浙江大学学报(工学版)

浙江大学学报(工学版), 2023, 57(4): 833-841 doi: 10.3785/j.issn.1008-973X.2023.04.021

交通工程、土木工程

煤矸石桩-土工格室复合路基承载特性

邓友生,, 冯爱林, 杨敏, 杨彪, 姚志刚, 李龙

1. 西安科技大学 建筑与土木工程学院，陕西 西安 710054

2. 同济大学 土木工程学院，上海 200092

3. 西安科技大学 桩承结构研究中心，陕西 西安 710054

Bearing characteristics of coal gangue pile-geocell composite subgrade

DENG You-sheng,, FENG Ai-lin, YANG Min, YANG Biao, YAO Zhi-gang, LI Long

1. College of Architecture and Civil Engineering, Xi’an University of Science and Technology, Xi’an 710054, China

2. College of Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China

3. Pile-supported Structures Research and Test Center, Xi’an University of Science and Technology, Xi’an 710054, China

收稿日期: 2022-04-24  

基金资助: 国家自然科学基金资助项目（51878554）；陕西省自然科学基础研究计划重点资助项目（2018JZ5012）

Received: 2022-04-24  

Fund supported: 国家自然科学基金资助项目（51878554）；陕西省自然科学基础研究计划重点资助项目（2018JZ5012）

作者简介 About authors

邓友生（1969—），男，教授，博导，从事基础工程及工程结构防灾减灾工程的研究.orcid.org/0000-0002-9891-2547.E-mail：dengys2009@126.com , E-mail：dengys2009@126.com

摘要

为了研究煤矸石桩-土工格室复合路基的承载性能，以煤矸石桩、土工格室及格栅分别作为竖向、水平向加筋体，开展静载试验，分析土工格室和格栅拉伸应力、桩体轴向应力以及桩顶与桩间土压力的变化规律. 研究结果表明：当施加到第8级荷载时，相较于土工格栅，土工格室上的拉应力增大67.93%，格室组中心桩与边桩中性点应力分别增大78.22%、30.95%，中性点对应截面位于桩体中部距桩顶约50 cm处；加筋垫层下方格室组的桩土应力比与格栅组相比，路基中部增大13.68%，路基边缘部分增大12.40%~13.49%，整体增大13.19%. 煤矸石桩-土工格室复合结构能够有效地将荷载由桩身传递至基底；土工格室加筋垫层均匀地将荷载横向传递至加筋体，削弱桩土间的土拱效应，土工格室与垫层构成的柔性筏板效应更突显.

关键词： 土工格室 ; 煤矸石桩 ; 承载机理 ; 柔性筏板效应

Abstract

The coal gangue pile, geocell and grid were used as vertical and horizontal reinforcements respectively for static load test in order to analyze the bearing capacity of coal gangue pile-geocell composite subgrade. The variation rules of tensile stress of geocell and grid, axial stress of pile and soil pressure between pile top and pile were analyzed. Results show that when the eighth load is applied, the tensile stress on the geocell increases by 67.93% compared with the geogrid, and the stress at the neutral point of the center pile and the side pile of the cell group increases by 78.22% and 30.95% respectively. The corresponding section of the neutral point was located in the middle of the pile about 50 cm from the top of the pile. Compared with the grid group, the pile-soil stress ratio of the cell group under the reinforced cushion was increased by 13.68% in the middle of the subgrade, 12.40%-13.49% in the edge of the subgrade, and 13.19% in the whole. The coal gangue pile-geocell composite structure can effectively transfer the load from the pile body to the base. The geocell reinforced cushion uniformly laterally transmits the load to the reinforced body, weakening the soil arching effect between piles and soil, and the flexible raft effect composed of geocell and cushion is more prominent.

Keywords： geocell ; coal gangue pile ; bearing mechanism ; flexible raft effect

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本文引用格式

邓友生, 冯爱林, 杨敏, 杨彪, 姚志刚, 李龙. 煤矸石桩-土工格室复合路基承载特性. 浙江大学学报(工学版)[J], 2023, 57(4): 833-841 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2023.04.021

DENG You-sheng, FENG Ai-lin, YANG Min, YANG Biao, YAO Zhi-gang, LI Long. Bearing characteristics of coal gangue pile-geocell composite subgrade. Journal of Zhejiang University(Engineering Science)[J], 2023, 57(4): 833-841 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2023.04.021

