静动荷载下桩网结构路基土工格栅承载特性试验研究.pdf
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1、第 63 卷 第 9 期2023 年9 月铁道建筑Railway EngineeringVol.63 No.9September 2023文章编号:10031995(2023)09013506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摘要 以京沪高速铁路徐沪段路基为研究对象,通过室内大比例模型试验,研究了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,分析10万次动荷载作用后土工格栅的承载特性。结果表明:在路基填筑初期未形成稳态土拱前土工格栅应变增长较快,当形成稳态土拱后土工格栅应变增长趋于稳定,且桩帽边缘处
2、土工格栅应变增长最快,土工格栅使得桩顶上方多承担了7.6%的荷载;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,土工格栅减小了动荷载对土拱效应的削弱作用;相比静载动荷载作用下土工格栅应变增长迅速,最大增长了约19%;动荷载作用后土工格栅会产生拉力退化与软化现象。关键词 桩网结构路基;动荷载;土拱效应;土工格栅;格栅应变;拉伸试验中图分类号 U213.1 文献标识码 A DOI:10.3969/j.issn.10031995.2023.09.27引用格式:梁自立,王旭,韩高孝.静动荷载下桩网结构路基土工格栅承载特性试验研究 J.铁道建筑,2023,63(9):135140.桩
3、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。Jonathan1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。Guido2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,
4、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。Barchard7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
5、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
6、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,长期动荷载对加筋收稿日期:20230614;修回日期:20230720基金项目:国家自然科学基金(41902272,51868038)第一作者:梁自立(1993),男,讲师,硕士。E-mail:铁道建筑第 63 卷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
7、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 16,密度参数取 11
8、,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。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。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
9、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。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
10、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。静载为路堤表1模型相似比物理量几何尺寸密度弹性模量频率动应力模型相似比6111/61物理量加速度位移应力泊松比模型相似比1/6611表2模型试验方案编号12路堤高度/m0.60.6动荷载/kPa015015有无格栅有无加载次数/万次1010加载频率/Hz22图2模型试验过程图1模型试验装置(单位:cm)136第 9 期梁自立等:静动荷载下桩网结构路基土工格栅承载特性试验研究
11、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。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
12、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。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
13、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。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
14、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%,土工格栅的存图4静载下路堤中土压力沿深度分布图6静载下桩顶荷载分担比随填土高度变化曲线图3动力加载波形图5静载下土工格栅应变137铁道建筑第 63 卷在使得桩顶上方多承担了7.6%的荷载。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
15、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
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