高速铁路桩(帽)网和桩筏复合地基模型试验研究

李善珍，马学宁，时瑞国

(1.兰州交通大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730070；2.邢台职业技术学院 建筑工程系，河北 邢台 054053)



高速铁路桩(帽)网和桩筏复合地基模型试验研究

李善珍1，马学宁1，时瑞国2

(1.兰州交通大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730070；2.邢台职业技术学院 建筑工程系，河北 邢台 054053)

摘要:结合室内模型试验，对桩(帽)桩网复合地基和桩筏复合地基在路堤荷载作用下的沉降、荷载传递规律进行分析，得到3种复合地基的试验结果虽然在数值上存在一定的差距，但均表现出相似的规律。3种复合地基对沉降均有一定的减小作用，且沉降随荷载的增加均近似呈指数增加的趋势，其中，桩筏复合地基沉降最小；桩身应力随深度呈先增加后减小的趋势，最大值出现在桩顶附近的某一深度处；随荷载增加，桩土应力比整体呈线性增加的趋势。在同一荷载水平(如100 kPa)下，桩筏复合地基沉降最小(5.1 mm)、桩顶应力最大(142 kPa)和桩土应力比最大(7.12)时，加固效果更显著。所得结论在一定程度上可为复合地基类型的选择及工程研究提供参考。

关键词：高速铁路；复合地基；承载特性；变形特性；模型试验

复合地基以其承载力高、沉降变形小、节约成本等优点被广泛应用于对工后沉降要求严格的高速铁路路基中。桩网复合地基是指天然地基加固区上部被水平“网”加固，下部被竖向“桩”加强的加筋土复合地基，能使“网”—“桩”—“土”三者协调作用、共同承担荷载[1-2]；桩帽网复合地基是指在软弱地基处理中采用了带帽的桩体+土工格栅垫层的路基填筑技术[3]，桩帽增加了桩顶与上部土体的接触面积，起到均化荷载、减小沉降的作用；桩筏复合地基是由桩、土、碎石垫层、钢筋混凝土板组成，能协调桩体-垫层-钢筋混凝土板-地基土的工作特性，共同承担上部荷载，降低不均匀沉降。国内外学者对桩(帽)网、桩筏复合地基的研究也随着其应用而展开。Gard等[3]对铺设了土工织物的桩帽混凝土桩复合地基进行了现场试验研究；赵春雨等[4-7]通过现场试验及数值模拟等方法对桩筏复合地基变形特性及影响因素进行了研究；李曙光[8]探讨了桩帽网复合地基的沉降变化规律及影响因素；孙新彪[9]研究了桩网复合地基沉降、受力特性及影响因素。高速铁路路堤荷载下，对CFG桩复合地基处理技术的研究还未成熟，没有形成系统的理论。工程设计时，常依靠经验或借鉴刚性基础下复合地基理论。为进一步明确复合地基的承载特性，本文对高速铁路路堤荷载作用下CFG桩(帽)网、桩筏复合地基进行研究。

1室内模型试验

室内模型试验以兰州某具体工程为背景。为了更加真实地分析比较路堤荷载作用下桩(帽)网和桩筏结构复合地基的加固效果、受力特性和变形特性，在整个模型槽中均匀布设模型桩。试验中，仅考虑路堤荷载，忽略边坡部分荷载。在预定位置布设土压力盒、应变计，通过分级加载，监测分析，得到不同加固方式的变化规律，为工程提供必要的理论指导和技术支持。

1.1模型相似分析

通过室内模型试验，研究CFG桩(帽)网复合地基和桩筏复合地基的加固效果、沉降变形特性和荷载传递机理。为了使模型试验能够更准确地揭示和反映原型的受力性状，试验必须合理选定模型的相似比。

表1　各物理量的相似系数

静荷载作用下，CFG桩(帽)网和桩筏结构的应力和变形特性与结构尺寸、所施加的荷载、材料弹性模量、泊松比有关。应力和位移的表达式为：

σ=f(F,q,γ,l,E,μ,p)

S=f(F,q,γ,l,E,μ,p)式中：F为集中荷载；q为线荷载；γ为材料容重；l为结构尺寸；E为弹性模量；μ为泊松比；p为配筋率。

通过量纲分析，有

结合实验室条件确定模型中各物理量的相似系数如表1所示。

1.2试验方案

根据本文研究内容，确定如下4种试验方案：天然地基模型试验；桩网复合地基模型试验；桩帽网复合地基模型试验；桩筏复合地基模型试验。具体布置及尺寸如图1所示。

(a)桩(帽)网复合地基;(b)桩筏复合地基图1　模型试验桩布置图Fig.1 Pile arrangement on model test

1.3试验模型槽和模型桩

填土用的模型槽是依据相似比，用4块钢板拼接而成的(见图2)，以保证其具有足够的抗变形能力，尺寸为：长120 cm×宽60 cm×高120 cm。在模型槽侧壁涂抹凡士林并铺设塑料布，以减小摩擦。

