桩网复合地基土工格栅加筋效应的试验研究

1、第25卷增12006年2月岩石力学与工程学报ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringVol.25Supp.1Feb.2006桩网复合地基土工格栅加筋效应的试验研究曹新文(1.西南交通大学土木工程学院卿三惠2610031四川成都周立新640031)3四川成都2.铁道第二勘察设计院四川成都6400313.成都铁路局摘要摘要降以遂渝铁路松软地基为工程背景原位测试了铺设与不铺设土工格栅两种情况的粉喷桩复合地基的剖面沉分析结果表明桩顶和桩间土的土压力与填土高度成正比铺设土粉喷桩+土工格栅加筋垫层复合地基的桩土应力比为3.75加筋文章编号文章编号1000691

2、5(2006)增1316206桩顶和桩间土的土压力土工格栅拉力工格栅能有效改善附加应力的传递土工格栅的拉力与沉降成幂函数关系关键词关键词基础工程TU47粉喷桩中图分类号中图分类号提高桩土应力比土工格栅A分析结果对的粉喷桩桩网复合地基设计有重要参考价值复合地基文献标识码EXPERIMENTALSTUDYONREINFORCEMENTEFFECTOFGEOGRIDONCOMPOSITEFOUNDATIONWITHDRYJETMIXINGPILESCAOXinwen1QINGSanhui2ZHOULixin32.The2ndSurveyandDesignSichuan640031China)Chen

3、gdu(1.SchoolofCivilEngineeringSouthwestJiaotongUniversityChengduSichuan610031ChinaInstituteofChinaRailwayChengduSichuan6400313.ChengduRailwayBureauAbstractInatestsectorofsoftgroundonthe200km/hmixedpassengerandfreightrailwayfromSuilingChongqingthesettlementofthecompositegroundwiththedryjetmixing(DJM)

4、pilesreinforcedbythegeogridandthestressontheDJMpilesandthegroundsoilaswellasthetensileforceofthegeogridweremeasuredtostudythereinforcementeffectofthegeogridonthecompositegroundwiththeDJMpiles.Asshownbythetestthestressesonthepilesandthesoilwereincreasedwiththeheightoftheembankmentlinearly.Thetensilef

5、orcesofthegeogridwerechangedalongwiththesettlementexponentially.ComparedtothecompositegroundwiththeDJMpileswithoutgeogridthesettlementofthecompositegroundwiththeDJMpilesreinforcedbythegeogridwerereducedby30%65%andthestressratiobetweenthepilesandthesoilwas3.75.Keywordsfoundationengineeringdryjetmixin

6、g(DJM)pilescompositefoundationgeogridreinforcement研究仍不能令人满意其中对沉降分析影响最大的其测试结果也真实荷载情况下的桩土应力土工格栅加筋垫层也是松软土对提高地基承载力和控制地基61引言在加固处理公路和铁路软土地基路堤时桩(dryjetmixing用的方法之一效果收稿日期收稿日期基金项目基金项目桩土应力比的研究以理论分析为主限于荷载板试验1粉喷比尚无详细的报道均化附加应力分布DJM)+碎石垫层复合地基是最常但至今对其沉降方面的200509143地基加固处理的方法之一利用土工格栅加筋作用沉降的作用十分明显4并在设计方法和设计理该方法在工程实践中

7、取得了良好的对其研究也较深入20050520修回日期铁道部重点资助项目(2004G24)面的教学与研究工作E-mail作者简介作者简介曹新文(1966)男1987年毕业于华中工学院力学系现任副教授主要从事路基工程地基处理caoxinwen第25卷增1曹新文等.桩网复合地基土工格栅加筋效应的试验研究3163论方面进行了研究近年来在粉喷桩+碎石垫层复合地基中铺设土工格栅构成所谓的桩网复合地基其机制是利用土工格栅的加筋作用将荷载传递到粉喷桩上以充分发挥粉喷桩的强度和刚度降低地基土承受的附加土压力从而控制地基沉降该方法在客运专线铁路的路基工程中得到了运用但由于其作用机制很复杂目前主要依靠经验来进行设计

8、王钊和王协群7基于网单元的受力平衡条件对路堤荷载下桩土应力比工后沉降与桩间距(置换率)上覆路堤荷载水平工后沉降量桩间天然土的承载力网的刚度等各主要影响因素之间的关系进行了理论分析本文通过遂渝铁路松软土地基粉喷桩桩网复合地基的沉降土压力土工格栅拉力的原位测试对比分析了铺设与不铺设土工格栅两种情况下粉喷桩桩网复合地基的桩土应力比及沉降研究了土工格栅的加筋效应以及桩网复合地基的荷载传递规律2工程概况试验工点位于遂渝铁路DK10+310DK10+390处该线路穿过丘间洼地地势平缓表层为第四系冲洪积松软土厚度612m软塑流塑状粉质黏土呈透镜状产出硬塑状(见图1)天然土的物理力学指标见表1路堤填土高度为1

