箱式路基端承式復(fù)合地基靜動力性能室內(nèi)模型試驗(yàn)研究

王亞威

中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司， 武漢 430063

中國鐵路工程建設(shè)的高質(zhì)量發(fā)展是今后交通建設(shè)的主要方向。路基作為軌道結(jié)構(gòu)的承載部位，是一種典型的線下支撐結(jié)構(gòu)。相對于傳統(tǒng)路基結(jié)構(gòu)，箱式路基可以避免大體量路基填料的運(yùn)輸以及大體量填料的分層壓實(shí)，節(jié)約了物料和用地，可以有效降低我國橋隧比，是一種迎合低碳、裝配式發(fā)展的新型路基結(jié)構(gòu)。因此對拼裝式箱式路基及其基礎(chǔ)的工后沉降、靜動力性能的研究尤為重要。

鐵路路基結(jié)構(gòu)的典型工程問題為路基沉降控制及力學(xué)特性研究，因此在我國軟土、黃土等特殊土地區(qū)，國內(nèi)外眾多學(xué)者提出了多種新型路基結(jié)構(gòu)來控制整體變形和提高路基承載能力，其中包括X 形樁復(fù)合地基［1-2］、樁筏樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)［3-6］、樁板結(jié)構(gòu)［7-9］等，針對新型路基結(jié)構(gòu)研究其動力響應(yīng)特征、長期累積變形特性與承載機(jī)制等。詹永祥等［10］在遂渝線針對非埋式樁板結(jié)構(gòu)采用理論分析、循環(huán)動態(tài)加載試驗(yàn)與離心模型試驗(yàn)等開展沉降變形與動力特性研究。蘇謙等［11-12］針對京滬高速鐵路淺埋式樁板路基結(jié)構(gòu)，通過數(shù)值分析與原位激振試驗(yàn)，系統(tǒng)地研究了深厚軟土淺埋樁板式低矮路堤結(jié)構(gòu)的長期變形與動力穩(wěn)定性。杜廣印等［13］利用模型試驗(yàn)研究透水混凝土樁復(fù)合地基的承載力。劉宏揚(yáng)等［14］采用離心模型試驗(yàn)研究水泥粉煤灰碎石（Cement Fly-ash Gravel，CFG）樁失穩(wěn)破壞特性。

當(dāng)前對于高速鐵路路基、高速公路路基復(fù)合地基加固技術(shù)已進(jìn)行了較多研究。由于箱式路基結(jié)構(gòu)是拼裝式預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)，對變形和地基各項(xiàng)力學(xué)性能要求甚高，但對箱式路基新結(jié)構(gòu)下復(fù)合地基變形及靜動力學(xué)性能研究鮮有報道。因此本文依托室內(nèi)模型試驗(yàn)，以新建箱式路基端承式復(fù)合地基的靜載和長期疲勞加載變形，復(fù)合地基中墊層、樁間和樁底土壓力分布為觀測指標(biāo)對其動靜態(tài)性能進(jìn)行研究，以期為相關(guān)工程建設(shè)提供參考。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計

1.1 模型設(shè)計

本次室內(nèi)模型試驗(yàn)在西南交通大學(xué)陸地交通地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)國家工程研究中心進(jìn)行，采用實(shí)驗(yàn)室先進(jìn)的加載和測試設(shè)備完成加載步驟和測試內(nèi)容。受實(shí)驗(yàn)室加載條件限制，在保證試驗(yàn)可靠性與安全性的前提下，按照相似比1∶6 確定箱式路基模型結(jié)構(gòu)尺寸。單節(jié)箱式路基箱體長度為1.66 m，高度為1.17 m，寬度為2.02 m，見圖1。路基箱體下方有墊層高度為0.1 m（包含0.067 m 碎石 + 0.033 m 中粗砂）夾鋪兩層土工格柵，在墊層里摻3%的水泥。箱式路基室內(nèi)模型見圖2。

圖1 箱式路基橫截面（單位：m）

圖2 箱式路基室內(nèi)模型試驗(yàn)

箱式路基為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土采用C45 混凝土。地基擬采用CFG 樁加固，CFG 樁樁徑0.08 m，高度擬定為0.95 m，樁間距0.32 m（垂直線路方向） ×0.33 m（線路方向）。樁帽長度0.15 m，寬度0.15 m，高度0.06 m。CFG 樁體原材料采用碎石、石屑、粉煤灰、水泥配合而成，材料按C15 混凝土配比；樁頂鋪設(shè)墊層（碎石+中粗砂），墊層粒徑不大于30 mm。同時，樁頂采用C35 混凝土樁帽。地基樁間土質(zhì)為粉質(zhì)黏土，樁底為基巖。模型試驗(yàn)中，基巖采用現(xiàn)澆混凝土層，樁基嵌入混凝土層模擬端承效果。