预计“十四五”期间，我国高铁运营里程将达到4.5万km，形成以“八纵八横”为主通道的全国高速铁路网[1]. 高铁路基建设标准远高于普速铁路，主要体现在对线路长期稳定性和沉降变形的严格控制上，以及在静载作用下的工后沉降和长期动力荷载作用下的附加沉降[2-3]. 桩网复合路基近年来被广泛应用于高速铁路线路工程的路基处理中[4-5]，一般由水平向增强体、竖向桩体和桩间土体3部分组成. 各组成部分共同作用形成一个完整的承载系统，兼有水平向和竖向增强体复合路基的优势，因而可以大幅度提高路基承载力、减小路基沉降和增强路基稳定性等[6-10]. 赵明华等[11-12]将土工格室视为弹性圆薄板，在一定范围内改变加筋体的复合弹性及土拱效应，格室垫层“柔性筏板效应”对荷载调节的贡献大于“拉膜效应”. Yang等[13-14]认为在上部荷载作用下，加筋体拉伸模量的增加降低了垂直荷载导致的横向应力分布比值，中心桩应力最大，边桩应力最小. Vibhoosha等[15]研究土工格室增强路基土的加固机制发现，施加的垂直载荷产生的水平应力在格室中产生环状应力，相邻的格室提供被动阻力，产生三向约束状态，提高土体剪切强度，可以降低约50%的应力，并使土体承载能力提高3.0~4.0倍. 徐超等[16-18]研究得出张力膜效应下筋材应变和受力很不均匀，张拉膜效应发挥程度随着加筋刚度的增大而提高，随着桩间土下沉而提高，导致土拱效应减弱. Zhou等[19-20]研究桩网复合路堤不同位置的土体沉降表明，垫层刚度对沉降分布有一定的影响，填土中部和路肩区土拱高度彼此接近.

对于竖向桩承式加筋体，也有学者针对桩体材料进行研究. 詹鹏[21]对煤矸石型与普通CFG模型桩进行有限元分析，发现随着煤矸石取代率的増大，前者的极限承载力逐渐降低，变形与后者相近. Huang等[22]通过试验研究发现，煤矸石经过破碎成细集料取代天然砂，当取代率约为20%时，煤矸石混凝土的抗压强度性能较高，甚至高于普通等强度混凝土. 煤矸石桩作为介于柔性桩与刚性桩之间的桩体应用于桩承式结构，可以深入研究，不仅有利于固体废弃物再利用，而且有利于环保[23].

国内外学者通过理论分析、模型试验和有限元计算等手段，对桩网复合结构加固路基进行大量研究. 土工格室作为横向加筋体，在路基处理方面的应用已经得到认可. 将煤矸石代替细骨料用作桩体材料的应用研究目前较少，对土工格室与桩体构成双向增强体的承载性能研究更少. 本文通过室内模型试验，对煤矸石桩-土工格室与煤矸石桩-土工格栅复合路基进行对比试验分析，揭示其荷载传递规律.

1. 模型试验

1.1. 试验模型及材料

试验所用的长方体模型箱尺寸如下：长度为4 m，宽度为2 m，高度为1.7 m. 试验模型根据《铁路路基设计规范》TB 1001—2016[24]中单线标准路基设计，按照几何相似比例(1∶10)缩小后的尺寸如下：高速铁路标准路基面宽度单线无砟轨道为8.6 m，按比例缩小后为57.33 cm，取60 cm；基床边坡坡比为1∶1.5，路堤填高为35 cm，其中基床底层为30 cm，基床顶层为5 cm，路堤底面宽为150 cm. 路基模型如图1所示.

图 1

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图 1   路基模型

Fig.1   Subgrade model


模型箱底部采用级配良好的黄土混合砂土填筑模拟持力层；路堤填土选用A组优质填料，物理参数相似比为1∶1，取粒径为10~15 mm的碎石和砂土混合配制(质量比为4∶1)路堤填料，分层夯实，达到试验所需的压实系数(λc ≥ 0.9). 采用煤矸石作为细骨料(取代率为20%)，根据《建筑桩基技术规范》JGJ94—2008[25]中混凝土预制桩设计，煤矸石桩身强度设计为C30，质量配合比为水∶水泥∶天然砂∶煤矸石砂∶碎石=1∶2∶3.25∶0.81∶6.72，制备模型桩作为竖向加筋体. 模型桩的抗压强度为34.7 N/mm2，弹性模量为3.11×104 MPa，塌落度满足设计要求. 桩长为1 m，桩径为5 cm，桩间距为25 cm，桩帽为边长为10 cm的正方形. 路基填筑及试验材料如图2、3所示，土工格室及格栅参数（密度ρ、弹性模量E、界面切变模量G、抗拉强度Rm、断裂伸长率e）见表1.

