浙江大学学报(工学版), 2021, 55(6): 1027-1035 doi: 10.3785/j.issn.1008-973X.2021.06.002

交通工程、土木工程

循环荷载下长短桩桩网复合地基变形试验研究

杨以国,, 刘开富,, 谢新宇

1. 浙江大学 滨海和城市岩土工程研究中心,浙江 杭州 310058

2. 浙江大学 宁波理工学院,浙江 宁波 315100

3. 浙江理工大学 建筑工程学院,浙江 杭州 310018

4. 浙江大学 温州研究院,浙江 温州 325035

Experimental research on deformation of pile-net composite foundation with long-short piles under cyclic load

YANG Yi-guo,, LIU Kai-fu,, XIE Xin-yu

1. Research Center of Coastal and Urban Geotechnical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China

2. Ningbo Institute of Technology, Zhejiang University, Ningbo 315100, China

3. School of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, China

4. Institute of Wenzhou, Zhejiang University, Wenzhou 325035, China

通讯作者: 刘开富,男,副教授.orcid.org/0000-0001-5268-8546. E-mail: liukaifu@zstu.edu.cn

收稿日期: 2020-07-10  

基金资助: 国家自然科学基金资助项目(51878619);浙江省自然科学基金资助项目(LY13E090010)

Received: 2020-07-10  

Fund supported: 国家自然科学基金资助项目(51878619);浙江省自然科学基金资助项目(LY13E090010)

作者简介 About authors

杨以国(1996—),男,硕士生,从事桩网复合地基的研究.orcid.org/0000-0001-8320-9536.E-mail:21812130@zju.edu.cn , E-mail:21812130@zju.edu.cn

摘要

通过长短桩桩网复合地基的模型试验,分析有、无土工格栅及不同幅值循环荷载下复合地基沉降、长短桩桩身应变及土工格栅应变的特性. 试验结果表明,土工格栅的加入会改善循环荷载下复合地基的整体性能. 复合地基沉降、桩身应变及土工格栅应变主要发生在循环荷载作用前期. 增大循环荷载幅值不仅会增大复合地基总沉降,还会加快沉降发展的速率. 复合地基的沉降与循环次数的关系可以用指数函数表示. 土工格栅的拉膜效应将部分荷载由桩间土传递到桩上,相比于没有土工格栅的复合地基,有土工格栅的复合地基中长短桩的应变更大,且此时长桩桩帽处的土工格栅会承受更大的拉力,应变相较于桩间土处更大;循环荷载下的长桩上部应变增量较大,下部应变增量较小.

关键词: 长短桩 ; 桩网复合地基 ; 循环荷载 ; 地基沉降 ; 桩身应变 ; 土工格栅应变

Abstract

The model test was conducted on geosynthetic-reinforced pile-supported composite foundation with long-short piles. The characteristics of settlement, pile strain and geogrid strain of the composite foundation were analyzed under cyclic load with different amplitudes with or without geogrid. Results show that the addition of geogrid can improve the overall performance of composite foundation under cyclic load. The foundation settlement, pile strain and geogrid strain mainly occur in the early stage of cyclic load. Increasing the amplitude of cyclic load not only increases the final settlement, but also increases the increasing rate of the settlement. The relationship between composite foundation settlement and number of load cycles can be expressed by exponential function. The membrane effect generated by the geogrid causes the stress of the soil among piles to transmit to the pile top. The strain of long-short piles in composite foundation with geogrid is larger than that without geogrid. Geogrid near the pile top takes more tension and has larger strain than that near the soil among piles. The strain increment of long pile is larger in the upper part of the pile under cyclic load, which is smaller in the lower part.

Keywords: long-short piles ; geosynthetic-reinforced pile-supported composite foundation ; cyclic load ; foundation settlement ; pile strain ; geogrid strain

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本文引用格式

杨以国, 刘开富, 谢新宇. 循环荷载下长短桩桩网复合地基变形试验研究. 浙江大学学报(工学版)[J], 2021, 55(6): 1027-1035 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2021.06.002

YANG Yi-guo, LIU Kai-fu, XIE Xin-yu. Experimental research on deformation of pile-net composite foundation with long-short piles under cyclic load. Journal of Zhejiang University(Engineering Science)[J], 2021, 55(6): 1027-1035 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2021.06.002

近年来,长短桩桩网复合地基作为一种造价低廉、施工速度快的地基处理技术[1],采用柔性短桩加固浅层软土来提高浅层地基承载力,采用穿透软土层的刚性长桩来提高地基整体承载力并减小地基沉降[2],配合土工格栅的使用可以减小地基不均匀沉降,长短桩桩网复合地基越来越多地应用在工程实际中[3-4].

许多学者通过模型试验、原位测试、数值模拟等方法,分析桩网复合地基中不同因素的变化对地基变形性状的影响. Ye等[5-6]分析土工格栅层数对桩承担荷载的影响,芮瑞等[7-9]分析不同地基处理方式对地基沉降的影响,Wang等[10]通过桩网复合地基模型试验探讨土工格栅加筋的影响和桩的荷载分担比的发展,Xing等[11-12]通过试验研究有、无土工格栅的桩承式复合地基的性能及荷载传递特性.

