非埋式樁板結(jié)構(gòu)路基水平承載試驗(yàn)研究

周 珩,蘇 謙,2,劉 杰,郭春梅

(1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,成都 610031； 2.西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610031)

引言

高速鐵路對(duì)路基的剛度、強(qiáng)度、變形控制與穩(wěn)定性提出了更高的要求，樁板結(jié)構(gòu)作為一種新型的路基處理技術(shù)已應(yīng)用于國內(nèi)多條高速鐵路上，并有效地克服了軟土路基[1-3]、濕陷性黃土[4-5]、巖溶[6]以及采空區(qū)[7]等多種技術(shù)難題。隨著我國山區(qū)高速鐵路的大量新建，樁板結(jié)構(gòu)應(yīng)用于陡坡段路基，與傳統(tǒng)樁板結(jié)構(gòu)路基不同的是，陡坡段樁板結(jié)構(gòu)路基除承受豎向荷載外，還可能承受邊坡由于自重作用的水平荷載作用，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)橫向變形甚至失穩(wěn)破壞。盡管對(duì)于樁板結(jié)構(gòu)路基，國內(nèi)外已進(jìn)行了一定的研究[8-12]，但對(duì)于陡坡段的非埋式樁板結(jié)構(gòu)路基研究較少。因此開展陡坡段非埋式樁板結(jié)構(gòu)路基受力與變形破壞研究對(duì)該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用推廣具有重要的意義。

以陡坡段非埋式樁板結(jié)構(gòu)路基為研究對(duì)象，通過物理模型試驗(yàn)，對(duì)非埋式樁板結(jié)構(gòu)路基的水平承載特性、結(jié)構(gòu)變形特征、路基破壞特性等進(jìn)行研究。

1 水平承載模型試驗(yàn)

1.1 概況

本物理模型試驗(yàn)以新建杭黃高速鐵路工點(diǎn)DK106+340典型斷面為原型，該工點(diǎn)地質(zhì)情況見表1。陡坡路基采用跨度7.5 m的托梁式樁板結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)自上而下為承載板、托梁與樁，樁基采用直徑1 m的端承樁，承載板采用搭接形式，托梁與樁基剛接。地質(zhì)情況為上覆2～3 m厚粉質(zhì)黏土，中層為10～11 m強(qiáng)風(fēng)化泥巖，底層為弱風(fēng)化泥巖，邊坡采用A、B組填料填筑。工點(diǎn)橫、縱斷面如圖1所示。

表1 原型工點(diǎn)地層與樁長

圖1 原型斷面的地層與樁板結(jié)構(gòu)(單位：cm)

1.2 模型相似設(shè)計(jì)

樁板結(jié)構(gòu)路基水平承載試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑殪o力模型，結(jié)構(gòu)應(yīng)力與荷載、結(jié)構(gòu)尺寸、材料彈性模量、泊松比有關(guān)，應(yīng)力及位移的關(guān)系式為

σ=f(F,q,γ,l,E,v,p)

(1)

S=f(F,q,γl,E,v,p)

(2)

式中，F(xiàn)為集中荷載；q為線荷載；γ為材料容重；l為材料尺寸；E為彈性模量；ν為泊松比；p為配筋率。

本試驗(yàn)采用縮尺模型，以幾何相似比Cl=1/10、彈性模量相似比CE=1為基本相似常數(shù)，根據(jù)π定理推導(dǎo)出本模型試驗(yàn)其他物理量的相似常數(shù)[13]，見表2。

1.3 模型尺寸與幾何邊界

樁板結(jié)構(gòu)路基模型中相關(guān)結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)根據(jù)幾何相似比Cl=1/10計(jì)算，見表3。

表2 物理量的相似常數(shù)

為保證模型試驗(yàn)結(jié)構(gòu)接近工程實(shí)際，模型沿線路方向選取3跨板長，沿邊坡橫斷面方向選取5倍板寬的寬度，以減小邊界條件對(duì)模型的影響。因此，根據(jù)模型幾何相似比例確定模型槽尺寸為長2.5 m×寬5.0 m×高2.5 m，模型槽側(cè)向內(nèi)壁涂抹凡士林，以降低巖土體、填料與側(cè)壁間的摩擦力影響。

表3 模型幾何參數(shù)

