周 珩,苏 谦,2,刘 杰,郭春梅

(1.西南交通大学土木工程学院,成都 610031； 2.西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室,成都 610031)

引言

高速铁路对路基的刚度、强度、变形控制与稳定性提出了更高的要求，桩板结构作为一种新型的路基处理技术已应用于国内多条高速铁路上，并有效地克服了软土路基[1-3]、湿陷性黄土[4-5]、岩溶[6]以及采空区[7]等多种技术难题。随着我国山区高速铁路的大量新建，桩板结构应用于陡坡段路基，与传统桩板结构路基不同的是，陡坡段桩板结构路基除承受竖向荷载外，还可能承受边坡由于自重作用的水平荷载作用，从而导致结构横向变形甚至失稳破坏。尽管对于桩板结构路基，国内外已进行了一定的研究[8-12]，但对于陡坡段的非埋式桩板结构路基研究较少。因此开展陡坡段非埋式桩板结构路基受力与变形破坏研究对该结构的设计与应用推广具有重要的意义。

以陡坡段非埋式桩板结构路基为研究对象，通过物理模型试验，对非埋式桩板结构路基的水平承载特性、结构变形特征、路基破坏特性等进行研究。

1 水平承载模型试验

1.1 概况

本物理模型试验以新建杭黄高速铁路工点DK106+340典型断面为原型，该工点地质情况见表1。陡坡路基采用跨度7.5 m的托梁式桩板结构，结构自上而下为承载板、托梁与桩，桩基采用直径1 m的端承桩，承载板采用搭接形式，托梁与桩基刚接。地质情况为上覆2～3 m厚粉质黏土，中层为10～11 m强风化泥岩，底层为弱风化泥岩，边坡采用A、B组填料填筑。工点横、纵断面如图1所示。

表1 原型工点地层与桩长

图1 原型断面的地层与桩板结构(单位：cm)

1.2 模型相似设计

桩板结构路基水平承载试验模型为静力模型，结构应力与荷载、结构尺寸、材料弹性模量、泊松比有关，应力及位移的关系式为

σ=f(F,q,γ,l,E,v,p)

(1)

S=f(F,q,γl,E,v,p)

(2)

式中，F为集中荷载；q为线荷载；γ为材料容重；l为材料尺寸；E为弹性模量；ν为泊松比；p为配筋率。

本试验采用缩尺模型，以几何相似比Cl=1/10、弹性模量相似比CE=1为基本相似常数，根据π定理推导出本模型试验其他物理量的相似常数[13]，见表2。

1.3 模型尺寸与几何边界

桩板结构路基模型中相关结构的几何参数根据几何相似比Cl=1/10计算，见表3。

表2 物理量的相似常数

为保证模型试验结构接近工程实际，模型沿线路方向选取3跨板长，沿边坡横断面方向选取5倍板宽的宽度，以减小边界条件对模型的影响。因此，根据模型几何相似比例确定模型槽尺寸为长2.5 m×宽5.0 m×高2.5 m，模型槽侧向内壁涂抹凡士林，以降低岩土体、填料与侧壁间的摩擦力影响。

表3 模型几何参数

1.4 模型材料

考虑到桩板结构实际工作中主要发生弹性变形，模型材料选择以考虑弹性模量为主。因此，通过配制微骨料钢筋混凝土制作模型，并根据结构配筋率经换算后，选用直径为4 mm的细钢丝进行配筋。

原型工点岩土体主要分为3种类型：弱风化泥岩、强风化泥岩与路基填料。弱风化泥岩与强风化泥岩通过水泥砂浆配比试验选取土、石膏、水泥、砂与水配制地基相似模型材料。填料采用粉质黏土模拟。模型结构中弱风化泥岩、强风化泥岩与路基填料参数见表4。

表4 模型材料参数

1.5 模型制作

模型材料待模型槽砌筑完成后按既定比例配置，并逐层填筑与压实，填筑到达桩底高程后进行桩基定位。地层填筑与桩基埋设完成后依次现浇托梁与承载板(图2)，待模型养护完成后再开始加载试验。

1.6 监测仪器布置

模型监测为获得3类数据：(1)桩板结构内力；(2)土压力分布；(3)桩板结构与路基的变形。本次模型试验采用电阻应变片采集结构内力。沿桩深方向布设量程为200 kPa的微型土压力盒，采集土压力沿桩身分布数据。路基变形通过百分表进行监测，采用百分表量程为0～10 mm，精度为0.01 mm。元器件平面布置见图3。

图2 模型制作

图3 模型试验监测点布置(单位：cm)