9、1m边坡坡度为11.5路堤顶宽为12m下伏基岩为泥岩地基采用粉喷桩加固处理桩径为0.5m桩间距为1m桩长穿透软基深入基岩0.5m粉喷桩顶部厚0.5m铺设两层双向抗拉强度为50kN/m的土工格栅碎石垫层土工格栅碎石垫层从下而上分别为0.1m碎石+土工格栅+0.3m碎石+土工格栅+0.1m碎石土工格栅的幅宽为4m沿线路横断面方向铺设幅与幅之间的搭接重叠宽度不小于0.1m并用尼龙绳连结以保持土工格栅的整体性3现场测试方案为了对比分析设计了3个测试断面ZY1(DK10+320)ZY2(DK10+336)和ZY3(DK10+366)其中ZY1和ZY2断面为铺设土工格栅碎石垫层ZY3断面为没有铺设土工格栅

10、的碎石垫层两者的垫层厚度相同均为0.5mZY1的松软土厚度为粉质黏土单位m图1传感器布置示意图Fig.1Layoutofthesensordistribution表1土物理力学指标Table1Physico-mechanicalpropertiesofsoil土的名称wcuSra0.10.2/(kNm3)/%e0/kPau/()/%/MPa1松软土18.5390.85105951.02粉质黏土19.5310.84359950.587.0mZY2和ZY3的松软土厚度为10.6m每个测试断面布置了剖面沉降管用于地基沉降观测剖面沉降管位于碎石垫层表面贯通路堤底部通过剖面沉降仪进行观测按土压力测试目的

11、不同分别在垫层底面的桩顶桩间地基土和垫层表面桩顶位置布置了土压力盒见表2和图1其中土压力盒ZY11与ZY14ZY12与ZY15ZY13与ZY16的平面位置相同ZY11ZY12ZY13直接埋设于垫层底面的桩顶ZY14ZY15ZY16则埋于桩顶上方垫层表面ZY26ZY27ZY28ZY29ZY210ZY34直接埋于垫3164岩石力学与工程学报2006年表2土压力盒布置Table2Distributionofthesoilpressuresensors断面编号具体位置埋设地段ZY11左路肩ZY13线路中心土工格栅垫层底面桩顶ZY15右路肩ZY1ZY12左路肩ZY14线路中心土工格栅垫层表面桩顶ZY16

12、右路肩ZY21半坡点ZY22左路肩ZY23线路中心土工格栅垫层底面桩顶ZY24右路肩ZY2ZY25半坡点ZY26半坡点ZY27左路肩ZY28线路中心土工格栅垫层底面桩间土ZY29右路肩ZY210半坡点ZY31半坡点ZY32左路肩土工格栅垫层底面桩顶ZY3ZY33线路中心ZY35右路肩桩间土ZY34右路肩桩顶层底面的桩顶ZY21ZY22ZY2ZY24ZY25ZY35分别埋于ZY26ZY27ZY28ZY29ZY210ZY34附近的桩间地基土土压力盒为钢弦式土压力盒埋设前均经过标定在ZY2(DK10+336)断面的2层土工格栅上布置了22个土工格栅应力计2层布置的平面位置相同(见图1(c)土工格栅应

13、力计为柔性应力计应力计拉伸模量与土工格栅接近每个应力计在安装前均进行标定通过测试应力计的应变值换算成土工格栅的拉力所有测试传感器在地基处理完毕后埋设到位随路堤填土施工过程进行测试路堤竣工后每间隔一定时间进行测试4测试结果分析4.1地基沉降地基沉降图2是路堤高度为10m时地基剖面沉降S沿线路横断面(以线路中心为原点左为负)的分布3个断面的分布形状基本相似与一般路堤下地基的沉降分布规律相同线路中心的沉降最大随着距线路中心距离的加大沉降逐渐减少ZY1断面沉降的变化速率最小ZY2次之ZY3最大图3是线路中心沉降S随填土高度h和时间t的变化施工期内随着填筑高度增加地基沉降随之增加路堤填高10m时ZY1Z

