后為8車道,路基寬度41 m,設計車速100 km/h.

工程先行試驗段位于慶豐段至朝陽段之間.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,選擇橫向處理寬度達47.1～65.4 m,可容納12出貨車的慶豐收費站左幅(K4+450—K4+550)路堤作為本次現場試驗場地,該試驗段拓寬路堤采用懸臂式擋土墻代替路堤放坡.試驗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,含粉細砂,為主要軟弱土層;c.淤泥質粉質粘土,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.全風化～強風化砂巖.主要土層的天然含水量ω、孔隙比e、壓縮模量Es、凝聚力c和內摩擦角φ等物理力學性質參數如表1所示.

表1 試驗段土層物理力學性質參數

試驗段路堤填土高度約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.樁頂鋪設厚0.4 m的碎石墊層.墊層中部和頂面各鋪設一層土工格柵,格柵極限抗拉強度為80 kN/m.設計樁長9～13 m,樁端穿透淤泥和淤泥質粉質粘土進入粗砂層.圖1為試驗段地基加固現場圖.

1.2 試驗方案

為了研究預應力PHC樁樁間距和樁帽尺寸的變化對樁帽-土荷載分擔與傳遞特性的影響,分別在K4+460—K4+510和K4+510—K4+560斷面之間設計了樁間距s=3.0 m和s=2.5 m、樁帽寬度a=1.2 m和a=1.5 m共4種工況下的現場試驗,如表2所示,表中給出了相應工況下的樁帽凈距.

圖1 試驗段地基加固現場

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

試驗采用常州金土木工程儀器有限公司生產的JTM-V2000A型振弦式二次感應土壓力計測量樁帽和樁間土表面土壓力,土壓力計量程0.6 MPa.現場埋設采用砂墊層法:在樁帽頂面和樁間土表面鋪設5 cm左右的細砂并夯實,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,再鋪設10～15 cm厚的細砂并夯實,最后將土壓力計的導線通過PVC管引出基底范圍以便后期測量,如圖2所示.圖3給出了試驗場中2-8#和3-12#這2根PHC樁單樁靜荷載試驗獲得的荷載-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240 kN和300 kN.P為荷載,S為沉降.

圖2 土壓力計布設圖

圖3 單樁靜載荷試驗曲線

2 試驗結果及分析

圖4給出了試驗點路堤填筑厚度時程線,B1和B2,A1和A2工況試驗點分別位于K4+500和K4+530斷面附近,路堤填土重度為19.12 kN/m3.t為時間.圖4表明,試驗結束時K4+500和K4+530斷面的填筑高度分別為3.04 m和3.88 m.由于試驗段地處大面積填土的慶豐收費站,受力變形類似樁承式加筋路堤,與主線上標準拓寬路堤不同.

圖5為試驗獲得的4個工況下樁帽與樁間土表面土壓力隨填土荷載的變化曲線,填土荷載是根據土的重度和填土厚度計算的近似值.從圖5可以看出,4個工況下四樁中心樁間土土壓力測值與二樁中心樁間土土壓力測值非常接近,說明樁間土表面豎向應力接近均勻分布.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,樁帽與樁間土上的豎向應力數值相差較小,說明土拱效應并不明顯.路堤荷載超過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較為緩慢.當A1,A2和B1,B2工況試驗段的路堤荷載分別超過50 kPa和45 kPa以后,各工況樁間土表面土壓力數值趨于穩定,說明此時土拱效應已完全發揮.路堤填筑到樁間土上土壓力不再變化時,路堤中可形成完整的土拱.圖6(見下頁)給出了土拱高度h隨樁帽凈距s-a的變化曲線.圖6表明,當樁帽凈距超過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 填土厚度時程線

圖7(見下頁)給出了樁間距分別取s=2.5 m和s=3.0 m情況下樁帽寬度對樁帽-土應力比的影響.從圖7中可以發現,樁帽-土應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,樁帽-土應力比較之樁帽寬度為1.5 m時的要大,說明樁帽-土應力比隨樁帽寬度的增加而減小.圖8(見下頁)給出樁帽寬度分別取a=1.0 m和a=1.5 m情況下樁間距對樁帽-土應力比的影響.圖8表明,在樁帽寬度一定的條件下,樁間距為2.5 m時,樁帽-土應力比較之樁間距為3.0 m時的要大,說明樁間距越大,樁帽-土應力比數值越小.路堤填筑結束時,工況A1和A2的樁帽-土應力比分別為10.1和6.6,工況B1和B2的樁帽-土應力比分別為6.7和5.1

樁帽和樁間土分擔路堤荷載的比例可由樁帽荷載分擔比和樁間土荷載分擔比來表示.圖9(見下頁)給出了樁間距s=2.5 m時不同樁帽寬度下的樁帽和樁間土各自的荷載分擔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 樁帽寬度對樁帽-土應力比的影響

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

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

圖8 樁間距對樁帽-土應力比影響

圖9 樁帽寬度對樁帽和樁間土荷載分擔比的影響

圖10 樁間距對樁帽和樁間土荷載分擔比的影響

3 結 論

a. 四樁中心樁間土表面土壓力測值與二樁中心樁間土表面土壓力測值近乎相等,據此可以認為,樁承式加筋路堤中樁間土表面豎向應力接近均勻分布.

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.

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(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

廣東省交通運輸廳科技項目(201102021);上海理工大學國家級項目培育計劃(16HJPY-MSO3)

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

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

TU 473

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