图 2

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图 2   路基填筑

Fig.2   Subgrade filling


图 3

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图 3   模型试验的材料

Fig.3   Material of model test


表 1   土工格栅及格室的参数

Tab.1  Parameters of geocell and geogrid

材料 型号 ρ/(kg·m−3) E/MPa G/MPa Rm/MPa e/%
土工格室 DTGS5 11 2750 2.36 23 ≤4.4
土工格栅 TGSG15-15 11 2100 2.36 14.5 ≤12.2

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1.2. 测点布置

设置土工格室和格栅2组试验. 桩体测点及土压力盒布置如图4、5所示. 格栅组的桩体编号为1#~5#，格室组的桩体编号为6#~10#. 每根测试桩布置5个测试截面，间距为22.5 cm，每个截面水平布置2个应变片以采集桩身轴向应变，应变片编号为1-1-A、1-1-B~10-5-A、10-5-B. 土压力盒布置2层：加筋垫层下方为第1层，共布置8个，桩顶编号为D5~D8，桩间编号为J1~J4；加筋垫层上方为第2层，共布置6个，桩顶编号为D11~D14，桩间编号为J9、J10. 位移计布置在路堤表面加载板上，置于加载系统两侧. 土工格室及格栅测点设置在相应加载区域的节点处，格室编号为GS1~GS12，格栅编号为gs1~gs10，测点布置如图6(a)、(b)所示.

图 4

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图 4   桩体测点的布置

Fig.4   Arrangement of pile measuring points


图 5

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图 5   应变片及土压力盒的布置

Fig.5   Arrangement of strain gauge and earth pressure cell


图 6

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图 6   加筋体测点的布置

Fig.6   Arrangement of stiffened body measuring point


1.3. 加载装置

试验加载采用10 t油压千斤顶，精准度为0.05 t，载荷板为800 mm×800 mm×20 mm的钢板，数据采集系统采用东华测试DH3821静态数据采集仪. 采用慢速维持荷载法逐级加载，总共加载8级荷载，经换算得到每级荷载为40 kPa. 当每小时的沉降不超过0.1 mm时，认为已达到基本稳定，进行下一级加荷. 当荷载作用下的模型桩沉降为前一级荷载作用下沉降的5倍，或沉降大于前一级荷载作用下沉降的2倍且24 h尚未达到基本稳定，或发生破坏时，终止加载. 在加载过程中，自动实时采集应变片、土压力盒及位移计的数据，每秒采集30次. 加载与测量示意图如图7所示.

图 7

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图 7   加载与测量示意图

Fig.7   Sketch of loading and measuring


2. 试验结果分析

2.1. 土工格室及土工格栅拉应力

为了探究土工格室的张拉效应，通过在路堤表面逐级施加荷载，分别将土工格室和土工格栅作为水平向加筋材料进行对比分析. 如图8、9所示分别为土工格室和土工格栅各测点应力的分布曲线.

图 8

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图 8   土工格室应力

Fig.8   Stress of geocell


图 9

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图 9   土工格栅应力

Fig.9   Stress of geogrid


2组试验的加筋体应力变化由加载区中心向边缘减小，路基中心承担荷载的比重较大. 土工格室和格栅的拉应力都随着荷载的增加而递增，且增幅较大，格室与桩顶和桩间对应位置的应力均大于格栅. 当荷载增加到第8级时，格室各测点的平均应力增加到147.46 kPa，格栅各测点的平均应力增加到87.81 kPa，格室的拉应力较格栅整体增加了约67.93%. 在路堤静荷载的作用下，土工格室较土工格栅而言，与土体的接触面积更大. 通过格室壁与土体之间的摩擦与土体协调变形，且土工格室作为一种三维结构，具有较强的抗拉强度，在受到较大荷载后，对发生侧向变形的土体更能够体现横向约束作用，形成柔性筏板，分担更多的荷载.

图8表明，土工格室各测点的应力随着荷载逐级增加，GS1~GS6与GS7~GS12的应力曲线增幅相近，且两者应力变化大致线性呈正相关增长. 图9表明，土工格栅各测点应力随着荷载逐级增加，gs1~gs5与gs6~gs10的应力曲线增幅相近，荷载由第1级增加到第6级时，应力变化大致呈线性正相关增长，但增幅不大，曲线较平缓，荷载由第6级增加到第8级时，应力急剧增长且各测点增幅不一致. 路堤上部荷载在2组横向加筋体中的传递过程中，土工格室和土工格栅受到竖向荷载后，均能够将部分荷载转化为加筋体自身水平张拉力. 由于格室肋条侧壁在局部荷载作用下产生网兜效应，可以限制填料发生过大的侧胀变形而破坏，减小侧向位移，增强路堤的稳定性. 土工格室对于荷载由加载中心向边缘扩散更均衡，加筋效果更具有优势，突出张力膜效应.