1.4 模型材料

考慮到樁板結(jié)構(gòu)實(shí)際工作中主要發(fā)生彈性變形，模型材料選擇以考慮彈性模量為主。因此，通過配制微骨料鋼筋混凝土制作模型，并根據(jù)結(jié)構(gòu)配筋率經(jīng)換算后，選用直徑為4 mm的細(xì)鋼絲進(jìn)行配筋。

原型工點(diǎn)巖土體主要分為3種類型：弱風(fēng)化泥巖、強(qiáng)風(fēng)化泥巖與路基填料。弱風(fēng)化泥巖與強(qiáng)風(fēng)化泥巖通過水泥砂漿配比試驗(yàn)選取土、石膏、水泥、砂與水配制地基相似模型材料。填料采用粉質(zhì)黏土模擬。模型結(jié)構(gòu)中弱風(fēng)化泥巖、強(qiáng)風(fēng)化泥巖與路基填料參數(shù)見表4。

表4 模型材料參數(shù)

1.5 模型制作

模型材料待模型槽砌筑完成后按既定比例配置，并逐層填筑與壓實(shí)，填筑到達(dá)樁底高程后進(jìn)行樁基定位。地層填筑與樁基埋設(shè)完成后依次現(xiàn)澆托梁與承載板(圖2)，待模型養(yǎng)護(hù)完成后再開始加載試驗(yàn)。

1.6 監(jiān)測儀器布置

模型監(jiān)測為獲得3類數(shù)據(jù)：(1)樁板結(jié)構(gòu)內(nèi)力；(2)土壓力分布；(3)樁板結(jié)構(gòu)與路基的變形。本次模型試驗(yàn)采用電阻應(yīng)變片采集結(jié)構(gòu)內(nèi)力。沿樁深方向布設(shè)量程為200 kPa的微型土壓力盒，采集土壓力沿樁身分布數(shù)據(jù)。路基變形通過百分表進(jìn)行監(jiān)測，采用百分表量程為0～10 mm，精度為0.01 mm。元器件平面布置見圖3。

圖2 模型制作

圖3 模型試驗(yàn)監(jiān)測點(diǎn)布置(單位：cm)

1.7 模型加載

為模擬傳遞的剩余下滑力作用，加載板布置于承載板內(nèi)側(cè)滑坡體內(nèi)(圖3)，模型通過千斤頂對(duì)樁板結(jié)構(gòu)路基進(jìn)行水平逐級(jí)加載，每次增加相當(dāng)于25 kN/m剩余下滑力的水平荷載，每級(jí)加載后靜置5 min，待監(jiān)測數(shù)據(jù)穩(wěn)定后進(jìn)行采集與下一級(jí)的加載。加載分級(jí)情況見表5。

表5 模型路基加載

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 水平承載特性分析

2.1.1 樁基應(yīng)力變化

當(dāng)樁板結(jié)構(gòu)路基承受水平荷載時(shí)，主要考慮樁側(cè)土壓力對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。依據(jù)彎曲理論和慣性矩的定義，由實(shí)測截面處的應(yīng)變計(jì)算樁身各截面的彎矩Mi為[14]

(3)

式中，d為樁身直徑；E為模型樁彈性模量；I為樁身截面慣性矩；εli、εyi分布為樁身各截面測點(diǎn)處的拉壓應(yīng)變。

由圖4(a)可知，外樁彎矩隨水平荷載的增加而增大。當(dāng)水平荷載<100 kN時(shí)，外樁彎矩變化量較小，彎矩極值位于樁頂處，當(dāng)水平荷載≥100 kN時(shí)，彎矩極值位于距樁頂80 cm處。

由圖4(b)可知，內(nèi)樁彎矩極值位于距樁頂66 cm處。當(dāng)水平荷載<100 kN時(shí)，內(nèi)樁彎矩隨水平荷載的增加而增大。當(dāng)水平荷載達(dá)到100 kN時(shí)，內(nèi)樁彎矩分布存在明顯突變，結(jié)合樁基破壞特性可知，內(nèi)樁鋼筋發(fā)生屈服，樁身出現(xiàn)開裂破壞。