图2　模型箱整体布置图Fig.2 Overall layout of model box

根据模型槽尺寸和相似比，选取模型桩桩长100 cm，桩径4 cm；桩帽为正方形，边长8 cm，厚3 cm；桩筏结构的混凝土板长44 cm×宽60 cm×厚3 cm。为保证桩帽和桩身连接牢固，采用C20混凝土对二者进行整体浇筑。3种复合地基桩间距均取17 cm，按梅花型布桩。

1.4填土性质及填筑过程

试验所用黄土取自实际工程施工现场，通过试验测得其物理力学指标如表2所示。为了更清楚地观测、比较复合地基的加固效果，控制填土的压实度为75%，并严格控制填土的密度和含水率。

表2　黄土物理力学指标

试验采用分层填筑压实的方法进行填土。为保证桩身与桩周土体有足够的摩擦，先在模型箱内填土40 cm，再将直径为4 cm的钢管压入土中30 cm成孔，将预制好的桩放入孔中，再用细钢筋将桩体周围的土体捣实，保证桩和土体接触良好。

桩周土填筑完毕后，在桩顶复合地基上铺设3 cm的砂垫层，在砂垫层中部铺设一层土工格栅，然后再填筑10 cm的土用来模拟路堤填土，并充分压实。1.5测点布置

为了测试路堤荷载下的应力应变值，复合地基做好后在桩(帽)顶和桩间土上部布设土压力盒；在加载板下中间一排3根桩上埋设了应变片；沿桩体每隔20 cm贴一个应变片。将土压力盒和应变片的引线分别做好标记，并将应变片用胶封裹，做好防潮处理。土压力盒与应变计布置如图1所示。

1.6加载方法

试验采用千斤顶进行人工加载。在加载过程中，由安放在加载板4个角上的百分表测量沉降板的变形。每级荷载作用下的最终变形值取4个百分表读数的平均值。为保证试验的准确性，采用逐级加载的方法，每级压力为10 kPa，最大压力为100 kPa。每隔30 min读记承压板沉降量，每次加载前后均应读记。当1 h内沉降量小于0.1 mm时，进行下一级加载。试验加载装置如图3所示。

图3　加载装置图Fig.3 Figure of loading device

2实验结果分析

2.1荷载—沉降变化规律

图4为模型试验得到的天然地基和加固后地基的荷载-沉降曲线。文中ZW，ZMW和ZF分别表示桩网、桩帽网和桩筏复合地基。

从图中可以看出，当荷载处在较低水平时(荷载小于40 kPa)，天然地基和加固后地基的荷载沉降曲线基本都呈线性增长，且沉降数值相差不大，这表明地基土都处于弹性工作状态；随着荷载的增加，天然地基的沉降增加很快，而加固后的复合地基沉降比较均匀，且数值较小；当荷载增加到80 kPa时，天然地基变形持续发展，表明地基达到了极限承载力，而加固后的复合地基还可以继续承载。当荷载达到100 kPa时，桩网复合地基最大沉降为8.9 mm，桩帽网复合地基最大沉降为7.2 mm，桩筏复合地基的最大沉降为5.1 mm。根据模型试验的相似常数CS=1/10，得到100 kPa时，桩网、桩帽网和桩筏复合地基的实际沉降分别为89，72和51 mm。

由此可见，在同一荷载水平下，桩筏复合地基的沉降最小，承载力最高，桩帽网复合地基次之，桩网复合地基最小。也就是说，加设桩帽或混凝土板都可以明显减小地基沉降。

图4　地基的荷载—沉降曲线Fig.4 Load-settlement curves of foundations

2.2桩身应力随深度的变化规律

由模型桩身表面粘贴的应变片，可测得不同荷载水平下混凝土的应变，经过换算得到不同深度的桩身应力值。图5～7为3种不同地基加固形式下桩身应力随深度的变化曲线。对比图形可以得出以下结论：

3种复合地基的荷载-沉降曲线形状相同，都是在不同荷载水平下，桩身应力沿深度先增加后逐渐衰减，最大应力出现在桩(帽)顶下10～20 cm处。这是因为桩、土沉降差异，使得桩侧产生向下的摩阻力。

图5　桩网复合地基桩身应力随深度的变化曲线Fig.5 Curves of pile body stress of pile-net composite foundation with depth

图6　桩帽网复合地基桩身应力随深度的变化曲线Fig.6 Curves of pile body stress of pile-cap-net composite foundation with depth