2.2. 煤矸石桩身轴向应力

如图10、11所示为格室组与格栅组桩体轴向应力分布图，5#、10#桩为荷载施加区域中心桩，1#、6#为荷载施加区域边桩. 图中，Lp为桩身高度. 对比分析格室组1#、5#和格栅组6#、10#桩体应力分布如下. 每级荷载下，桩身应力分布均从桩顶至桩底先增加后减小. 在桩顶至中性点，桩身应力逐渐增大，中性点至桩底逐步减小. 桩身轴向应力最大值的对应点即为中性点，中性点不在桩身顶部或底部，而是在桩身中部距桩顶约50 cm处. 当格室与格栅分别作为垫层加筋体时，桩体中性点位置均出现在桩身中部附近. 煤矸石桩作为一种半刚性桩，用于复合路基模型试验的模型桩，具有一定的抗压强度，能够有效地将上部荷载通过桩身均匀向下传递.

图 10

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图 10   格室组的桩体应力

Fig.10   Pile stress of cell group


图 11

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图 11   格栅组的桩体应力

Fig.11   Pile stress of grid group


随着上部荷载的增加，桩身各测点应力的变化规律基本一致，格室组的桩身应力变化呈正相关增长且幅值基本一定，格栅组呈正相关增长但幅值有漂移. 分析桩体中性点应力可知，图10中1#、5#与图11中6#、10#桩体在施加第1级荷载时，桩身应力分别为3.74、3.41和10.42、7.85 kPa；当施加到第4级荷载时，增加到28.29、74.72和23.51、31.49 kPa；当施加到第8级荷载时，分别为95.46、202.58和65.91、113.67 kPa. 格室组1#的桩身应力整体上小于5#，格栅组6#的桩身应力整体上小于10#. 上部荷载传递至各桩体，中心桩承担更多的荷载，边桩承担较少的荷载，表明荷载在桩体上的传递沿着加载区由中心向边缘逐渐减小.

对比图10、11可知，第1级荷载时，6#桩的桩身应力是1#桩的2.91倍，10#桩的桩身应力是5#桩的2.30倍. 随着荷载的增加，各桩身应力开始差异性变化，第4级荷载时，1#桩的桩身应力是6#桩的1.20倍，5#桩的桩身应力是10#桩的2.36倍. 第8级时，1#桩的桩身应力是6#桩的1.45倍，5#桩的桩身应力是10#桩的1.78倍. 在第8级加载时，格室组的中性点应力与格栅组相比，中心桩提高了78.22%，边桩提高了30.95%. 煤矸石桩的压缩变形模量远大于土体，在土拱效应下一部分桩间土所承担的荷载转移到桩上，使得桩体承担大部分荷载，出现应力集中. 当荷载较小时，格栅组将荷载转移至桩体比格室组更多；当荷载较大时，格室组对荷载的转移比格栅组多. 土工格室肋条张拉力的竖向分力使得作用在桩上的荷载增加，因此荷载越大，格室加筋垫层更有效地将大部分荷载传递至桩体；竖向加筋体受到的荷载影响远小于横向加筋体，减小了桩体向加筋垫层的刺入量，控制刺入量不均衡，削弱土拱效应，达到分散桩间土应力的效果.

2.3. 桩土应力比

桩土应力比是指在上部的荷载作用下，煤矸石桩-土工格室复合地基中桩顶土压力和桩间土与垫层交接面处的土压力之比，是分析桩与桩间土协同承担上部荷载的一个重要指标. 为了方便数据计算，第1层直接取模型桩桩顶土压力盒的实测值作为桩顶平均竖向应力，桩间土中间部位土压力盒的实测值作为桩间土平均竖向应力，第2层的竖向应力与第1层实测值形成对比，分析垫层上、下的桩土应力扩散效果，研究桩土应力比σp/σs在格室与格栅2种加筋垫层布置形式下的分布关系. 如图12、13所示为格室组与格栅组第1、2层的桩土应力比. 格室组与格栅组的桩土应力比均大于1，对于上部传递下来的荷载，桩体所承担的荷载大于桩间土，在桩网复合地基中，桩体是主要的受力体，2组试验加筋垫层上、下2层的桩土应力比变化规律均相似.

