斜向水泥土桩加固路基室内模型试验研究

王 铸，宋绪国

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

斜向水泥土桩加固路基室内模型试验研究

王 铸，宋绪国

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

通过室内模型试验研究斜向水泥土桩加固技术的工作机理是一种比较有效的方法，在国内尚无先例。此次模型试验设计，主要考虑在线路荷载作用下路基本体的沉降变形相似和桩体材料的刚度相似两个方面出发，共设计了8组模型试验，通过模型试验研究了路基顶面沉降变化规律、路基边坡位移变形规律、路基土体内部竖向应力分布规律及水泥土桩体受力变形特征，得到了一系列有价值的结论。

铁路路基;斜向水泥土桩;室内模型试验;沉降;竖向应力;受力变形特征

1 概述

斜向水泥土桩是用单管旋喷高压注浆技术在铁路路基中形成了一系列一定直径、一定间距的斜向柱状水泥土固结体，这种加固技术已成功运用于既有线路基加固，有明显提高路基本体刚度、减小路基沉降的作用。但是，目前斜向水泥土桩加固技术施工超前于设计理论，对斜向水泥土桩加固技术的工作机理缺乏系统认识，而对斜向水泥土桩设计中桩间距、桩体强度、加固效果等参数也需要进行深入研究。室内模型试验不仅可以节约研究成本，也可以增加研究的数量，影响因素比工程现场更可控，通过室内模型试验研究斜向水泥土桩加固技术的工作机理是一种比较有效的方法，在国内尚无先例，

2 模型试验理论依据及设计方案

模型试验相关参数取值依据朔黄铁路路基现场调查、试验所得真实数据，主要考虑病害路基不处理情况、加桩处理效果以及桩排距的影响。模型试验设计，主要考虑在线路荷载作用下路基本体的沉降变形相似和桩体材料的刚度相似两个方面。

2.1 模型试验理论依据

(1)路基沉降变形相似关系

路基原型的沉降变形计算公式中，沉降变形仅与路基荷载大小、路基填料压缩模量、填土厚度有关，分层计算厚度影响忽略不计，得到如下函数关系

因为，模型比采用10，填料采用相同的扰动样，即有

另外，按照应力计算，按照路基半高的平均应力比p/pm=2，故有

式中，S为路基沉降变形值;ε为土样竖向应变;h为路基高度;p为荷载压力;e1、e2分别为初始孔隙比和荷载压力p作用时相应孔隙比;Es为土的压缩模量;E为土的变形模量;μ为土的泊松比;小标带m的符号为模型对应的符号。

式(2)表明，模型试验中加载与实际线路荷载相同时，路基原型沉降变形值是模型试验的20倍。

(2)桩体材料相似关系

试验桩根据刚度相似条件确定桩身材料，即

式中，(EI)m为模型试验中桩身材料的刚度;(EI)p为实际中桩身材料的刚度;CEI为桩体材料相似关系系数。

2.2 模型试验准备

(1)试验装置制作

路基模型线路参数:采用单线Ⅰ级重型铁路，路堤填料为非渗水土，设计轴荷载为220 kN，路基填高取10 m，路基顶面宽度为7.9 m，活载分布于路基面上的宽度，自轨枕底两端向下按45°扩散角计算，分布宽度3.6 m。换算土柱高度3.5 m，填料容重为17 kN/m3，计算强度为60.2 kPa。

参考国内外相类似的桩基室内模型试验箱(槽)，结合实际研究条件和拟采用的模型比10，设计采用的桩基模型箱内净空尺寸(长×宽×高)为320 cm×100 cm×200 cm。模型箱壁背部为钢板，前部为钢化玻璃，厚度15 mm，加水平及竖向矩形钢管立柱支撑，可较好地约束侧向变形，模型箱试验装置如图1所示。荷载板采用长×宽×厚为100 cm×39.5 cm×2 cm的钢板。

(2)试验路基填料选取及压实控制方法

根据现场调查和室内试验数据，路基填土采用土的塑限WP为16.4%，液限WL为27.8%;最大干密度ρdmax为 1.90 g/cm3，最优含水率 Wopt为 14.0%，病害路基填土压实密度控制在17 kN/m3。

图1 模型试验所用模型箱

试验前，通过压实度控制试验，分别选5、10 cm和15 cm分别填筑，压实工具采用钢管和橡皮锤，通过比较，确定填筑层厚度为10 cm，整平后，人踩钢管纵向碾压1遍，后分段横向碾压3遍，满足压实要求。为准确控制，每层碾压完成，测试3～6点，环刀法测试密度，含水量每组模型试验前均进行烘干法试验，误差控制在±2%，过大或过小应进行晾干或洒水浸润，直至满足要求。

