静动荷载下桩网结构路基土工格栅承载特性试验研究

梁自立 王旭 韩高孝

兰州交通大学 土木工程学院， 兰州 730070

桩网结构路基已在我国高速铁路的建设中广泛应用，而土拱效应与加筋垫层是影响桩网结构路基荷载传递的主要因素，目前桩网结构路基的设计方法主要基于静力学的研究成果。实际上，桩网结构路基不仅要承担上部结构的静荷载，同时还要受到列车长期动荷载的作用，从而引起土拱的失稳、退化以及垫层中加筋材料承载性能的改变，最终导致路基和轨道结构变形，影响行车安全性和舒适性。

许多学者对桩网结构路基中加筋垫层的承载特性进行了试验研究。Jonathan［1］通过设计模型试验发现土工格栅刚度对土拱效应的影响较大。Guido［2］通过室内模型试验发现加筋粗颗粒土可以显著提高地基承载力，这主要是由于土体中加筋材料的存在，提高了土体的抗拉强度，增大了荷载扩散角，从而提高了地基土的承载力。陈仁朋等［3］通过桩网加筋路堤足尺模型试验发现，土工格栅的存在使得桩顶上方多承担了12%的荷载，长期动荷载作用对土工格栅的拉力影响较大。韩高孝等［4］在室内设计了三维模型试验发现，土工格栅可以增强动荷载下土拱效应稳定性。肖宏等［5］通过几组模型试验发现在动荷载作用下，土工格栅应变随循环次数的增加而增大，并且在未形成完整土拱前增长迅速，而后增速缓慢。焦栋梁［6］通过室内模型试验研究了加载波形、差异沉降、桩身轴力等参数对桩承加筋土复合地基的影响。Barchard［7］利用离心模型试验发现在未形成完整土拱的路基中荷载主要受土工格栅加筋效果的影响。许朝阳等［8］利用模型试验并结合数值分析发现，动荷载对无加筋垫层的路基影响较大，主要表现在桩顶荷载减小，而桩间土的压力与变形增大；加筋垫层能减小动荷载对土拱效应影响，设置双层土工格栅的加筋垫层效果最好。费康等［9］利用室内三维模型试验发现土工格栅减小了差异沉降，从而削弱了土拱效应；路基中荷载的传递主要受土拱效应与加筋垫层的共同支配。蔡德钩等［10］通过现场试验发现桩帽边缘处格栅肋条应变最大。张崇磊等［11］通过相似理论，设计了4 组大比例模型试验，发现随着循环次数增加，土工格栅应变逐渐增大，但横向分布与静载类似。房营光等［12］通过可视化光弹试验技术发现路基填筑高度对路基内部土拱的形成及形状有极大的影响。

综上，国内外学者已经通过模型试验与现场实测对桩网结构路基中的土拱效应与加筋材料做了大量研究。现有的研究表明，桩网结构路基荷载的传递主要受土拱效应与土工格栅网兜效应的影响，但是两者之间的协同机制尚未明确。此外，长期动荷载对加筋材料承载性能的影响也有待研究。本文通过室内大比例模型试验，研究静动荷载作用下桩网结构路基土拱效应与土工格栅承载性能的变化规律和对10 万次动荷载作用后土工格栅的承载特性，可为今后加筋材料设计参数的选取提供参考。

1 模型试验概况

1.1 模型试验方案

以京沪高速铁路徐沪段DK849 + 575 断面路基为研究对象，该断面为板式无砟轨道线路，桩网结构路基高4.15 m，其中基床表层0.4 m，碎石垫层厚0.6 m，垫层内铺设一层土工格栅。桩为端承桩，桩径0.5 m，桩间距1.8 m，呈正方形布置，持力层为强风化角闪岩。试验时以桩网结构路基中的一个基本单元为研究对象（即四根桩及其处理的桩间土）。为了保证模型代替原型的有效性，采用相似理论进行了推导，但由于难以完全满足相似关系，因此控制主要物理参数的相似率，忽略其他次要物理参数的影响。模型试验中选择密度、几何尺寸、动应力为基本物理量，几何尺寸相似参数取1∶6，密度参数取1∶1，动应力参数取1∶1，通过相似理论推导出其他物理参数应满足的相似关系，见表1。