交通荷载通常可以看成是循环荷载,许多学者对循环荷载下复合地基的特性进行研究. 白顺果等[13]通过室内模型试验,研究循环荷载下桩置换率及下卧层土体性质对柔性桩复合地基沉降的影响. 高昂等[14]采用模型试验,探究土工格室加筋地基在循环荷载下的各种性能. 牛婷婷等[15]开展循环荷载下桩网复合地基的模型试验,研究加载振次、频率的改变对复合地基振动速度影响的规律. Alam等[16]通过模型试验,研究循环荷载下加筋地基永久位移的累积规律. Wang等[17-19]通过模型试验,研究有、无土工格栅情况下加筋地基在循环荷载下的沉降和动力响应特性.

综上所述,目前对桩网复合地基的模型试验研究大多集中在单一桩型的桩网复合地基,对荷载下尤其是动力荷载下的长短桩桩网复合地基的变形特性研究较少. 本文采用正弦循环荷载模拟交通荷载,通过模型试验研究长短桩桩网复合地基形状,分析有、无土工格栅下及不同幅值的循环荷载对复合地基沉降、长短桩应变、土工格栅应变等变形特性的影响.

1. 试样装置及方案概述

1.1. 试验仪器及试验材料

模型试验在浙江理工大学岩土工程灾变模拟系统中开展,该系统由模型箱、加载设备和计算机控制系统组成(见图1). 模型箱的尺寸为3.0 m(长)×2.0 m(宽)×2.0 m(高),其中一面用钢化玻璃取代钢板以便观察填土情况. 加载设备由伺服液压加载系统和作动器组成. 作动器的传力轴内设有位移传感器,可以在加载过程中实时记录并采集竖向位移. 作动器下设置刚性加载板对路堤施加均匀荷载,加载板的尺寸为1.0 m(长)×0.8 m(宽)×0.03 m(高).

图 1

图 1   岩土工程灾变模拟系统

Fig.1   Geotechnical disaster simulation system


刚性长桩采用长102 cm、管径为5 cm(壁厚为2 mm)的铝管模拟,桩顶连接15 cm×15 cm×3 cm的铝块作为桩帽,桩底密封. 柔性短桩采用长60 cm、管径为5 cm(壁厚为2 mm)的PVC管模拟,桩顶和桩底用圆形PVC片密封,防止土颗粒和水分进入桩内. 为了测量加载时的桩身应变,在桩体内部粘贴了应变片并连接到数采仪上采集输出应变数据. 长短桩应变测点布置如图2所示.

图 2

图 2   桩应变测点布置

Fig.2   Layout of strain gauges on piles


模型试验中的地基土取自杭州某基坑,地基持力层及地表硬壳层采用粉质黏土,软土层采用淤泥质黏土,物理性质参数如表1所示. 表中,ρ为密度,ww为水质量分数,c为黏聚力,φ为摩擦角,ωLωP分别为液性指数和塑性指数. 地基垫层采用细度模数为1.6、水质量分数为11%的细砂进行模拟. 部分试验在垫层中铺设双向拉伸塑料土工格栅,参数如表2所示.

表 1   黏土的物理性质参数

Tab.1  Physical parameters of clay

ρ /(g·cm−3 ww /% c /kPa φ /(°) ωL /% ωP /%
粉质黏土 1.69 17.1 8.1 26.5
淤泥质黏土 1.62 42.1 40 27

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表 2   土工格栅的物理性质参数

Tab.2  Physical parameters of geogrid

土工格栅规格 网格尺寸 断裂强度/(kN·m−1
TGSG15-15 30 mm $ \times $30 mm ≥42.1

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1.2. 试验方案

为了研究高速公路下长短桩-桩网复合地基在交通荷载下的承载变形特性,模拟标准双向四车道高速公路. 路堤的上表面宽度为26 m,下表面宽度为35 m,路堤坡比为1꞉1.5. 考虑到模型箱的大小限制,根据对称性原则,取一半进行模型试验,取长度相似比cL=1:10. 为了确保模型与原型在重力、变形方面的相似性,应使模量相似比与密度相似比的比值为0.1,即cE/cρ=0.1. 模型试验在实际制作时,为了保证填筑土体的cφ、桩土刚度比等主要影响因素满足相似性,模型试验土选用原型材料模拟,cE/cρ=1. 为了方便制桩和采集应变数据,选用铝管来制作模型长桩,与原型长桩的cE/cρ=1. 格栅采用TGSG15-15,与工程中常用格栅的cE/cρ=0.1.

试验中路基土体采用分层填筑而成,从下往上依次填筑粉质黏土、淤泥质黏土、粉质黏土. 粉质黏土每层填筑10 cm,每层填筑完之后人工压实. 淤泥质黏土在填筑前须搅拌均匀,确保不同位置的填土性质均一,每层填筑20 cm. 最上层粉质黏土填筑完成后插入长短桩,在上部填筑砂质路堤,部分试验中需要在砂质路堤填筑过程中铺设土工格栅,土工格栅四周锚固长度为15 cm. 模型试验的纵向及剖面布置如图3所示.