(3)试验桩模型制作

试验桩模型采用薄壁钢管制作，通过等效刚度相似条件，计算选择外径d=50 mm，壁厚1 mm的钢管。钢管弹性模量E=200 GPa;桩长L按照模型比为10进行计算。按照模型相似关系所得桩体材料，根据设计桩长进行几何缩减，制备模型桩，选择中心断面上的桩体，进行应变片粘贴，以期测得桩体受力变形情况。

2.3 试验内容和方法

(1)试验内容

模型试验中斜向水泥土桩布置形式如图2所示，加密桩倾斜角度5°，其他桩倾斜角度15°。桩的纵向间距为3.0 m，按照几何相似比，模型内实际桩间距为30 cm，仅将模型内桩排距变化，模型试验方案见表1。

图2 斜向水泥土桩布置形式

表1 试验方案

(2)试验方法

为了研究加桩前后桩体应力应变以及路基顶面沉降变化规律、应力传递规律，共设计了8组模型试验，路基土体竖向应力测试用日本产的土压力盒，应变采用应变片测试。顶面和边坡位移用百分表和位移计测试，将贴有应变片的桩体随路基填土过程预先埋设在路基土体中。加载方式采用分级加载，一般超过列车换算荷载的1.2倍，利用Ev2静态模量测试仪器中的液压式千斤顶加压力式传感器系统作为控制加压系统。

3 路基受力变形特征

3.1 路基顶面沉降变化规律

8组模型试验路基顶面沉降的数据见表2，路基顶面沉降与桩间距、排数的关系曲线见图3。从图表中可以看出，随着加桩排数的增加，路基顶面沉降明显呈减小趋势。桩的排距越小，减沉效果越明显。随着加固深度的增加，即排数的增加，减沉值越来越大，但随桩排数的增加，单排桩的减沉作用逐渐减小，因此存在一个经济合理的最佳处理深度。

表2 模型试验路基沉降对比分析

图3 实测路基顶面沉降与桩间距、排数的关系曲线

图4是未加桩路基和桩间距为10 cm加3排桩、9排桩等3种情况实测路基顶面沉降与荷载的关系曲线。从图中可以看出，加桩后的路基顶面沉降明显小于未加桩的路基，而且未加桩路基沉降增加率也明显大于加桩路基，说明斜向设置的桩体明显有减小沉降的作用。另外，可以发现路基中加桩的排数越多，路基顶面沉降越小。

3.2 路基边坡位移变形规律

通过试验数据(表3)结果看，经过加桩后的路基，不仅顶面沉降得到有效的控制，同时边坡变形也明显减小。边坡测点采用百分表读数，A、B、C三点位置依次自路肩点沿坡面线设于30、60 cm和90 cm处。

图4 实测路基顶面沉降与荷载的关系曲线

表3 坡面各测点的垂直于坡面的变形值

从表3中可以看出，随着加桩的处理深度和排数的变化，边坡变形迅速减小，并有向下部发展的趋势，说明加桩明显改善了路基本体的应力状态，类似于加筋作用，约束上部边坡的变形，起到减小路基顶面沉降的作用;同时将应力向下传递，导致下部路基土体两侧变形增大，说明桩体起到扩散应力的作用。

3.3 路基土体内部竖向应力分布规律

为研究加桩前后路基本体竖向压力分布特点，在路基本体中布置了9个土压力盒，埋设位置如图5所示。

图5 模型中土压力盒埋设分布(单位:cm)

图6是未加桩时，3号、4号、5号测点的竖向应力随加载量变化的曲线。从测试结果看，竖向应力符合刚性板加载附加应力分布规律，线路中心小，而两侧大的马鞍形分布特征。

图7为加密桩+第一排桩的路基本体应力分布图，对比图6和图7，可以看出，当加了第一排桩之后，路基土体桩下竖向压力分布明显发生变化，线路中心竖向压力明显提高，断面上竖向压力呈现均匀分布趋势，证明加桩起到加筋作用，使应力扩散近乎均匀化，减小了路基中心附加应力值，从而减小路基中心沉降值。随着加桩排数增加，路基竖向应力均匀化效果更为理想。其他组模型试验结果类似，这里不再列举。

图6 未加桩时3号、4号与5号测点竖向应力随加载量变化曲线

图7 设置加密桩+第一排桩时3号、4号与5号测点竖向应力随加载量变化曲线

4 水泥土桩体受力变形特征

为了揭示斜向水泥土桩在路基本体内受到线路荷载作用时的桩体受力变形情况，为斜向水泥土桩设计计算方法及检测方法提供依据和理论上的支持，模型试验中在模型桩体上粘贴应变片进行应变的测试。

4.1 应变片标定

在室内首先对粘贴好应变片的桩进行标定，以1.2 m桩为例，其应变片布置见图8。通过砝码加载，观察桩体上下侧面应变变化情况，随着荷载的增加，各点应变片呈现明显拉正压负现象。