2.1.2 樁側(cè)土壓力變化

樁側(cè)土壓力隨水平荷載的變化規(guī)律如圖5所示。內(nèi)樁內(nèi)側(cè)滑面以上土壓力隨水平荷載的增加而增大，樁頂附近出現(xiàn)最大土壓力達(dá)23 kPa，滑面以下土壓力隨荷載變化量較小，基本保持在5 kPa左右；內(nèi)樁滑面以上樁間土壓力基本為零，說明樁間土與內(nèi)樁出現(xiàn)脫離。滑面以下土壓力隨水平荷載的增加而增大，呈三角形分布，土壓力極值位于距樁頂60 cm處，達(dá)85 kPa。

圖4 樁身彎矩分布

圖5 土壓力分布

外樁樁間土壓力隨水平荷載的增加而增大，樁頂附近與滑面處土壓力存在極值，樁頂處最大土壓力達(dá)到30 kPa，滑面處最大土壓力達(dá)到25 kPa；外樁樁前土壓力呈三角形分布，隨水平荷載的增加而增大，最大土壓力位于距樁頂20 cm處，達(dá)到110 kPa。

2.2 承載板位移特性分析

承載板水平位移隨水平荷載的變化規(guī)律如圖6(a)所示，承載板水平位移隨水平荷載的增加呈拋物線型增大。當(dāng)水平荷載達(dá)到57 kN時(shí)，承載板開始產(chǎn)生微小水平變形。當(dāng)水平荷載達(dá)到143 kN時(shí)，水平位移顯著增加，說明此時(shí)樁身發(fā)生折斷破壞，承載板最大水平位移達(dá)到7.25 mm。

承載板豎向位移隨水平荷載的變化規(guī)律如圖6(b)所示，承載板豎向位移隨水平荷載的增加呈拋物線型增大。承載板出現(xiàn)內(nèi)外側(cè)不均勻的豎向抬升，內(nèi)側(cè)最大豎向位移為3.9 mm，外側(cè)最大豎向變形為0.7 mm。說明在水平推力作用下，樁板結(jié)構(gòu)承載板出現(xiàn)以近坡面端為轉(zhuǎn)點(diǎn)的翹曲變形。

2.3 破壞特性分析

2.3.1邊坡與基巖破壞特性

圖6 承載板位移變化曲線

如圖7所示，路基邊坡在水平荷載加載至100 kN時(shí)開始出現(xiàn)滑移變形，加載至157 kN時(shí)，出現(xiàn)顯著的淺層破壞與局部壓潰現(xiàn)象，此時(shí)相應(yīng)于實(shí)際工程中剩余下滑力達(dá)到770 kN/m，說明樁板結(jié)構(gòu)路基具有良好的抗變形能力。

圖7 邊坡變形

2.3.2 樁板結(jié)構(gòu)破壞特性

通過對(duì)試驗(yàn)后的邊坡開挖，發(fā)現(xiàn)樁板結(jié)構(gòu)于樁身處出現(xiàn)裂縫，裂縫主要產(chǎn)生于樁頂以及滑動(dòng)面附近(圖8)，樁板結(jié)構(gòu)其余部分基本完好。

圖8 樁板結(jié)構(gòu)破壞情況(單位：cm)

3 結(jié)論

通過陡坡樁板結(jié)構(gòu)路基水平承載試驗(yàn)得到以下結(jié)論。

(1)樁板結(jié)構(gòu)樁基彎矩基本上隨水平荷載的增加而增大，加載過程中，外樁始終處于彈性變形階段，當(dāng)水平荷載增至100 kN時(shí)，內(nèi)樁出現(xiàn)屈服破壞現(xiàn)象。

(2)樁側(cè)土壓力隨水平荷載的增加而增大，且以樁側(cè)抗力較大，外樁樁間土壓力與內(nèi)樁內(nèi)側(cè)土壓力較小，說明在滑坡推力較大時(shí)，樁板結(jié)構(gòu)將發(fā)生較大變形擠壓樁前土體。

(3)承載板變形隨水平荷載的增加呈拋物線型增大，最大水平位移達(dá)7.25 mm；豎向產(chǎn)生內(nèi)高外低的翹曲變形，因此，在水平推力較大的地段應(yīng)謹(jǐn)慎選用采用非埋式樁板結(jié)構(gòu)路基形式。

(4)當(dāng)水平荷載增加至100 kN時(shí)，邊坡坡體開始出現(xiàn)顯著淺層破壞，以及局部隆起與壓潰。樁板結(jié)構(gòu)于樁頂與滑面附近出現(xiàn)張拉裂縫。