图 3

图 3   长短桩桩网复合地基模型试验布置图

Fig.3   Layout of model test for pile-net composite foundation with long-short piles


交通荷载作用于路堤的过程是一个不断加载并卸载的周期过程,一般情况下,可以用正弦波荷载来模拟交通荷载. 蔡袁强等[20]的研究表明,公路路基振动频率一般分布在0.1~10 Hz,结合试验条件和相似比,模型试验采用频率为1 Hz的正弦荷载来模拟交通荷载. 假设试验路段(8 m×10 m)同时通过2辆50 t重的货车,则车辆对路堤施加的面荷载最大值不超过12.5 kPa. 考虑到加载板自重与路面结构自重不匹配,需要额外施加5 kN的静荷载. 正弦荷载加载根据不同质量车辆的组合,选取3种荷载幅值的加载方案,如图4所示,其中不同组幅值的循环荷载加载期间荷载保持在循环荷载中值2 h. 图中,Fc为循环荷载. 在循环荷载加载前,为了确保路基在最大动荷载下不会破坏并且使得地基土颗粒进一步密实,按照《复合地基技术规范》[21],对路基施加静力荷载Fs,静载加载的曲线如图5所示.

图 4

图 4   不同幅值的循环荷载加载曲线

Fig.4   Loading curve of cyclic load with different amplitudes


图 5

图 5   静载加载曲线

Fig.5   Loading curve of static load


为了验证本文模型试验的工程可靠性,将静载下的复合地基沉降与实际工程中路基顶面验收弯沉值[22]进行对比. 验收弯沉值lg可以用下式计算:

${l_{\rm{g}}} = \frac{{176pr}}{{{E_0}}}.$

式中:p为落锤式弯沉仪承载板施加的荷载,r为落锤式弯沉仪承载板半径,E0为平衡湿度状态下路基顶面回弹模量. 经计算可知,试验模拟的高速公路lg取值为1.49~1.96 mm,模型试验中对应静载下的复合地基沉降为0.24 mm,按相似比放大后为2.4 mm,比验收弯沉值取值上限大22.4%. 这是由于小比尺模型试验土孔隙比无法按相似比缩小和模型制备缺陷引起的,可以认为利用该模型试验模拟实际工程具有一定的工程可靠性.

共开展2组模型试验,其中试验2作为无土工格栅的对照组仅加载幅值为(8±3)kN的循环荷载,加载方案如表3所示. 表中,3个阶段的循环荷载幅值分别用Fc1Fc2Fc3表示.

表 3   加载方案

Tab.3  Loading scheme

试验编号 土工格栅 Fc1 /kN Fc2 /kN Fc3 /kN
1 8±3 9±4 10±5
2 8±3

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2. 试验结果与分析

2.1. 复合地基沉降结果分析

图6所示为(8±3)kN循环荷载下有、无土工格栅长短桩桩网复合地基的循环次数N-沉降S曲线. 从图6可以看出,和Alam等[16, 23]得出的循环荷载下复合地基沉降规律类似,复合地基的沉降随着循环荷载循环次数的增加而不断增大,复合地基沉降增大的速率随着循环次数的增大而逐渐减小;当循环次数足够大的时候,曲线的走势趋于平缓,复合地基的沉降发展基本稳定. 在有土工格栅的复合地基中,复合地基的沉降在前10000次循环内为0.45 mm,达到总沉降(1.18 mm)的38.1%. 当循环次数增长到20000次时,复合地基的沉降为0.63 mm. 当循环次数增长到40000次时,复合地基的沉降为0.91 mm,达到总沉降的77.1%,相比于前20000次循环,地基沉降仅增加了0.28 mm,只占前20000次循环内地基沉降的60.3%. 由此可见,在循环荷载施加前期,地基沉降发展速率较快,但是地基沉降增长速率随着荷载循环次数的增大而减小. 从图6可知,在复合地基中加入土工格栅可以减小复合地基的总沉降,这和费康等[9, 24]得出的结论相似. 没有土工格栅的复合地基在100000次循环荷载后的沉降为1.93 mm,在复合地基中加入土工格栅后的沉降减小为1.18 mm,减小了38.9%. 这主要是由土工格栅的拉膜效应引起的,施加荷载时桩与土之间产生差异沉降,土工格栅在竖直方向产生一定的变位,将一部分荷载分担并转移到桩上,使得桩体承担了更多的荷载,因此相比于没有土工格栅的复合地基,加入土工格栅后土体承担的荷载会降低,地基沉降减小.

图 6

图 6   (8±3)kN循环荷载下有、无土工格栅桩网的复合地基循环次数-沉降曲线

Fig.6   Number of load cycles-settlement curves of GRPS composite foundation with and without geogrid under (8±3) kN cyclic load