表1 模型相似比

模型试验在120 cm × 120 cm × 190 cm 的模型箱中进行。设置4 根桩，桩截面为圆形，桩径8.4 cm，桩长100 cm，桩中心间距30.0 cm，净间距21.7 cm，路基填筑高度为60 cm。模型试验装置图见图1。

图1 模型试验装置（单位：cm）

1.2 模型试验材料的选取与路基填筑

模型桩与桩帽均采用有机玻璃材质，其弹性模量为2.86 GPa。通过荷载传感器来测试加载过程中桩顶所承受的荷载。采用实际路堤中所使用的双向土工格栅，并在桩顶范围与桩间土范围内分别粘贴应变片来测试土工格栅在荷载作用下的响应。路基填料为天然密度1.92 g/cm3、含水率16%、内摩擦角30.4°、黏聚力30.5 kPa 并经过2 mm 筛的黄土，压实系数控制为0.9。为了模拟较软的桩间土材料，在填筑模型下部100 cm 的桩间土时，采用松填的方式，不进行夯实。模型箱底部20 cm 采用碎石填筑，作为桩身持力层。上部60 cm 的路堤填筑时，采用分层填筑（每层10 cm），分层击实，每一层压实后在桩顶与桩间土处埋设土压力盒。为了减小模型箱箱壁与土体的摩擦力对试验的影响，提前在箱壁均匀涂抹了凡士林润滑剂。最终确定的试验方案为两组对比试验，见表2。模型试验过程见图2。

图2 模型试验过程

表2 模型试验方案

1.3 加载系统及加载方式的选取

根据相关文献以及现场实测资料，高速列车在无砟轨道上运行时在路基表面产生的动应力在10 ～20 kPa，动荷载频率的变化范围在5 ～ 33 Hz，并且响应主频在10 Hz 附近。由于高速列车荷载模拟较复杂，因此本次试验对动荷载的加载波形作了简化处理，采用半正弦波形的加载方式。

试验加载分为静载与动载两部分。静载为路堤填土荷载。动力加载系统由加载设备、反力系统和承载板共同组成，在该系统的作用下可产生0 ～ 15 kPa的半正弦波形的动应力，加载频率为2 Hz，加载波形见图3。

图3 动力加载波形

在加载过程中，首先将土压力盒与应变采集系统置零，测试在静载（填土荷载）作用下的变化规律。在静载测试完毕后，再次将土压力盒与应变采集系统置零，然后施加动荷载，测试在动荷载作用下的响应，以便与静载作对比。

2 试验结果及分析

2.1 静载

静载下路堤中土压力沿深度分布曲线见图4。可知：在填土距桩顶30 cm 以上时，桩顶与桩间土上方所承受的土压力基本相同，此段为无拱范围；而在30 cm以下时，桩顶与桩间土所承受土压力出现了较明显差异，桩顶上方土体所承受的土压力明显增大，而桩间土上方的土压力明显减小，此段为出现土拱的范围。在静载作用下土拱的高度30 cm（1.38倍的桩净距）附近，土拱效应明显，此时在土体内部已形成稳态土拱。两组试验的桩土应力比较为接近，有格栅的约为4.1，无格栅的约为3.4，这主要是由于填土荷载较小，土工格栅网兜效应发挥不充分。