图8 桩长1.2 m应变片布置(单位:mm)

4.2 实测桩体应变分布

模型试验实测结果以1.2 m长桩来说明，详见图9和图10。从图中可以看出，桩体存在明显的拉应变和压应变，桩体上侧以压应变为主，下侧有明显的拉应变值，但也出现了压应变，说明桩体受力比竖直桩复杂，不是简单的拉压问题，桩身存在弯矩。

从测试的结果初步可以确定，路基中斜向水泥土桩与传统的竖向和水平受力桩，在受力状态上有着显著的差异，用竖直桩的设计理念进行路基内斜向水泥土桩的设计是不符合其工作机理的。而且，弯拉组合作用导致桩体不仅承受压应力，而且受到拉应力的作用，水泥土桩桩体材料是一种脆性材料，抗拉强度低，抗压强度高，因此，检测时应以抗拉强度进行质量控制是符合其自身工作特点。

图9 1.2 m桩的上侧测点应变随荷载的变化曲线

图10 1.2 m桩的下侧测点应变随荷载的变化曲线

5 结论

通过对室内模型试验数据的整理分析，得到了一系列有价值的结论。

(1)室内模型试验作为定性研究斜向水泥土桩的加固效果，是可行的。

(2)试验结果表明，斜向水泥土桩加固路基的效果明显，能够有效地减小路基顶面沉降，约束路基边坡侧向变形。

(3)路基本体中设置加固桩，不仅提高路基本体刚度，而且由于桩土之间的相互作用(摩擦剪切作用)将路基本体内附加应力的集中情况弱化，将桩以下土体应力扩散至整个路基断面宽度，应力分布均匀，从而减小路基顶面的沉降，起到明显的加筋效果。

(4)通过室内模型试验对桩体应变的测试结果说明，斜向水泥土桩在路基本体中，实际受到弯拉应力组合作用，其作为脆性材料，在质量检验方法上，应采用抗拉强度控制，而不是现行的抗压强度指标。

(5)加固桩的桩间距、加固处理深度对沉降变形的影响很大。但由于随着加固桩排数的增加，其减沉效果也越来越小，在实际工程中，存在一个经济合理的加固深度。

［1］ 中华人民共和国铁道部.TB 10001—2005 铁路路基设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2005.

［2］ 中华人民共和国铁道部.TB 10414—2003 铁路路基工程施工质量验收标准［S］.北京:中国铁道出版社，2003.

［3］ 中华人民共和国建设部.JGJ 79—2002/J220—2002 建筑地基处理技术规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2002.

［4］ 中国铁道科学研究院铁道建筑研究所.铁路路基基床结构设计方法及参数的研究［R］.北京:中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，2008.

［5］ 中国铁道科学研究院铁道建筑研究所.不同基床表层结构及路基、轨道动态试验研究报告［R］.北京:中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，2003.

［6］ 龚晓南.地基处理手册［M］.3版.北京:中国建筑工业出版社，2008.

［7］ 林宗元.岩土工程治理手册［M］.北京:中国建筑工业出版社，2005.

［8］ 徐至钧，全科政.高压喷射法处理地基［M］.北京:机械工业出版社，2004.

［9］ 王恩远，吴迈.工程实用地基处理手册［M］.北京:中国建材工业出版社，2005.

［10］王铸，宋绪国.斜向水泥土桩法加固既有铁路路基施工技术研究［J］.铁道标准设计，2013(1):17-20.

Laboratory Model Experiment Research of Using Oblique Soil-Cement Mixed Pile for Subgrade Strengthening

WANG Zhu，SONG Xu-guo
(The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation，Tianjin 300251，China)

It was a relatively effective method to do laboratory model experiment for the researching of the working mechanism of strengthening technology with oblique soil-cement mixed pile，and there was no precedent in China.For this laboratory model experiment，two aspects were emphatically considered，including the similarity of settlement deformations of subgrade soil body materials，and the similarity of the rigidities of pile body materials under the action of track roads;and a total of eight groups of model experiments were designed.Through this model experiment，relevant issues were researched including the change rule of subgrade top surface settlement，the rule of subgrade side slope displacement deformation，the rule of vertical stress distribution within subgrade soil body，and the stress deformation behavior of soil-cement mixed pile.As a result，a series of valuable conclusions were drawn from this experiment.Key words:railway subgrade;oblique soil-cement mixed pile;laboratory model experiment;settlement;vertical stress;stress deformation behaviors

U213.1+5

A

1004-2954(2013)09-0022-04

2013-06-13

铁三院科研项目“重载铁路路基加筋水泥土桩强化技术的应用研究”(721248)

王 铸(1976—)，男，高级工程师，1998年毕业于石家庄铁道学院交通土建工程专业，工学学士，E-mail:tsywzh@139.com。