图7所示为不同幅值的循环荷载下长短桩桩网的复合地基循环次数-沉降曲线. 可知,随着循环荷载幅值的增大,复合地基的沉降增大. 在(8±3)kN循环荷载作用下,当循环次数达到100000次时,复合地基的沉降已经基本稳定(1.18 mm). 当(9±4)kN循环荷载作用时,复合地基的沉降进一步发展,经过100000次循环后,地基的沉降增加了1.37 mm且达到稳定. 当循环荷载增加到(10±5)kN时,100000次循环后复合地基的最终沉降进一步增加了1.73 mm. 由此可以看出,虽然复合地基在当前幅值循环荷载经过100000次循环后沉降基本趋于稳定,但是当循环荷载幅值增大时,地基沉降进一步发展,增加荷载幅值能够极大地影响复合地基的沉降. 虽然每次循环荷载幅值都增加了2 kN,但是复合地基沉降的增量与循环荷载幅值增量并非线性相关. 当循环荷载幅值增大时,复合地基沉降的增量增大;当循环荷载幅值从(8±3)kN增大到(9±4)kN时,复合地基沉降增量为1.37 mm;当循环荷载幅值继续增大到(10±5)kN时,复合地基沉降增量为1.73 mm. 在循环荷载作用前期,循环荷载幅值越大,复合地基沉降发展的速率越大. 在循环荷载幅值为(8±3)kN、(9±4)kN、(10±5)kN的情况下,地基沉降增量达到0.45 mm时所需的循环次数分别为10000、6000、3000次. 由此可见,增大循环荷载幅值不仅会增大复合地基总沉降,而且会增大复合地基沉降发展的速率. 高昂等[25]在对土工格室加筋地基的试验中,研究不同幅值循环荷载对地基沉降的影响,将文献[25]的部分试验数据与本文试验数据归一化处理后,得到复合地基循环荷载幅值-沉降的对比曲线,如图8所示. 图中,S/Smax为归一化沉降,T/Tmax为归一化循环荷载幅值. 可以看出,随着循环荷载幅值的增大,文献[25]试验中的地基总沉降随之增大,这与本文的结论一致. 在循环荷载幅值增大相同比例的情况下,文献[25]试验中的复合地基沉降增大幅度比本文试验更大. 这是由于文献[25]试验中的复合地基不含桩基,只有水平向加筋体,复合地基竖向荷载主要由土体承担,因此土体压缩较大,沉降增幅更大.

图 7

图 7   不同幅值循环荷载下桩网复合地基循环次数-沉降曲线

Fig.7   Number of load cycles-settlement curves of GRPS composite foundation under cyclic load with different amplitudes


图 8

图 8   复合地基循环荷载幅值-沉降对比曲线

Fig.8   Cyclic load amplitude-settlement curves of composite foundation


为了研究SN、循环荷载幅值的关系,采用Matlab对复合地基循环次数-沉降曲线进行数值拟合[12],其关系可以用指数函数来表示:

$S = \alpha {{\rm{exp}}\;({\beta N})} + C.$

式中:αβ为拟合参数,C为常数项. 表4给出数值拟合得出的αβC和确定系数R2,其中R2都大于0.95,这表明拟合结果的可靠度较高. 从表4可以看出,随着循环荷载幅值的增大,α随之增大,β的变化不大,这表明相比于βα受循环荷载幅值变化的影响较大,具体关系有待进一步的研究.

表 4   参数αβ的拟合值、常数项C及确定系数R2

Tab.4  Fitting values of α, β, constant of C and coefficient of determination of R2

循环荷载幅值/kN α β C R2
8±3 1.038 −0.0366 −1.158 0.9882
9±4 1.220 −0.0379 −1.399 0.9876
10±5 1.535 −0.0334 −1.788 0.9847

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2.2. 桩应变结果分析

图9所示为(8±3)kN循环荷载下无土工格栅的刚性长桩桩身应变Sp-桩深hp曲线. 可以看出,在循环荷载下刚性长桩的桩身应变随着桩深的增大而逐渐减小,桩顶应变较大而桩端应变较小. 随着循环次数的增加,桩身应变随之增大,且桩身应变增量主要集中在前20000次循环内. 在桩深为30 mm处,当循环次数从0增加到20000时,桩身应变增加了255.32×10−6,但是当循环次数从20000次增加到100000次时,桩身应变仅增加了55.76×10−6,在前20000次循环内桩深30 mm处刚性长桩的应变达到总应变增量的82.1%. 由此可以看出,在循环荷载作用前期,桩身应变增长较快,此后桩身应变增长速率下降,发展较稳定. 相比于桩身下部,在循环荷载作用下的桩身上部应变增量较大,在桩深为30、230、430、630、830、980 mm处,循环次数为100000时的桩身应变分别为循环次数为0时的3.04、3.20、3.45、3.80、2.40、2.27倍. 桩身下部在循环荷载后期作用下的应变增量很小,当循环次数从20000次增加到100000次时,桩深为830 mm和980 mm处的桩身应变仅增加了6.43×10−6、6.34×10−6. 这表明在无土工格栅的工况下,循环荷载下桩顶承担的力主要由桩身上部的侧摩阻力承担,桩身应变增量集中在桩身上部,桩身下部侧摩阻力发挥不充分,应变增量较小.

