循环荷载下桩承加筋复合地基中土工格栅变形试验研究★

邵 洪 槐

(中国石化销售浙江石油分公司，浙江 杭州 310009)

1 概述

土工格栅具有强度高、变形小、耐久性好等特点，常和桩一同设置于软土路基中组成桩承加筋路基，用于解决软土路基承载力低，整体变形及不均匀沉降较大的问题[1，2]。唐晓松等[3]通过有限元分析发现土工格栅模量对路堤加固效果影响显著。谢新宇等[4]、周娟[5]的研究表明在复合地基中设置土工格栅能有效减小地基的不均匀沉降。曹新文等[6]、刘飞禹等[7]的研究表明桩承加筋路基中铺设土工格栅能够有效改善附加应力的传递。刘开富等[8]通过模型试验探究了静荷载下土工格栅应变值与平面位置间的关系。

考虑到循环荷载的作用，张孟喜等[9]通过拉伸试验研究了循环荷载的大小、频率和预拉力对土工格栅动应变和软化指数的影响；张兴强等[10]通过数值分析研究交通荷载作用下土工格栅的加筋效果和机理。胡意[11]、许家培[12]通过模型试验研究了循环荷载作用下土工格栅在不同桩支承条件下的变形性状。总体上对循环荷载下的刚柔性桩加筋复合地基中土工格栅的变形研究还不够深入。

因此，本文以刚柔性桩加筋复合地基中的土工格栅为研究对象设置了3组模型试验，分析不同频率及幅值的循环荷载作用下刚柔性桩加筋路基中土工格栅的应变变化规律，以探究交通荷载下土工格栅的变形性状。

2 试验简介

2.1 试验材料

地基模型中土层自下而上分别为粉质粘土、淤泥质粘土、粉质粘土，模拟软土地区常见的地层；并在上部铺设砂垫层模拟路堤填土。试验土体均取自杭州地区，其物理指标如表1所示。

表1 地基土层的基本物理指标

周小凤等[13]的研究表明，双向土工格栅加筋效果优于单向和三向土工格栅，因此模型中选用双向土工格栅；土工格栅采用双向拉伸塑料格栅，具体型号为TGSG30-30。

刚性桩采用钢管模拟，柔性桩采用PVC管模拟。刚性桩与柔性桩的管径均为50 mm，壁厚均为2 mm。两种桩在弹性模量上的比值近似于工程实际中的刚性桩与柔性桩的比值。

2.2 试验简介

1)模型箱布置与加载装置。

加载试验在自制模型箱中进行，模型箱采用钢板围焊而成，并在一侧采用钢化玻璃代替钢板。模型箱内壁净尺寸为1.5 m×0.9 m×1.7 m(长×宽×高)，具体情况如图1所示。试验加载通过伺服液压系统进行，加载板平面尺寸为0.8 m×0.8 m。

2)应变片布置。

为观察土工格栅的应变变化情况，在土工格栅上布置应变片，应变片布置如图2所示；其中1号测点位于桩间土，2号测点位于柔性桩桩侧，3号测点位于刚性桩附近。

3)加载方案。

循环荷载加载曲线如图3所示，为正弦波循环荷载。本文拟通过试验对比分析循环荷载作用下不同幅值和频率的桩承加筋复合地基中土工格栅的应变变化，加载方案如表2所示，根据循环荷载的振幅和频率，共设置5组加载方案，每组试验循环加载100次。

3 试验结果分析

表2 循环荷载加载方案

试验编号12345荷载大小Pmax/kN4443.55P/kN33333Pmin/kN2222.51频率f/Hz0.51211循环次数n/次100100100100100荷载波形正弦正弦正弦正弦正弦

循环荷载作用下，土工格栅应变随荷载循环次数增大而不断变化，是一个动态的过程[11]。考虑到循环次数过多时应变曲线会非常密集，导致无法看清单次循环内的土工格栅应变变化情况，故仅选取循环次数为55～65时土工格栅的应变曲线进行分析。

3.1 循环荷载的幅值对土工格栅应变的影响

图4为循环次数从55增大到65时不同加载幅值下各测点土工格栅应变—循环次数曲线。由图4可知，循环荷载作用下土工格栅的应变值随着上部荷载的加载曲线波动而发生变化；随着循环荷载幅值的增大，土工格栅应变的变化幅度也随之增大。由图4还可知，位于柔性桩侧的2号测点处土工格栅应变的变化幅度大于其他测点，如上部荷载的幅值为0.5 kN时应变幅值约8.7 με，上部荷载的幅值为1 kN时应变幅值约为19.9 με，上部荷载的幅值为2kN时应变幅值约为43.6 με；这表明荷载幅值增大时，土工格栅应变幅值与荷载幅值的增大随之增大，但其不是一个定值。

实际工程中，复合地基或路基上部的荷载振幅是多变的，与车辆大小、载重等有关，工程设计时应考虑荷载振幅最大的情况下柔性桩桩边(2号测点)处土工格栅的工作性状。

3.2 循环荷载的频率对土工格栅应变的影响

图5为不同加载频率下各测点的土工格栅应变—循环次数曲线。由图5可知，加载频率的改变对土工格栅的应变幅值影响较小，但会影响土工格栅应变值随循环次数变化的规律。增大荷载频率时，1号测点处的土工格栅的应变值处于相对稳定状态；2号测点处的土工格栅应变值在0.5 Hz的荷载作用下随着循环次数增大而减小，在1 Hz的荷载作用下随着循环次数增大而增大，在2 Hz的荷载作用下应变值相对稳定；3号测点在0.5 Hz的荷载作用下应变值随着循环次数增大而减小，而在1 Hz及2 Hz的荷载作用下应变值处于比较稳定的状态。由图5还可知，不同频率荷载作用下，2号测点(柔性桩桩侧)处的土工格栅应变的变化幅值均大于其他测点，3号测点(刚性桩附近)处的土工格栅应变的变化幅值大于1号测点(桩间土)处的。这个规律与前文所得的循环荷载幅值对土工格栅应变的影响规律相似。

实际工程中，交通荷载的频率是不确定的，与车速有关，工程设计时应考虑不同频率荷载的变化对柔性桩桩边(2号测点)位置土工格栅工作性状的影响。

4 结论与建议

通过模型试验对复合地基进行循环加载，探究了刚柔性桩加筋路基中土工格栅的应变变化规律，得出如下结论：

1)正弦波循环荷载下土工格栅的应变变化规律与上部荷载密切相关，改变荷载幅值和频率时，土工格栅上的应变会发生相应的变化。

2)在循环荷载作用下，柔性桩桩边土工格栅上的应变变化幅值最大，其受荷载幅值、频率变化的影响也最大。因此，在实际工程设计及应用中需考虑交通荷载作用下柔性桩桩侧位置的土工格栅变形、强度等问题。