1.7 模型加载

为模拟传递的剩余下滑力作用，加载板布置于承载板内侧滑坡体内(图3)，模型通过千斤顶对桩板结构路基进行水平逐级加载，每次增加相当于25 kN/m剩余下滑力的水平荷载，每级加载后静置5 min，待监测数据稳定后进行采集与下一级的加载。加载分级情况见表5。

表5 模型路基加载

2 试验结果分析

2.1 水平承载特性分析

2.1.1 桩基应力变化

当桩板结构路基承受水平荷载时，主要考虑桩侧土压力对结构的影响。依据弯曲理论和惯性矩的定义，由实测截面处的应变计算桩身各截面的弯矩Mi为[14]

(3)

式中，d为桩身直径；E为模型桩弹性模量；I为桩身截面惯性矩；εli、εyi分布为桩身各截面测点处的拉压应变。

由图4(a)可知，外桩弯矩随水平荷载的增加而增大。当水平荷载<100 kN时，外桩弯矩变化量较小，弯矩极值位于桩顶处，当水平荷载≥100 kN时，弯矩极值位于距桩顶80 cm处。

由图4(b)可知，内桩弯矩极值位于距桩顶66 cm处。当水平荷载<100 kN时，内桩弯矩随水平荷载的增加而增大。当水平荷载达到100 kN时，内桩弯矩分布存在明显突变，结合桩基破坏特性可知，内桩钢筋发生屈服，桩身出现开裂破坏。

2.1.2 桩侧土压力变化

桩侧土压力随水平荷载的变化规律如图5所示。内桩内侧滑面以上土压力随水平荷载的增加而增大，桩顶附近出现最大土压力达23 kPa，滑面以下土压力随荷载变化量较小，基本保持在5 kPa左右；内桩滑面以上桩间土压力基本为零，说明桩间土与内桩出现脱离。滑面以下土压力随水平荷载的增加而增大，呈三角形分布，土压力极值位于距桩顶60 cm处，达85 kPa。

图4 桩身弯矩分布

图5 土压力分布

外桩桩间土压力随水平荷载的增加而增大，桩顶附近与滑面处土压力存在极值，桩顶处最大土压力达到30 kPa，滑面处最大土压力达到25 kPa；外桩桩前土压力呈三角形分布，随水平荷载的增加而增大，最大土压力位于距桩顶20 cm处，达到110 kPa。

2.2 承载板位移特性分析

承载板水平位移随水平荷载的变化规律如图6(a)所示，承载板水平位移随水平荷载的增加呈抛物线型增大。当水平荷载达到57 kN时，承载板开始产生微小水平变形。当水平荷载达到143 kN时，水平位移显著增加，说明此时桩身发生折断破坏，承载板最大水平位移达到7.25 mm。

承载板竖向位移随水平荷载的变化规律如图6(b)所示，承载板竖向位移随水平荷载的增加呈抛物线型增大。承载板出现内外侧不均匀的竖向抬升，内侧最大竖向位移为3.9 mm，外侧最大竖向变形为0.7 mm。说明在水平推力作用下，桩板结构承载板出现以近坡面端为转点的翘曲变形。

2.3 破坏特性分析

2.3.1边坡与基岩破坏特性

图6 承载板位移变化曲线

如图7所示，路基边坡在水平荷载加载至100 kN时开始出现滑移变形，加载至157 kN时，出现显著的浅层破坏与局部压溃现象，此时相应于实际工程中剩余下滑力达到770 kN/m，说明桩板结构路基具有良好的抗变形能力。

图7 边坡变形

2.3.2 桩板结构破坏特性

通过对试验后的边坡开挖，发现桩板结构于桩身处出现裂缝，裂缝主要产生于桩顶以及滑动面附近(图8)，桩板结构其余部分基本完好。

图8 桩板结构破坏情况(单位：cm)

3 结论

通过陡坡桩板结构路基水平承载试验得到以下结论。

(1)桩板结构桩基弯矩基本上随水平荷载的增加而增大，加载过程中，外桩始终处于弹性变形阶段，当水平荷载增至100 kN时，内桩出现屈服破坏现象。

(2)桩侧土压力随水平荷载的增加而增大，且以桩侧抗力较大，外桩桩间土压力与内桩内侧土压力较小，说明在滑坡推力较大时，桩板结构将发生较大变形挤压桩前土体。

(3)承载板变形随水平荷载的增加呈抛物线型增大，最大水平位移达7.25 mm；竖向产生内高外低的翘曲变形，因此，在水平推力较大的地段应谨慎选用采用非埋式桩板结构路基形式。

(4)当水平荷载增加至100 kN时，边坡坡体开始出现显著浅层破坏，以及局部隆起与压溃。桩板结构于桩顶与滑面附近出现张拉裂缝。