图 9

图 9   (8±3)kN循环荷载下无土工格栅刚性长桩的桩身应变-桩深曲线

Fig.9   Pile strain-pile depth curves of long pile without geogrid under (8±3) kN cyclic load


图10所示为在(8±3)kN循环荷载下有土工格栅刚性长桩的桩身应变-桩深曲线. 相比于无土工格栅的情况,有土工格栅的复合地基中刚性长桩的桩身应变分布规律和前者类似. 从图910可以看出,在有土工格栅的情况下,刚性长桩的应变沿桩身分布更均匀,桩身上部和下部在循环荷载作用下的期间应变均相应增大,在桩深为30、230、430、630、830、980 mm处,循环次数为100000时的桩身应变分别为循环次数为0时的2.56、2.72、2.61、2.74、3.01、3.04倍. 在地基中增加了土工格栅之后,在循环荷载作用下刚性长桩桩身应变会有一定程度的增大. 当循环次数为100 000次时,在桩深为30和230 mm处,有土工格栅情况下的长桩应变与无土工格栅下的情况相比,分别增加了17.3%(79.95×10−6)、12.7%(50.79×10−6). 根据Xing等[11-12, 26]的研究可知,土工格栅的拉膜效应将荷载从桩间土传递到桩上,与没有土工格栅的工况桩相比,承担了更多的荷载,桩身应变更大. 该试验在长桩桩顶设置了桩帽,土工格栅在桩帽边缘处受到拉扯,拉膜效应更加明显. 长桩将桩顶承担的荷载逐渐向桩身下部传递,桩身下部的侧摩阻力得到进一步的发挥. 与没有土工格栅的情况相比,桩身下部承担了更大的荷载,桩体强度在通长范围内得到发挥,随着循环次数的增大,桩身下部的应变随之增大.

图 10

图 10   (8±3)kN循环荷载下有土工格栅刚性长桩的桩身应变-桩深曲线

Fig.10   Pile strain-pile depth curves of long pile with geogrid under(8±3)kN cyclic load


图11所示为(8±3)kN循环荷载下有、无土工格栅柔性短桩的桩身应变-桩深对比曲线. 可以看出,随着循环次数的增加,柔性短桩的应变随之增加,且应变的增长主要集中在循环荷载作用前期. 在无土工格栅的情况下,在短桩桩深为60 mm处,当循环次数从0增长到50 000时,桩身应变增长了93.86×10−6. 当循环次数从50000增长到100 000时,桩身应变仅增长了22.36×10−6. 在复合地基中加入土工格栅后,短桩的应变有一定程度的增加,在短桩桩深为60和180 mm处,当循环次数为100000时,有土工格栅情况下的桩身应变比无土工格栅情况下分别大26.7%(34.3×10−6)、17.8%(28.65×10−6),这表明土工格栅的拉膜效应使得短桩承受较多的荷载. 从图11可以看出,在循环荷载作用下,柔性短桩的应变随着桩深的增加先增大后减小,应变峰值出现在桩身中部. 这是由于在循环荷载作用下,短桩上部的压缩量小于桩间土沉降量,桩与桩间土之间存在差异沉降,桩身上部存在负摩阻力,因此桩身应变相对较小. 随着桩深的增加,桩土差异沉降逐渐减小,桩侧负摩阻力随之减小,桩身应变逐渐增大,在桩深约为300 mm处桩身应变达到峰值,桩身应变随着桩深的增加而减小.

图 11

图 11   (8±3)kN循环荷载下有、无土工格栅柔性短桩的桩身应变-桩深对比曲线

Fig.11   Pile strain-pile depth curves of short pile with and without geogrid under (8±3) kN cyclic load


图1213所示分别为不同幅值的循环荷载下有土工格栅刚性长桩、柔性短桩的桩身应变-桩深曲线. 从图12可以看出,随着循环荷载幅值的增大,长桩桩身应变增大,但是100 000次循环内桩身应变增量下降. 当循环荷载幅值为(8±3)kN时,100000次循环内桩深为30、230 mm处的桩身应变增量分别为331.18×10−6、283.83×10−6. 当循环荷载幅值为(9±4)kN时,相应的桩身应变增量为282.41×10−6、222.72×10−6,相比于(8±3)kN的情况下分别减小了14.7%、21.5%. 当循环荷载幅值为(10±5)kN时,相应的桩身应变增量为226.78×10−6、174.77×10−6,相比于(9±4)kN的情况分别减小了19.7%、21.5%. 从图13可以看出,随着循环荷载幅值的增大,短桩桩身应变随之增加,同时100000次循环内的桩身应变增量随之增大. 当循环荷载幅值为(8±3)kN时,100000次循环内桩深为60、180 mm处的桩身应变增量分别为138.05×10−6、170.14×10−6. 当循环荷载幅值为(9±4)kN时,相应的桩身应变增量为171.4×10−6、176.32×10−6,相比于(8±3)kN的情况分别增加了24.2%、3.6%. 当循环荷载幅值为(10±5)kN时,相应的桩身应变增量为305.85×10−6、310.05×10−6,相比于(9±4)kN的情况分别增加了78.4%、75.8%. 由此可以得出,循环荷载幅值增大对短桩应变的影响较大,这是因为当循环荷载幅值增大时,长短桩承受的荷载均有所增长,但是相对而言刚性长桩的模量较大,应变增量较小.