1.2 試驗(yàn)工況

本模型試驗(yàn)加載模式分靜力加載試驗(yàn)和動力加載試驗(yàn)兩部分，首先開展靜力加載試驗(yàn)，然后進(jìn)行動力加載試驗(yàn)。

1）靜力加載試驗(yàn)

靜力加載試驗(yàn)所選取的加載量級不能超過試驗(yàn)?zāi)Ｐ统惺軜O限，不能造成試驗(yàn)?zāi)Ｐ彤a(chǎn)生破壞。根據(jù)荷載的相似關(guān)系，采用單個轉(zhuǎn)向架模型，模型荷載為原型荷載的1/36。根據(jù)TB 10002—2017《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范》采用ZKH 標(biāo)準(zhǔn)活載，一個轉(zhuǎn)向架對軌面上的荷載為500 kN，故對結(jié)構(gòu)施加的模型荷載為13.89 kN，豎向靜荷載加載形式見圖3。豎向靜荷載分為跨中截面加載和邊側(cè)截面加載這兩種試驗(yàn)工況。

圖3 靜力荷載加載時程曲線

2）疲勞加載試驗(yàn)

箱式路基結(jié)構(gòu)模型疲勞試驗(yàn)為循環(huán)荷載試驗(yàn)，模擬雙線鐵路列車反復(fù)荷載作用下對其長期性能的影響。列車荷載的大小是通過液壓伺服激振器的輸出荷載來反映的。試驗(yàn)時加載控制系統(tǒng)輸出荷載頻率擬采用5 Hz，輸出的波形為正弦波，荷載加載次數(shù)擬定為100 萬次。根據(jù)模型相似比，波峰值和波谷值分別為20、3 kN。靜載和疲勞加載作用位置見圖4（實(shí)際加載時靜載和疲勞分開加載），圖中編號為位置編號。

圖4 模型加載點(diǎn)位及位置編號

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 地基靜力變形特性

箱式路基結(jié)構(gòu)變形較小，位移主要是由地基沉降引起的，地基沉降不便于直接準(zhǔn)確監(jiān)測，故以箱式路基位移反映地基變形。靜力載荷從0開始分級加載到20 kN，每次增長5 kN。跨中加載過程中，激光位移計實(shí)時監(jiān)測箱式梁結(jié)構(gòu)在靜力載荷加載作用下跨中豎向位移的變化規(guī)律，見圖5?？芍寒?dāng)荷載施加到設(shè)計載荷13.89 kN 時，箱式梁結(jié)構(gòu)跨中截面的豎向位移為0.16 mm，以相似比換算到實(shí)際最大豎向位移僅為0.96 mm，且箱式路基結(jié)構(gòu)的位移分級增長，與荷載基本處于同步變化。判定在未超出正常服役荷載13.89 kN 時，箱式路基結(jié)構(gòu)整體可看作處于彈性階段。

圖5 箱式路基結(jié)構(gòu)跨中豎向位移

2.2 墊層靜載土壓力分布

靜力加載位置分跨中加載和邊側(cè)加載兩種工況，而土壓力監(jiān)測位置也分邊側(cè)截面（編號1—6）位置和跨中截面（編號13—18）位置。墊層土壓力沿橫向分布曲線見圖6。可知：在模型橫向方向上（以最左編號位置為原點(diǎn)），墊層土壓力由靠近加載點(diǎn)一側(cè)向另一側(cè)逐漸衰減，存在偏峰現(xiàn)象，且邊側(cè)加載引起的土壓力要比跨中加載引起的土壓力大。在跨中加載工況下，墊層跨中土壓力和邊側(cè)土壓力接近，土壓力最大值在26 kPa 左右。在邊側(cè)加載工況下，墊層邊側(cè)土壓力要明顯大于跨中土壓力，邊側(cè)土壓力最大值在61 kPa左右，跨中土壓力最大值在32 kPa 左右，相差接近50%，該結(jié)果符合結(jié)構(gòu)偏心受力規(guī)則，且最大應(yīng)力并未超過混凝土的抗壓強(qiáng)度，這說明在鐵路靜載下箱式路基整體性良好，傳力正常。

圖6 墊層土壓力分布曲線

2.3 樁間與樁底靜載土壓力

復(fù)合地基樁間（樁底）土壓力盒布置與墊層內(nèi)對應(yīng)，即邊跨截面編號1—6，跨中截面編號13—18。復(fù)合地基樁間中部土壓力分布曲線見圖7，復(fù)合地基樁底土壓力分布曲線見圖8。