图4 静载下路堤中土压力沿深度分布

静载下土工格栅应变见图5。可知：填土荷载作用下，由于土拱效应和土工格栅网兜效应，桩间土所承受的荷载不断转移到桩顶上方，导致桩间土上方的格栅应变增幅较小，而桩帽范围内的格栅应变增长迅速，且桩帽边缘格栅应变最大。这是由于桩帽边缘处有形状和刚度的突变，会产生应力集中。土工格栅应变增长分为快速增长期与平稳增长期两个阶段。这主要是由于在路堤填筑初期，土体内部未形成稳态土拱，荷载主要通过土工格栅网兜效应进行传递，此阶段土工格栅应变增长迅速；随着路堤高度不断增加，土工格栅应变增长速率明显下降，应变保持平稳增长，此阶段路基内部已形成稳态土拱，荷载转移量趋于稳定。

图5 静载下土工格栅应变

静载下桩顶荷载分担比随填土高度变化曲线见图6。可知：在填土荷载作用下，路基高度为0 ～ 30 cm时，桩顶荷载分担比不断增长，这主要是由于土拱效应与土工格栅网兜效应使更多荷载转移到桩顶上方。在填土高度为30 cm 以后增长速率趋于稳定，主要是由于此时土体内部已形成稳态土拱，桩顶上方的荷载转移量趋于稳定。在有格栅的试验中，桩顶荷载分担比的前期增长速率明显高于无格栅试验，而后期两者的增长速率基本保持一致，这说明土工格栅主要是在路基填筑初期将更多的荷载转移到桩顶上方，从而提高了桩顶荷载分担比。在路堤填筑结束后，有土工格栅试验最终的桩顶荷载分担比为57.7%，而无土工格栅试验最终的桩顶荷载分担为50.1%，土工格栅的存在使得桩顶上方多承担了7.6%的荷载。

图6 静载下桩顶荷载分担比随填土高度变化曲线

综上，在静载作用下，桩网结构路基内部荷载的传递主要受土拱效应影响，而土工格栅的网兜效应主要发挥在路基填筑初期。

2.2 动荷载

动荷载下路堤中土压力沿深度分布曲线见图7。可知：两组试验桩顶与桩间土上方土体所承受的动应力在高度大于30 cm 的范围内（土拱影响范围外）存在基本相同的线性衰减规律，但是在高度30 cm 以内（土拱影响范围内）出现了明显不同的变化趋势；在无格栅试验中，桩顶上方土体动应力基本保持不变，且还有小幅度减小的趋势；而桩间土上方土体动应力继续衰减，但是速率明显加快，这主要是由于在动荷载作用下土拱效应依然有效，使更多的荷载转移到了桩顶上方。在有格栅的试验中，两者出现了明显相反的趋势，桩顶上方土体动应力出现增大现象，而桩间土上方土体动应力继续衰减，这主要是由于土工格栅的存在进一步加强了荷载向桩顶上方的转移，从而使桩顶上方土体动应力出现了增大现象。 此时两组试验的桩土应力比，有格栅的约为6.1，无格栅的约为3.5，土工格栅明显提高了桩土应力比，改变了荷载的传递方式，使更多的荷载由桩顶上方承担，从而减小了荷载向桩间土上方的转移量，增强了动荷载作用下土拱效应稳定性。在动荷载作用下的土压力沿深度的变化曲线与静载下的明显不同。

动荷载下土工格栅应变见图8。可知：①桩帽范围内的土工格栅在动荷载作用下的应变随循环次数的增加迅速增长，但是在循环次数为2万～4万次时应变出现先减小又增大的现象，而桩间土范围内的格栅应变则在这一区间增长速率明显提高，但在振动4 万次以后基本保持稳定。这主要是由于土体在振动的过程中密实度增加，提高了土体的强度与刚度，同时受动荷载影响土拱效应有所弱化，从而使部分荷载转移到桩间土上方；但是随着土工格栅网兜效应不断发挥，荷载又转移到桩顶上方，这点从桩帽范围内的格栅应变在后期（振动4 万次以后）持续增长可以看出。②动荷载作用下土工格栅应变的横向分布与静载作用下的规律类似，由于土拱效应和格栅网兜效应，桩帽范围内的格栅应变最大，桩间土处的格栅应变最小。但是在动荷载循环10万次后，典型位置的应变相比静载分别增长了11%、19%、8%、13%、16%。其中桩帽范围内的增长幅度相对较大。由此可知，长期动荷载作用对土工格栅的承载性能影响较大。