图 12

图 12   不同幅值的循环荷载下有土工格栅刚性长桩的桩身应变-桩深曲线

Fig.12   Pile strain-pile depth curves of long pile with geogrid under cyclic load with different amplitudes


图 13

图 13   不同幅值的循环荷载下有土工格栅柔性短桩的桩身应变-桩深曲线

Fig.13   Pile strain-pile depth curves of short pile with geogrid under cyclic load with different amplitudes


图1213可以看出,循环荷载幅值增大对长桩桩身应变-桩深曲线形状的影响不大,幅值增大时长桩应变沿桩深大致同比例增长. 短桩应变增量主要集中在桩身上部和中部,桩身下部应变变化不大. 这是因为和长桩相比,短桩底部未深入持力层,短桩桩顶荷载主要由桩身上、中部侧摩阻力承担,桩身底部侧摩阻力发挥不充分,应变增量较小. 对比图1213可以看出,与短桩呈纺锤型的应变-桩深曲线相比,长桩应变-桩深曲线基本呈直线型. 这是由于长桩顶部设置了桩帽后有效地控制了长桩向上刺入,且通过土工格栅拉膜效应和土拱效应的发挥将荷载向桩顶部集中,负摩阻力基本没有发挥.

2.3. 格栅应变结果分析

图14所示为(8±3)kN循环荷载下的土工格栅应变Sg分布曲线. 图中,D为离边界的距离. 可以看出,土工格栅应变随着循环次数的增加而增大,但是土工格栅应变增量随之减小. 距边界65 mm处,当循环次数从0增长到20000时,土工格栅应变增长了343.14×10−6. 当循环次数从20000增长到40000时,格栅应变增长了174.94×10−6. 当循环次数增长到100000次时,格栅应变仅增长了127.93×10−6,这和复合地基沉降以及桩应变在循环荷载下的变化规律相似. 结合图3可以看出,刚性长桩桩帽边缘处的土工格栅应变较大,长桩桩间的土工格栅应变较小,这和Ye等[5]得出的土工格栅最大应变集中在桩帽边缘的结论相符. 这是由于土工格栅拉膜效应的存在使得桩承受了更多的荷载,桩帽边缘处的土工格栅承受了更大的拉力,相比于桩间的土工格栅有着更大的应变.

图 14

图 14   (8±3)kN循环荷载下的土工格栅应变分布曲线

Fig.14   Geogrid strain distribution curves under (8±3)kN cyclic load


图15所示为不同幅值的循环荷载下土工格栅循环次数-应变曲线. 选取距边界290、515 mm处的2个土工格栅测点,分别位于桩间、桩帽处. 从图15可以看出,桩间的土工格栅应变较小,随着循环次数的增长应变增量较小,土工格栅应变在每组循环荷载的前30000次循环内增量较大,此后应变曲线趋于平缓. 桩帽处的土工格栅应变随着循环次数的增加而持续增大,且应变增量没有明显的下降趋势. 在每组循环荷载的前10000次循环内,土工格栅应变的增长速率较大,随着循环次数的增长,虽然格栅应变的增长速率有所下降,但是应变保持继续增长. 这是因为随着荷载循环次数的增加,土工格栅由于拉膜效应的存在,不断地将荷载从桩间土传递到桩帽处,导致在整个循环荷载作用期间桩帽处的土工格栅应变一直持续增长.

图 15

图 15   不同幅值的循环荷载下土工格栅应变-循环次数曲线

Fig.15   Geogrid strain-number of load cyclescurves under cyclic load with different amplitudes


3. 结 论

(1)随着循环荷载循环次数的增加,复合地基沉降不断增大,而沉降增长的速率逐渐减小. 在复合地基中加入土工格栅,可以在一定程度上减小复合地基的总沉降,增大循环荷载幅值不仅会增大复合地基的总沉降,而且会增大复合地基沉降发展的速率. 复合地基的沉降与循环次数的关系可以用指数函数表示.

(2)循环荷载下刚性长桩的桩身应变随着桩深的增加而逐渐减小,桩顶应变较大而桩端应变较小. 随着循环次数的增加,桩身应变逐渐增大,循环荷载作用前期桩身应变增长较快,后期桩身应变增长速率下降. 在无土工格栅的情况下,长桩桩顶承担的力主要由桩身上部承担,桩身应变增量集中在桩身上部. 在有土工格栅的情况下,土工格栅的拉膜效应将荷载从桩间土传递到桩上,长桩承担了更多的荷载,因此桩身应变更大,长桩的应变沿桩身分布更均匀.

(3)在循环荷载下,由于短桩上部外侧负摩阻力的存在,短桩的上部应变较小. 随着桩深的增加,桩土差异沉降逐渐减小,桩侧负摩阻力逐渐减小,桩身应变逐渐增大,在桩身中部应变达到峰值,此后桩身应变随着桩深的增加而减小. 在加入土工格栅后,由于土工格栅拉膜效应的存在,短桩应变会有一定程度的增大.

(4)土工格栅应变随着循环次数的增加而增大,应变增量随之减小. 相对于桩间的土工格栅,桩帽处的土工格栅应变较大.