圖7 復(fù)合地基樁間中部土壓力分布曲線

圖8 復(fù)合地基樁底土壓力分布曲線

由圖7、圖8 可知：樁中和樁底土壓力在模型橫向上變化規(guī)律相同，均是由靠近加載點(diǎn)一側(cè)向另一側(cè)逐漸遞減，也存在偏峰現(xiàn)象。邊側(cè)加載工況下的土壓力要比跨中加載工況下的土壓力大。在邊側(cè)和跨中加載下，樁中部土壓力均在0.2 kPa 以內(nèi)，分布起伏不大；樁底土壓力在邊側(cè)加載工況下，邊側(cè)土壓力比跨中土壓力大，邊側(cè)土壓力最大值在205 kPa 左右，跨中土壓力最大值在90 kPa 左右。樁底土壓力在跨中加載工況下，跨中土壓力與邊側(cè)土壓力大小相差非常小，土壓力最大值在90 kPa左右。

相比樁底土壓力，樁中部土壓力與之相差4 個數(shù)量級，說明端承式復(fù)合地基樁中部土幾乎不承擔(dān)荷載，荷載主要通過樁基傳遞至下部基巖，這基本符合端承樁的傳力機(jī)制。

2.4 沉降特性

選取加載頻率為5 Hz 情況下的動力累積沉降測試結(jié)果進(jìn)行分析，動位移計安置于圖4 中的2（左邊側(cè)）、14（中部）和26（右邊側(cè)）位置。箱式梁結(jié)構(gòu)的沉降隨循環(huán)加載次數(shù)的變化曲線見圖9?？芍汉奢d循環(huán)次數(shù)在0 ～ 10 萬次時，測點(diǎn)豎向累積沉降逐漸增加，當(dāng)循環(huán)次數(shù)達(dá)到10萬次后，箱式路基結(jié)構(gòu)各測點(diǎn)的豎向累積沉降基本保持穩(wěn)定。在跨中兩臺作動器的雙線對稱加載下，對稱位置處的累積沉降接近。在變形穩(wěn)定后，邊側(cè)截面測點(diǎn)累積沉降在0.22 mm左右，跨中截面測點(diǎn)累積沉降在0.29 mm 左右。根據(jù)相似比換算得實(shí)際工程邊側(cè)的累積沉降為1.32 mm，跨中為1.74 mm。跨中截面和邊側(cè)截面的累積沉降差異較小，滿足目前已有研究［15］的高速鐵路箱式路基沉降限值要求，即說明在單節(jié)梁體內(nèi)基本不會發(fā)生不均勻沉降。

圖9 箱式梁結(jié)構(gòu)沉降隨循環(huán)加載次數(shù)變化曲線

2.5 復(fù)合地基長期動應(yīng)力

2.5.1 墊層動應(yīng)力

墊層中動土壓力盒布置在邊側(cè)截面（編號1—6）和跨中截面（編號13—18）。墊層土壓力分布曲線見圖10。可知：墊層土壓力在模型橫向上對稱分布，土壓力大小由中間向兩側(cè)逐漸增大，土壓力最大值在60 kPa左右。這是由于應(yīng)力在箱式路基中是通過兩側(cè)的腹板向下傳遞到墊層，故在墊層中兩側(cè)土壓力要比中間大。對比跨中和邊側(cè)土壓力可知，跨中和邊側(cè)土壓力基本相差不大，整體處于均勻狀態(tài)，說明箱式結(jié)構(gòu)對列車動載分散性較好，在長期服役過程中墊層中的土壓力演化仍處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖10 墊層土壓力分布曲線

2.5.2 樁間和樁底土壓力分析

樁間和樁底動土壓力盒布置與墊層內(nèi)相對應(yīng)，即邊側(cè)截面（編號1—6）和跨中截面（編號13—18）。樁間和樁底土壓力分布曲線見圖11?？芍簶堕g土壓力在跨中截面和邊側(cè)截面大小均非常小，在0.2 ～ 0.3 kPa左右，幾乎可以忽略不計，說明端承式復(fù)合地基樁中部土體在雙線疲勞加載下基本不承擔(dān)荷載。樁底土壓力在模型橫向上跨中截面與邊側(cè)截面的土壓力大小相差并不大，均在180 kPa 左右，可知端承式樁土復(fù)合地基荷載主要由樁基承擔(dān)。這種力的分擔(dān)模式，在整個復(fù)合地基中均處于穩(wěn)定分散狀態(tài)，說明端承樁復(fù)合地基在長期加載過程中，傳力路徑穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)退化現(xiàn)象，復(fù)合地基整體工作良好。

圖11 樁底土壓力分布曲線

3 結(jié)論

本文設(shè)計了箱式路基結(jié)構(gòu)與端承復(fù)合地基相似試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，進(jìn)行了靜力分級加載與低周頻循環(huán)加載試驗(yàn)研究，通過測試分析，得到以下結(jié)論：

1）在鐵路靜載下，箱式路基及下部結(jié)構(gòu)處于彈性工作范圍，并通過分析地基的樁土壓力規(guī)律，發(fā)現(xiàn)樁土傳力機(jī)制正常。

2）在鐵路疲勞加載下，箱式路基復(fù)合路基累積沉降差異較小，沒有出現(xiàn)明顯不均勻沉降，且傳力路徑穩(wěn)定，整體性良好。