图 12

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图 12   第1层的桩土应力比

Fig.12   Pile-soil stress ratio of first layer


图 13

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图 13   第2层应力比值

Fig.13   Second layer stress ratio


对比图12(a)、(b)可知，荷载从第1级到第6级时，2组曲线均缓慢增长且增幅一致；从第6级到第8级时，格栅组曲线增幅较小，格室组曲线增幅较大，格室组的比值是格栅组的1.19倍. 在第8级荷载下，加筋垫层下方格室组各测点比值与格栅组相比，加载区中心测点D5/J1提高了13.68%，加载区边缘测点D8/J4、D6/J2分别提高了13.49%、12.40%，整体提升了13.19%，而加载区边缘测点D7/J3格栅组较格室组增加了58.16%，数据离散是格栅在受到上部较大荷载时发生应力传递不均造成的. 分析表明，当荷载较小时，格室和格栅加筋垫层两者都均衡调节荷载，且桩土荷载承担比值大体一致，加筋垫层将一部分应力传递给桩与桩间土，桩间土的刚性较小仍能承受一部分应力，此时加筋垫层未真正发挥作用. 随着荷载的增加，铺设在垫层间的水平加筋体张拉受力，承担一部分荷载，加筋垫层逐渐发挥作用，将传递下来的应力进行重新分配，荷载不断地从桩间土向桩转移，大部分应力传递给煤矸石桩桩顶，桩间土承担少部分应力. 桩土应力比在加筋垫层上方逐渐降低，在加筋垫层下方逐级增长，土拱效应格栅组较格室组更明显.

从图13可知，格室组在第1~4级时曲线降幅较大，从第4级到第8级时曲线降幅较小；格栅组在第1级到第5级时曲线降幅较大，从第5级到第8级时曲线降幅较缓. 格室组的桩土应力比整体上为格栅组的2倍. 格室组加载中心区域测点D14/J10从第1级加载比值3.85下降到第8级加载比值1.77，加载区域边缘测点D11/J10、D12/J9、D13/J9分别从6.89、13.40、8.51下降到1.98、5.33、2.61；格栅组D14/J10从4.45下降到2.33，D11/J10、D12/J9、D13/J9分别从5.87、5.75、3.99下降到2.75、3.18、2.45. 随着荷载的增加，加筋垫层上部比值不断减小，曲线走势逐渐平缓，格室组对于荷载的传递比格栅组更明显. 对比格栅组的曲线数据可知，格室组的桩土应力比与降幅较大，格室组路堤应力传递更快、更早地趋于稳定，路堤部分的土体沉降更小.

对比图12、13可知，土工格室垫层在降低土拱效应及调节荷载向桩顶集中方面有显著效果. 格室作为三维加筋体，形成整体性能较好的柔性筏板基础，具有筏板基础效应和应力扩散效应，能够有效地扩散上部路堤荷载，均化路基顶面的应力分布，阻止路基的破坏及向路基深处发展. 格室具有较大的抗拉强度，改变了路堤的变形发展趋势，提高了路基承载力，减少了路堤变形.

3. 结　论

(1) 在相同的加载条件下，对于横向加筋体的拉应力变化规律，土工格室与土工格栅基本一致，各测点应力与荷载呈正相关且增幅较大. 荷载在土工格室上横向扩散更均匀，张力膜效应更显著. 土工格室自身的横向约束作用使其分担更多荷载，减少桩体向上的刺入量，且各桩体刺入量均衡，加筋垫层发挥柔性筏板效应.

(2) 煤矸石桩能够有效地将荷载沿桩顶均匀传递至基底. 荷载从加筋垫层传递至桩体，轴向应力在中心桩与边桩桩身上的变化规律基本一致，由桩顶至桩底先增加后降低，桩顶应力比桩底大，中性点位于桩身中部. 在相同的荷载条件下，中心桩桩身应力最大，边桩桩身应力最小，格室将荷载更有效地转移至桩体，分担桩间土的应力.

(3) 第1层桩土应力比和第2层桩顶与桩间土应力比值随荷载增加的变化规律基本一致. 当荷载较大时，土工格室提升加筋垫层下桩土应力比的效果比土工格栅更显著. 土工格室作为三维加筋体，形成柔性筏板基础对于垫层下方应力重分布更为明显，削弱土拱效应，使得煤矸石桩承担更多的应力，桩间土承担较少的应力. 土工格室使路堤部分的应力传递更快更稳定，更有效地降低了路堤表面土体沉降. 土工格室作为加筋体加固路基土体，比土工格栅更具优势，验证了煤矸石桩-土工格室复合结构对高速铁路路基加固的有效性.

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