参考文献

郑刚, 龚晓南, 谢永利, 等

地基处理技术发展综述

[J]. 土木工程学报, 2012, 45 (2): 127- 146

URL     [本文引用: 1]

ZHENG Gang, GONG Xiao-nan, XIE Yong-li, et al

State-of-the-art techniques for ground improvement in China

[J]. China Civil Engineering Journal, 2012, 45 (2): 127- 146

URL     [本文引用: 1]

刘海涛, 谢新宇, 程功, 等

刚-柔性桩复合地基试验研究

[J]. 岩土力学, 2005, 26 (2): 303- 306

DOI:10.3969/j.issn.1000-7598.2005.02.028      [本文引用: 1]

LIU Hai-tao, XIE Xin-yu, CHENG Gong, et al

Experimental study of the rigid-flexible pile composite foundation

[J]. Rock and Soil Mechanics, 2005, 26 (2): 303- 306

DOI:10.3969/j.issn.1000-7598.2005.02.028      [本文引用: 1]

李波, 黄茂松, 程岳, 等

路堤荷载下长短桩组合型复合地基现场试验与数值模拟

[J]. 中国公路学报, 2013, 26 (1): 9- 14

DOI:10.3969/j.issn.1001-7372.2013.01.002      [本文引用: 1]

LI Bo, HUANG Mao-song, CHENG Yue, et al

Field test and numerical analysis of composite foundation with long and short piles under embankment

[J]. China Journal of Highway and Transport, 2013, 26 (1): 9- 14

DOI:10.3969/j.issn.1001-7372.2013.01.002      [本文引用: 1]

杨鹏, 李照东, 胡永涛, 等

刚柔性桩复合地基加固双层软弱地基现场试验研究

[J]. 土木建筑与环境工程, 2018, 40 (6): 1- 8

URL     [本文引用: 1]

YANG Peng, LI Zhao-dong, HU Yong-tao, et al

Field test of double-layered soft ground improved by rigid-flexible composite pile foundation

[J]. Journal of Civil, Architectural and Environmental Engineering, 2018, 40 (6): 1- 8

URL     [本文引用: 1]

YE G B, WANG M, ZHANG Z, et al

Geosynthetic-reinforced pile-supported embankments with caps in a triangular pattern over soft clay

[J]. Geotextiles and Geomembranes, 2020, 48 (1): 52- 61

DOI:10.1016/j.geotexmem.2019.103504      [本文引用: 2]

郎瑞卿, 闫澍旺, 赵栋

多层加筋垫层刚性桩网复合地基的承载特性

[J]. 土木与环境工程学报(中英文), 2019, 41 (3): 49- 57

URL     [本文引用: 1]

LANG Rui-qing, YAN Shu-wang, ZHAO Dong

Analysis of bearing capacity of rigid pile-net composite foundation with multi-layer reinforced cushion

[J]. Journal of Civil and Environmental Engineering, 2019, 41 (3): 49- 57

URL     [本文引用: 1]

芮瑞, 夏元友

桩-网复合地基与桩承式路堤的对比数值模拟

[J]. 岩土工程学报, 2007, 29 (5): 769- 772

DOI:10.3321/j.issn:1000-4548.2007.05.023      [本文引用: 1]

RUI Rui, XIA Yuan-you

Numerical simulation and comparison of pile-net composite foundation with pile-supported embankment

[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2007, 29 (5): 769- 772

DOI:10.3321/j.issn:1000-4548.2007.05.023      [本文引用: 1]

曹卫平, 陈仁朋, 陈云敏

桩承式加筋路堤土拱效应试验研究

[J]. 岩土工程学报, 2007, 29 (3): 436- 441

DOI:10.3321/j.issn:1000-4548.2007.03.021     

CAO Wei-ping, CHEN Ren-peng, CHEN Yun-min

Experimental investigation on soil arching in piled reinforced embankments

[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2007, 29 (3): 436- 441

DOI:10.3321/j.issn:1000-4548.2007.03.021     

费康, 陈毅, 王军军

加筋形式对桩承式路堤工作性状影响的试验研究

[J]. 岩土工程学报, 2012, 34 (12): 2312- 2317

URL     [本文引用: 2]

FEI Kang, CHEN Yi, WANG Jun-jun

Experimental study on influence of reinforcing modes on behavior of piled embankment

[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2012, 34 (12): 2312- 2317

URL     [本文引用: 2]

WANG H L, CHEN R P, LIU Q W, et al

Investigation on geogrid reinforcement and pile efficacy in geosynthetic-reinforced pile-supported track-bed

[J]. Geotextiles and Geomembranes, 2019, 47 (6): 755- 766

DOI:10.1016/j.geotexmem.2019.103489      [本文引用: 1]

XING H F, ZHANG Z, LIU H B, et al

Large-scale tests of pile-supported earth platform with and without geogrid

[J]. Geotextiles and Geomembranes, 2014, 42 (1): 586- 598

[本文引用: 2]

曹新文, 卿三惠, 周立新

桩网复合地基土工格栅加筋效应的试验研究

[J]. 岩石力学与工程学报, 2006, 25 (1): 3162- 3167

URL     [本文引用: 3]

CAO Xin-wen, QING San-hui, ZHOU Li-xin

Experimental study on reinforcement effect of geogrid on composite foundation with dry jet mixing piles

[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2006, 25 (1): 3162- 3167

URL     [本文引用: 3]

白顺果, 侯永峰, 张鸿儒

循环荷载下柔性桩复合地基永久沉降影响因素的试验研究

[J]. 岩土工程学报, 2010, 32 (8): 1309- 1313

URL     [本文引用: 1]