14、Y2和ZY3断面线路中心的沉降量分别为0.2660.320和0.529m由于ZY1ZY2和ZY3断面松软土厚度不同填土高度相同故以沉降量与软土地基厚度之比ks来进行比较更为合理3个断面的ks分别为0.0380.030和0.050ZY3的ks比ZY1和ZY2分别大31%和65%由此可见无土工格栅时由于粉喷桩刚度比地基刚度大路堤填土是散粒体在地基沉降过程中碎石垫层随地基下沉因此地基沉降较大铺设土工格栅后地基沉降时由于土工格栅加筋作用土工格栅碎石垫层及路堤填土作为一个整体而沉降有效地降低了地基沉降量均化了沉降沿横断面分布L/mm/S图2地基沉降S沿横向分布曲线Fig.2DistributionofS

15、alongcross-sectionm/ht/dm/S图3S-th-t关系曲线Fig.3CurvesofS-tandh-t4.2土压力与桩土应力比土压力与桩土应力比第25卷增1曹新文等.桩网复合地基土工格栅加筋效应的试验研究3165典型的桩顶和桩间土土压力H随路堤填土高度h的变化可采用线性拟合即H=k0h(1)各测点的拟合系数k0(单位kPa/m)与相关系数的平方R2见表3除个别测点(主要因为位置特殊如半坡点)的相关系数的平方R2小于0.90外其他测点的相关系数的平方R2均在0.90以上说明式(1)线性相关性好比较各测点的土压力的变化情况只需比较系数k0即可表3土压力系数Table3Coeff

16、icientk0ofthesoilpressures编号k0/(kPam1)R2ZY1175.500.980ZY1350.000.970ZY1574.300.780ZY1237.900.920ZY1422.600.960ZY1624.400.960ZY2611.600.650ZY2714.400.960ZY2817.500.893ZY298.580.946ZY21020.000.930ZY2142.700.530ZY2249.500.930ZY2364.600.911ZY2449.270.845ZY2544.300.900ZY3159.900.960ZY3267.500.920ZY3365.1

17、50.840ZY3414.460.610ZY3535.100.980ZY1断面上土工格栅垫层底面的桩顶测点ZY11ZY13ZY15三个测点中的k0最小为50.2最大为75.48按填土重度20kN/m3计算路堤填土在地基表面产生的附加土应力桩顶土压力是附加应力的2.003.87倍土工格栅垫层表面的桩顶测点ZY12ZY14ZY16三个测点中系数k0最小为22.55最大为37.98按相同方法计算土压力是附加应力的1.11.9倍平均值为1.14与附加应力十分接近比较土工格栅碎石垫层上下相同平面位置的测点垫层底面桩顶土压力是垫层表面桩顶土压力的2倍由此可见土工格栅的加筋作用可有效地将荷载传递到桩顶而垫层

18、表面附加应力分布比较均匀与计算结果基本一致桩土应力比是评价复合地基的重要指标根据经验公式推算复合地基承载力和沉降时绝大多数公式都包含桩土应力比桩土应力比受桩体材料地基土特性桩长桩径置换率等因素的综合影响国内外学者采用不同的方法对桩土应力比进行过研究810但这些研究都存在一定的局限性如荷载试验得出的桩土应力比没有考虑实际荷载的形式地基沉降等因素本次测试了实际路堤荷载作用下的桩间和桩顶土压力因此由此计算得出的桩土应力比具有代表性ZY2断面平面位置相同的桩顶与桩间土2个测点k0的比值最小的为2.22(ZY25ZY210)最大为5.74(ZY24ZY29)平均为3.75此值可作为相同地基条件下复合地基

19、的设计参数ZY35与ZY34为桩顶和桩间土测点二者的k0的比值为2.42与ZY2断面桩土应力比的最小值接近比平均值低54%这说明铺设土工格栅能有效地提高桩土应力比充分发挥粉喷桩的强度4.3土工格栅受力分析土工格栅受力分析土工格栅的拉力T随时间t和填土高度h的变化见图4线路中心左右路肩处的T值是横向位置相同的3个测点的平均值比单个测点的值更有意义由此可见T随路堤高度h增加而增大在路堤达到设计高度后T随时间波动变化在路堤填筑阶段线路中心平面位置下层测点的T值大于垫层上层的T值随着时间增长上下两层测点的T值逐渐接近线路中心处下层格栅的拉力T的最大值为37.89kN/m为土工格栅的抗拉强度的78%m/