图7　桩筏复合地基桩身应力随深度的变化曲线Fig.7 Curves of pile body stress of pile raft composite foundation with depth

2.3桩土应力比与桩土荷载分担比的变化规律

在荷载作用下，复合地基中桩体和桩间土受力不同。若用σp表示桩(帽)顶应力，σs表示桩间土应力，则桩土应力比n=σp/σs。若用Pp表示桩(帽)承担的荷载，用Ps表示桩间土承担的荷载，P为总荷载，m为面积置换率，δP为桩体的荷载分担比，δs为桩间土的荷载分担比，则有δP=Pp/P=mn/[1+m(n-1)]，δs=Ps/P=(1-m)/ [1+m(n-1)]。本文由土压力盒测试得到桩土应力值，再通过计算得到桩(帽)土荷载分担比。

图8～9为3种加固方式下桩土应力比与桩土荷载分担比随荷载的变化关系。从图中可以看出，3种复合地基桩土应力比、桩体的荷载分担比均随荷载的增加而增加，而桩间土的荷载分担比则减小。这表明外荷载越大，桩体分担的荷载越大、桩间土分担的荷载越小。3种复合地基中，桩筏复合地基桩土应力比最大、桩体的荷载分担比也最大，而桩间土的荷载分担比最小。这也表明桩筏复合地基更能发挥桩体的承载作用。

当荷载从10 kPa增加到100 kPa时，桩网、桩帽网和桩筏复合地基桩土应力比变化范围分别从2.45，3.41和6.30增加到为3.09，5.08和7.12；相应的桩体荷载分担比分别从0.14，0.54和0.59增加到0.18，0.64和0.69；而桩间土的荷载分担比分别从0.86，0.81和0.70减小到0.82，0.74和0.67。

图8　荷载与桩土应力比的变化关系曲线Fig.8 Curves of pile soil stress ratio with load

图9　荷载与桩土荷载分担比的关系曲线Fig.9 Curves of load pile and soil load sharing ratio with load

3结论

1)3种地基加固形式，在荷载作用下桩身应力总体上表现出随深度衰减的特性，但衰减速度不同。其中，桩筏复合地基中桩分担的荷载最大，桩网复合地基最小，这也是桩筏复合地基在荷载作用下，沉降较小的原因。

2)3种加固方式下桩土应力比均随荷载的增加近似呈线性增加。其中，桩筏复合地基桩体分担的荷载最多，桩帽网复合地基次之。

3)通过载荷试验可知，3种加固方式对天然地基均有一定的加固效果。当荷载达到100 kPa时，桩网、桩帽网和桩筏复合地基的最大沉降分别为8.9，7.2和5.1 mm，有相似常数CS=1/10得到相应的实际沉降分别为89，72和51 mm。

4)通过以上计算对比分析可知：在路堤荷载作用下，桩筏复合在减小路基沉降、荷载分担方面明显优于桩(帽)网复合地基。

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SUN Xinbiao. Study on the vearing behavior of CFG-pile composite foundation for high-speed railway[D]. Chengdu:Southwest Jiaotong University, 2009.

Experimental study on CFG pile-(cap-)-net and pile-raft composite foundations of high speed railway

LI Shanzhen1, MA Xuening1, SHI Ruiguo2

(1.College of Civil Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China;2.Department of Architectural Engineering, Xingtai Polytechnic College, Xintai 054053, China)

Abstract:Based on the model test, the settlement and load transfer rule of pile-net, pile-cap and pile-raft composite foundations were analyzed. Although serveral differences are found among these composite foundations, the overall regularity is similar. All these composite foundations have a certain effect on settlement reducing, and the settlement has an exponential increase as the load increases. Among them, the settlement of pile-raft composite foundation is the minimum one. With the increase of depth, pile body stress increases firstly and then decreases. The maximum value appeared in a certain depth under the top of pile. As the load increases, the stress ratio of pile-soil increases linearly. Under the same load level (such as 100 kPa), the settlement and pile top stress of pile-raft composite foundation are minimum (5.1 mm, 142 kPa) while stress ratio of pile-soil is the maximum(7.12). So the reinforcement effect of pile-raft composite foundation is more significant. To a certain extent, the conclusions obtained by this paper can provide reference for the study of the composite foundation theory and engineering research.

Key words：high speed railway; composite foundation; bearing characteristic; settlement; model test

中图分类号：U292.91+7

文献标志码：A

文章编号：1672-7029(2016)04-0600-06

通讯作者：马学宁(1974-)，男，宁夏中卫人，教授，从事岩土、道铁等方面的教学与研究; E-mail: 65809626@qq.com

基金项目：国家自然科学基金资助项目(41562014)；长江学者和创新团队发展计划资助项目(IRT1139)

收稿日期：2015-09-13