动荷载下桩顶荷载分担比见图9。可知：桩顶荷载分担比随着循环次数的增加呈下降趋势，但下降幅度不大。这主要是由于在循环加载过程中，土拱在动荷载作用下产生了一定程度的退化，在土拱影响范围内的部分荷载转移至桩间土。试验结束后，在有土工格栅的试验中桩顶荷载分担比从最开始的57.6%下降到55.7%，下降了约2%；而无土工格栅的试验中从开始的50.1%下降到了43.3%，下降了约7%。土工格栅可以减少桩顶荷载向桩间土上方的转移，从而增加动荷载作用下土拱效应的稳定性。

综上，在10 万次动荷载作用下，土拱效应依然有效，但是会产生一定程度的弱化，土工格栅的存在可以有效减小动荷载对土拱效应的削弱作用，从而使更多的荷载转移到桩顶上方。长期动荷载作用对土工格栅的承载特性影响较大。

3 土工格栅拉伸试验

3.1 试验概况

为研究在循环10 万次后动荷载对土工格栅承载特性的影响，在实验室内通过自行设计的夹具，在万能试验机上进行了拉伸试验。

试验选取了4组动荷载作用后的土工格栅（2组取自桩顶，2 组取自桩间土）同4 组没有加载的土工格栅作对比试验，见图10。其中，试样宽度200 mm，名义夹持长度100 mm，拉伸速率20 mm/min。

图10 拉伸试验试样

自行设计的夹具是通过对两块L 形钢板开孔后，用螺栓将土工格栅夹紧，然后在两侧通过放置钢板与钢筋和万能试验机的夹具相连来进行试验（图11）。

图11 拉伸试验

3.2 试验结果

拉伸曲线见图12。可知：①在10万次动荷载作用后的格栅拉力都有所下降，桩间土处土工格栅的拉力下降幅度较小，从6 kN 下降到5 kN，拉力退化了16.7%；而桩顶处的土工格栅下降幅度较大，从6 kN下降到了4 kN，拉力退化了33.3%。②桩顶1 处土工格栅的拉伸曲线明显与其他的不同，该曲线的拉力在前半段与未加载的增长趋势相同，而在后半段出现了位移迅速增长但拉力却增长不大，出现了软化现象。

图12 土工格栅拉伸曲线

长期动荷载作用对桩网结构路基中土工格栅的承载特性影响较大，会发生拉力退化以及软化现象。因此，在长期动荷载作用下加筋材料的设计中，应该考虑将土工格栅拉力退化率及软化指数加入其中。

4 结论与建议

1）在静载作用下，土体内部土拱效应明显，土拱高度在30 cm 左右，荷载的传递主要受土拱效应影响；土工格栅应变增长分为前期快速增长与后期平稳增长两阶段，加筋作用主要发生在路堤填筑初期未形成稳态土拱前，且桩帽边缘处的格栅拉力最大。

2）在动荷载作用下，土拱效应依然有效，但是会产生一定程度的弱化，两组试验中桩土应力比有格栅的约为6.1，无格栅的约为3.5。土工格栅明显提高了桩土应力比，从而增强了动荷载作用下土拱效应的稳定性。

3）在动荷载作用下，土工格栅的承载特性发生了明显变化，主要表现在应变随动荷载循环次数的增加而迅速增长，相比静载最大增长了约19%；格栅会出现拉力退化与软化现象，特别是桩顶格栅拉力退化达33.3%并出现了软化现象，在长期动荷载作用下加筋材料的设计中应予考虑。