基于离心模型试验的路堤下CFG桩破坏模式研究.pdf

2016年第4期广东公路交通GuangdongHighwayCommunications总第145期文章编号：1671—7619(2016)04—0010—04基于离心模型试验的路堤下CFG桩破坏模式研究苗德山1，刘吉福2(1．广东交通实业投资有限公司，广州510623；2．中铁建港航局集团勘察设计院有限公司，广卅I511442)摘要：利用离心模型试验研究了路堤下复合地基CFG桩的破坏模式?试验表明，路基位移和滑动面基本对称，滑动面最先在边坡范嗣内出现，滑动面由3段直线组成，滑动体两端类似主动区和被动区；软土层中部和底部附近正负弯矩最大；CFG桩主要破坏形式为受弯断裂，软土层中部和底部附近桩身受弯断裂方向相反，边坡范围内的桩首先断裂，滑动面内的CFG桩受弯断裂成3～5段：CFG桩受弯断裂后仍有一定的竖向荷载承载能力。关键词：路基；离心模型试验；CFG桩；滑塌；破坏模式中图分类号：U416．12文献标识码：A0引言随着高速公路、高速铁路等建设加快、工后沉降要求提高，CFG桩逐渐应用于路基地基处理。大部分工程采用桩式地基，但桥头过渡段多按复合地基设计，桩间土较好时非过渡段也可按复合地基设计。目前大部分规范对CFG桩复合地基路基稳定分析仍然基于桩土同时沿滑动面剪切破坏的假设，导致不少计算稳定安全系数较大的路基发生滑塌事故。。_。刘力等利用削弱铝管进行等厚软土层复合地基路基离心模型试验，得到刚性桩弯矩较大的结论6；宋苗苗进行了等厚软土层素混凝土桩复合地基路基离心模型试验，得到复合地基主要有坡脚路堤刺入鼓胀、坡脚局部桩土剪切破坏、路基桩土整体剪切破坏等破坏模式7。本文通过离心模型试验研究了路堤下CFG桩的破坏模式。l路基离心模型设计模型尺寸及布置见图l。路堤土P=2．049／cm’，础=20．85％，‰=16．8kPa，机。=21．3。，c’=14．3kPa，咖7=28．6。。软土层P=1．859／cm’，似=44．12％，C。。=28．6kPa。下卧硬土层P=2．099／cm3，叫=21．05％，c。=17．0kPa，机，=21．5。，c’=20．5kPa，咖7=30．30。CFG桩利用M20砂浆制作(图2)，桩径10ram，极限弯矩0．75Nm，采用铝管引孑L后将CFGL!!墨塾JL!!螋一(a)剖面图ll23456型I|_穗叠弭]，阻斗—』堑—山翌L盟JL!!鲤．j(I，)平面图图1路基离心模型(单位：cm)(c)路基模型图2路基模型制f1作者简介：苗德1．LJ(1972一)，男，江西南昌人，高级T程师，从事公路T程建设管路T．作。E—mail：617067152@qq．COB·10· 2016年第4期苗德山，刘吉福：基于离心模型试验的路堤下CFG桩破坏模式研究总第145期采用分级加速模拟路堤土填筑过程，每级加荷为109，加荷时间为2rain，间歇时间为5rain，试验做至路堤失稳破坏为止。离心加速度达到909时，停止试验，对应原型陆基高度为10．8m。2试验结果分析2．1路基滑动面形成过程(1)随着离心加速度增大，路基变形不断增大，网格线弯折现象不断加剧。相对路基中线路基变形基本对称，网格弯折现象明显的部位为坡脚外2cm至坡肩内6cm处，边坡范围内网格线最先弯折且最明显：(2)路基出现两个基本对称滑动面，每个滑动面近似为3段直线组成，中间一段平行软土层底面，滑动体前后两段接近于被动区和主动区。由于模型箱壁限制，被动区发育不充分。(t)9()。时路j．L7芝影㈨*、川II图3F符J．蚓’j二㈨m2．2桩断裂情况(1)路基坡肩范同内地基沉降、桩土沉降差明显大于路基边坡范围，路基边坡范围内桩土基本齐平。(2)相对路基中线，CFG桩断裂位置和位移基本对称。CFG桩断裂面为水平张性断裂面，表明受弯断裂。路基中线附近CFG桩在软土层中部附近断裂，其余CFG桩在软土层中部及底部附近产生方向相反的受弯断裂。路基边坡范围部分桩在软土层出现2～3处断裂；部分CFG桩断裂后各桩段明显错位。