BAI Shun-guo, HOU Yong-feng, ZHANG Hong-ru

Experimental study on influence factors for permanent settlement of composite ground with flexible piles under cyclic loadings

[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2010, 32 (8): 1309- 1313

URL     [本文引用: 1]

高昂, 张孟喜, 朱华超, 等

循环荷载及静载下土工格室加筋路堤模型试验研究

[J]. 岩土力学, 2016, 37 (7): 1921- 1928

URL     [本文引用: 1]

GAO Ang, ZHANG Meng-xi, ZHU Hua-chao, et al

Model tests on geocell-reinforced embankment under cyclic and static loadings

[J]. Rock and Soil Mechanics, 2016, 37 (7): 1921- 1928

URL     [本文引用: 1]

牛婷婷, 刘汉龙, 丁选明, 等

高铁列车荷载作用下桩网复合地基振动特性模型试验

[J]. 岩土力学, 2018, 39 (3): 872- 880

URL     [本文引用: 1]

NIU Ting-ting, LIU Han-long, DING Xuan-ming, et al

Piled embankment model test on vibration characteristics under high-speed train loads

[J]. Rock and Soil Mechanics, 2018, 39 (3): 872- 880

URL     [本文引用: 1]

ALAM M J I, GNANENDRAN C T, LO S R

Experimental and numerical investigations of the behaviour of footing on geosynthetic reinforced fill slope under cyclic loading

[J]. Geotextiles and Geomembranes, 2018, 46 (6): 848- 859

DOI:10.1016/j.geotexmem.2018.08.001      [本文引用: 2]

WANG J Q, ZHANG L L, XUE J F, et al

Load-settlement response of shallow square footings on geogrid-reinforced sand under cyclic loading

[J]. Geotextiles and Geomembranes, 2018, 46 (5): 586- 596

DOI:10.1016/j.geotexmem.2018.04.009      [本文引用: 1]

MOGHADDAS T S N, DAWSON A R

Behaviour of footings on reinforced sand subjected to repeated loading: comparing use of 3D and planar geotextile

[J]. Geotextiles and Geomembranes, 2010, 28 (5): 434- 447

DOI:10.1016/j.geotexmem.2009.12.007     

MOGHADDAS T S N, DAWSON A R

A comparison of static and cyclic loading responses of foundations on geocell-reinforced sand

[J]. Geotextiles and Geomembranes, 2012, 32: 55- 68

DOI:10.1016/j.geotexmem.2011.12.003      [本文引用: 1]

蔡袁强, 赵莉, 曹志刚, 等

不同频率循环荷载下公路路基粗粒填料长期动力特性试验研究

[J]. 岩石力学与工程学报, 2017, 36 (5): 1238- 1246

URL     [本文引用: 1]

CAI Yuan-qiang, ZHAO Li, CAO Zhi-gang, et al

Experimental study on dynamic characteristics of unbound granular materials under cyclic loading with different frequencies

[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2017, 36 (5): 1238- 1246

URL     [本文引用: 1]

浙江省住房和城乡建设厅. 复合地基技术规范: GBT 50783-2012 [S]. 北京: 中国计划出版社, 2012: 71-74.

[本文引用: 1]

中交路桥技术有限公司. 公路沥青路面设计规范: JTG D50—2017 [S]. 北京: 人民交通出版社股份有限公司, 2017: 44-45.

[本文引用: 1]

杨龙才, 郭庆海, 周顺华, 等

高速铁路桥桩在轴向循环荷载长期作用下的承载和变形特性试验研究

[J]. 岩石力学与工程学报, 2005, 24 (13): 2362- 2368

DOI:10.3321/j.issn:1000-6915.2005.13.027      [本文引用: 1]

YANG Long-cai, GUO Qing-hai, ZHOU Shun-hua, et al

Dynamic behaviors of pile foundation of high-speed railway bridge under long-term cyclic loading in soft soil

[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2005, 24 (13): 2362- 2368

DOI:10.3321/j.issn:1000-6915.2005.13.027      [本文引用: 1]

LI L H, CUI F L, FERREIRA P, et al

Experimental study of embankments with different reinforcement materials and spacing between layers

[J]. Geotextiles and Geomembranes, 2019, 47 (4): 477- 482

DOI:10.1016/j.geotexmem.2019.03.003      [本文引用: 1]

高昂, 张孟喜, 刘芳, 等

分级循环荷载下土工格室加筋路堤模型试验研究

[J]. 岩土力学, 2016, 37 (8): 2213- 2221

URL     [本文引用: 5]

GAO Ang, ZHANG Meng-xi, LIU Fang, et al

Model experimental study of embankment reinforced with geocells under stepped cyclic loading

[J]. Rock and Soil Mechanics, 2016, 37 (8): 2213- 2221

URL     [本文引用: 5]

WANG H L, CHEN R P, CHENG W, et al

Full-scale model study on variations of soil stress in geosynthetic-reinforced pile-supported track bed with water level change and cyclic loading

[J]. Canadian Geotechnical Journal, 2019, 56: 60- 68

DOI:10.1139/cgj-2017-0689      [本文引用: 1]

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