20、h左路肩(下)线路中心(下)右路肩(下)左路肩(上)线路中心(上)右路肩(上)t/d1)mNk(/T图4土工格栅的拉力T与th关系Fig.4RelationoftensionforceTandparametersthforgeogrid3166岩石力学与工程学报2006年图5是土工格栅拉力T沿线路横断面分布在填土高度较低时离线路中心较远测点的T值较大随着路堤高度增加距离线路中心越远的测点其T值随路堤高度增加的变化速率越慢线路中心的T值增加速度最快逐渐形成线路中心大两侧小的分布形状路堤高度为10m时下层土工格栅在左右路肩处的拉力T大小为线路中心处拉力T的61.3%和56.4%上层土工格栅在左右路

21、肩处的拉力T是线路中心处拉力T的81.0%和62.6%h=2.5mh=7.0mh=10m1)t=328dmNk(/TL/m(a)上层土工格栅h=2.5mh=7.0mh=10m1)t=328dmNk(/TL/m(b)下层土工格栅图5土工格栅拉力T沿横断面分布Fig.5DistributionofTalongcross-section综合分析土工格栅拉力T的变化规律土工格栅拉力T的大小与地基沉降有着密切的联系图6是线路中心两侧路肩的土工格栅拉力与相同平面位置(ZY2断面)地基的沉降S的关系曲线土工格栅拉力T与同位置的沉降S可用幂函数来描述T=S(2)式中为拟合参数表4给出了各位置的值相关系数的平方

22、R2在0.95以上可见上层土工格栅测点的值接近为1.81垫层下层测点的值也接近为1.91说明垫层下层土工格栅拉力T随沉降的变化较垫层上层大垫层下层土工1)mNk(/T左路肩线路中心右路肩S/m(a)上层土工格栅左路肩线路中心右路肩1)mNk(/TS/m(b)下层土工格栅图6土工格栅拉力T与S关系曲线Fig.6RelationofT-Sofgeogrid表4拟合参数值Table4Fittingvaluesof名称位置左路肩254.921.8266上层土工格栅线路中心360.891.8241右路肩300.681.7755左路肩242.281.9075下层土工格栅线路中心356.551.9172右路

23、肩235.231.9144格栅的拉力受沉降的影响更为突出左路肩线路中心右路肩3个位置上下两层的值相差分别为5%1%和27.8%由此可推断值主要取决于平面位置值取决于竖向位置5结论(1)土工格栅加筋垫层有效地降低了粉喷桩桩网复合地基复合沉降量均化了地基横断面沉降从而改善地基沿线路横向的分布(2)土工格栅加筋垫层有利于荷载在粉喷桩桩网复合地基的扩散能充分发挥粉喷桩的刚度和强第25卷增1曹新文等.桩网复合地基土工格栅加筋效应的试验研究3167度(3)土工格栅加筋垫层能够提高桩土应力比粉喷桩桩网复合地基的桩土应力比为3.75(4)土工格栅拉力与沉降成幂函数关系拟合参数值分别取决于平面和竖向位置参考文献

24、参考文献(References)1郭力群.粉喷桩复合地基桩土应力比的原型测试分析J.华侨大学学报(自然科学版)200425(2)161164.(GuoLiqun.AnalyzingtheprototypingmeasurementofpilesoilstressratioonthecompositegroundwithdrycementjetmixingpilesJ.JournalofHuaqiaoUniversity(NaturalScience)200425(2)161164.(inChinese)2朱中卫方磊.粉喷桩复合地基桩土应力比试验研究J.岩土工程技术200418(3)113115

25、.(ZhuZhongweiFangLei.ExperimentalstudyonthestressratiobetweenpileandsoilofDJMpilecompositefoundationJ.GeotechnicalEngineeringTechnique200418(3)113115.(inChinese)3宋修广郭宗杰刘金章等.粉喷桩复合地基的数值计算分析J.岩土力学200223(4)494497.(SongXiuguangGuoZongjieLiuJinzhangetal.Numericalanalysisofdryjetmixingpilecompositefoundati

26、onJ.RockandSoilMechanics200023(4)494497.(inChinese)4黄广军张千里俞锡健等.加筋垫层对地基沉降控制效果的多方案比较J.岩土工程学报200123(5)598601.(HuangGuangjunZhangQianliYuXijianetal.ComparisonofsettlementcontrolofreinforcementlayerJ.ChineseJournalofGeotechnicalEngineering200123(5)598601.(inChinese)5RichardJVJohnBGMysoreSN.GeosyntheticreinforcedleveetestsectiononsoftnormallyconsolidatedclaysJ.GeotextilesandGeomembranes200523(4)362383.6马时冬.土工格栅加筋垫层的效果检验J.岩