CFG桩在软土层中部的位移大于桩顶位移。(t)，j)3排似图4(I·【，似破坏情M2．3路基位移(1)整个试验过程中，路基向路基两侧产生水平位移，位移场基本对称。受模型箱尺寸限制，路基水平位移受到限制，坡脚内一定范同内产生隆起变形：(2)地基顶面线对应的沉降面积(110．Ocm2)稍大于隆起面积(102．4era2)。(3)桩底沉降接近于零，桩顶沉降主要是桩断裂后倾斜造成的。除坡脚附近2列桩顶与桩问土基本齐平外，其他桩顶高于桩间土i(4)由左侧数，第l列桩断成4段，第2、3列桩断成5段，第4、5、6列桩断成3段?由右侧数，第l、2、3列桩断成3段，第4、5、6列桩断成4段。由左至右，各列桩桩顶水平位移分别为28ram、28raml27himl10mmIOmml6ram?10mmi1lllml18mm?21mm?25mm?24mm：(5)桩断裂后随桩问土位移，除个别桩段外，桩问土位移不大于桩身位移i．11· 2016年第4期广东公路交通总第145期500三400键萎300《?200蟠警1000500l400蠢墨300藿200蟮等100O与左培板内壁的距离／mma)总位移5001000与左墙板内壁的距离／IBm(I，)水平位移。lcm-．任孵翮斗、．．——rp么、、U厂r几、_Lp)，rrm—1—1r＼＼IiI』—上，“11rh一—n＼—olLLLLLJjJ一—1rrk5001000与左墙板内壁的距离／rain(c)竖向位移试验后路基模型位移2．4桩身弯矩图6、图7为l一2号桩的弯矩变化规律，可知，1—2号桩上部为正弯矩、下部为负弯矩。随着离心加速度的增大，桩身正、负弯矩绝对值先增大后减小，弯矩峰值对应离心加速度为509。2．5桩身轴力图8是l一3号桩12。5cm深度处桩身轴力与时间关系曲线，每个平台对应一级荷载的间歇期。荷载不大时间歇期桩身轴力有增大的趋势，其主要原因是桩土沉降差增大、土拱效应导致路堤荷载向桩顶转移；离心加速度为409时间歇期轴力变化不大；509和609间歇期轴力减小，609时轴力出现峰值，709以后加载时轴力减小，间歇期轴力很难稳定。其他深度处轴力也存在类似现象。．12．O．5O．0．5．1力v●。5礴汐1目皇图6桩身弯矩一深度关系；．0；：|．4一t{一刮N裂—1卜109——●-—一209——●P309—_．p409一●一509一●一609～‘▲’。709一一-(9。’809—1卜909图8桩身轴力一时间关系由图8可知，1—3号桩在离心加速度为509时受弯断裂，但509～609时仍能维持62N左右的轴力，加载到709时仍能承受40N左右的轴力。其原因是桩受弯断裂形成的是水平断裂面，且断裂面位于软土层底面，水平位移很小，断裂面上下桩段仍能传递竖向荷载；另外，509时1—3号桩处最大水平位移为14．0mm且位于地面下40ram处，断裂面以上桩段倾斜度较小(约8．8％)。图9、图10中各级轴力为该级荷载加载间歇期相对稳定的轴力平均值，可知：(1)桩身轴力随离心加速度增加而增大，离心加速度达到50～709时，桩身轴力达到峰值，其后轴力逐渐减小。湖伽姗枷㈣oEg＼龌甚g暮忸辑篷打 2016年第4期苗德山，刘吉福：基于离心模型试验的路堤下CFG桩破坏模式研究总第145期(2)桩身轴力沿深度增大而增大，说明桩身承受负摩擦力，这与图4、图5中桩顶沉降小于桩间土沉降的情况相符。(3)桩身轴力较小，说明桩间土承担荷载较大，这与桩身受弯断裂的情况相符。CFG桩弯矩峰值、轴力峰值都代表桩身破坏，轴力测试桩位于弯矩测试桩内侧，而轴力峰值对应的加速度大于弯矩峰值对应的加速度，表明坡脚附近的CFG桩首先受弯破坏，随着路基荷载进一步增大，内侧CFG桩再受弯破坏。F／kN10806040—1}_1092+2094—_-广_3096—_卜-4098目一●‘一509t0勺一一●一609’2一一●一一70914～●一80916—_E}_909R图91—3号桩身轴力一深度关系+13‘9c25m10080cm60置40k200—．_56cm+1n2cm八於’1＼’3060q。1)】一3¨傩fJJJ33I，／Ip图10桩身轴力一加速度关系StudyofFailureModeofCFGPilein3结语(1)对称路基的位移和滑动面基本对称，每个滑动面由3段直线组成，边坡及其附近滑动面平行软土层底面，两侧滑动体接近主动区和被动区。路基边坡范围内位移最大，滑动面最先在边坡范围内出现。(2)CFG桩在软土层中部和底部附近出现正、负弯矩最大值。CFG桩主要破坏形式为受弯断裂，边坡范围内的桩首先受弯破坏，软土层中部及底部附近受弯断裂方向相反，滑动面内部分桩断裂成4～5段：(3)CFG桩顶沉降小于桩间土沉降，桩身存在负摩擦力。(4)CFG桩受弯断裂后仍有一定的竖向承载能力：参考文献：[1]公路软土地基路堤设计与施T技术细则JTG／TD31—02—2013[S]．北京：中同计划卅版社，2013．[2]广东省公路软土地基设计与施T技术规范GD—JTG／TE01—2011[S]．北京：人民交通出版社，2012．[3]浙江省交通规划设计研究院．浙江省公路软土地基路基设计要点[M]．北京：人民交通出版社，2009．[4]朱旭华，舒国明．广珠北新同高架桥桥头路基滑移原因分析[J]．中外公路，2006，26(4)：27—29．[5]刘吉福，郑刚，安关峰．刚性桩复合地基路基绕流滑动稳定分析[J]．工程勘察，2013，41(06)：17—22．[6]刘力．刚性桩加同路堤稳定分析方法研究[D]．天津：天津大学，2010．[7]宋苗苗．素混凝土桩复合地基丁作形状及失稳破坏试验研究[D]．成都：西南交通大学，2012．(收稿日期：2016—05—12)FoundationunderEmlmnkmentbyMlA0Deshan，LIU．，驰二(1．GuangdongCommunicationsIndustrialInvestmentCo．，Ltd．，Guangzhou510623；2．SurveyandDesignInstituteCo．，Ltd．，CRCCHarbor&ChannelEngineeringGroup，Guangzhou511442)Abstract：FailuremodeofCFGpilesincompositefoundationunderembankmenthasbeenstudiedthroughacentrifugalmodeltest．Ithasshownthatembankmentdeformsandslidessymmetrically．Slidesurfacesappearwithinslopeofembankmentfirstlyandeachslidesurfaceconsistsof3straightlinesegments．Theendsofslidebodyaresimilartotheactiveareaandpassivearea．Themaximumpositiveandnegativebendingmomentsarenearmiddleandbottomofclaystratum．ThemainfailuremodeofCFGpilesiSbendingfractureandbendingfracturesofCFGpilesnearmiddleandbottomofclaystratumareinoppositedirections．CFGpileswithinem．bankmentslopesfailfirstly．CFGpileswithinslidesurfacearebentinto3to5segments．ThecrackedCFGpilesstillhavesomeverticalbearingcapacity．Keywords：embankment；centrifugalmodeltest；CFGpile；slide；failuremode一戮一倒黼沈∞帅印阳∞如∞如¨