桩网支承路基结构的模型试验方法

桩网支承路基结构（ＧＲＰＳ）是一种将桩作为竖向 增强体、土工合成材料与碎石（砂砾）组成的加筋网垫 作为水平增强体的复合结构，桩顶与桩间土形成沉降 差，促使网垫上方形成土拱效应，加上土工合成材料变 形的张拉作用，将大部分上部荷载传递到桩上，减小了 桩间土的荷载，路堤荷载通过桩向深层地基传递。桩、 网、土三者在承担荷载的过程中协同作用，共同承载， 比通常地基处理方法具有路堤总沉降及工后沉降较 小、侧向变形小、稳定性高、工期短、较好经济性等优 点ｕ。２０。由于ＧＲＰＳ结构受力的复杂性，对它的机理研 究远远滞后于工程应用，英国、德国、日本和北欧的相 关规范的假设和假设方法均存在较大的差异ｕ Ｊ，至今 还没有可被广泛接受的规范、规程来指导工程设计和 施工。
黏性土经重型击实试验获得最大干密度为Ｐａ＝ １．７３ ｇ，ｃｍ３，对应最佳含水量为埘＝１３．５％。 ２．３．５格栅
试验中采用青岛颐中双向塑料格栅，横向肋条抗 拉强度分别为３２．４和４３．１ ｋＮ／ｍ，相应破坏拉伸应变 分别为９．２％和９．８％。 ２．４加载系统
为方便对模拟路基施加荷载，试验设计了由模拟 路基、加载板、反力梁和荷载控制系统等构成的加载系 统。试验采用反力梁为铁建所轨道实验室大型反力 梁，梁宽０．５０ ｍ，净高２．４ ｍ，足以在本次试验中施加 反力。 ２．４．１加栽板
对于原型应力状态的模拟，必须要求满足模型与 原型材料的应力一应变关系的相似性，或应力一应变 曲线的相似性。假设％和ｅ，分别代表原型材料的应 力和应变，盯。和ｅ。分别代表模型材料的应力和应变。 则在达到同一应变水平的前提下，必须使两者的应力
达到一定的比例，即￡，＝ｅ。而叮，＝ｃ，ｄ。。本次模型试 验将尽可能采用同原型相同的材料，所以在达到相同 的应变水平时，必然有ｃ。＝１，Ｃ。为模型与原型的应力 比。
（责任审编王天威）
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铁道建筑
Ｊｕｌｙ，２００９
缘做倒角，并在内侧面按照虚线进行划线。 ２．２．２槽箱
槽箱平面净空尺寸为１．２ ｍ×０．８ ｍ，共有１０个组 成，０．２６ ｍ高度５个，０．２２ ｍ高度４个、０．０７ ｍ高度１ 个（用于控制垫层厚度），均为钢板焊接而成，板厚 ０．０１ ｍ。在每个槽箱外侧采用一直径声＝０．０１４ ｍ圆 钢作为加肋，每个侧面均做２个把手，在４个角点处各 焊接一定角钢用于搭接定位。另外钢板内壁光滑，钢 板边缘做倒角。同时在内壁也按照底板方式每０．２ ｍ 间隔进行划线。 ２．３试验材料
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２００９年第７期
桩网支承路基结构的模型试验方法
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试验所用所有压力盒均进行了标定。 ２．５．２格栅测力装置
由于格栅存在明显的蠕变特性，故通过测试应变 的方式求出拉力存在较大困难，制作了由两片钢片组 成的格栅测力装置，将该装置固定在格栅上直接测试 拉力，并对相应的钢片进行标定，如图３、图４所示。
采用沉降板测试沉降时测杆的外伸将会使加载板 的放置和移动增加难度，试验采用改进的小型沉降水 杯，导管从槽箱侧壁引出，同时为提高测试精度，水柱 导管倾斜至５．８。。通过这种方法即使采用普通测量尺 进行测试时，精度也能达到０．１ ｍｉｌｌ。 ２．５．４色粉与注浆
为获得加筋网垫受力后的变形形状，路基填筑时 在碎石垫层上方铺撒色粉，在试验加载过程中，色粉跟 踪格栅变形发展趋势，卸载色粉变形形状基本可反应 出格栅变形后的形状。
由于模拟地基的泡沫在卸载后有一定程度的反 弹，变形量相比格栅实际变形有所减小，为了完整确定 格栅变形形状，在试验全部加载完成后，对垫层进行注 浆以保留格栅实际变形形状。注浆前，在垫层上下层 铺设塑料薄膜，并对相应模型箱开孔以作注浆孔。
图３格栅测力装置
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图４不同钢片格栅测试装置的标定曲线
采用量纲分析法只要求确定参加所研究现象的物 理量，并明确量测这些量的单位系统的量纲，不要求建 立现象的物理方程式。桩网支承路基的受力变形问题 属于比较复杂的物理现象，参与其中的物理量较多，目 前没有统一的经验方程描述，因此无法采用定律分析 法和方程分析法，量纲分析法成为求相似判据的唯一 方法。
量纲分析法的核心是写出量纲方程，表１中列出 了参与模型试验作用的所有物理量和对应因次。根据 已有研究成果，路基高度、垫层厚度、桩间距、桩帽尺 寸、格栅模量、桩间土模量等参数对路基荷载作用下的 加筋网垫受力变形来说是重要的因素，在量纲分析中 不可忽略。在被决定量应力口和沉降ｓ当中，两者实 际上都是客观存在并且相互关联、相互影响，在量纲分 析中均予以采纳。
．
２．３．２桩间土 地基材料选用柔性塑料苯板，平面尺寸为１１９ ｅｍ
ｘ ７９ ｅｍ，根据三种桩帽尺寸进行切割。采用试验机通 过对泡沫板进行压缩试验，得到泡沫板的弹性模量为
０．５３ ＭＰａ。
２．３．３碎石
干净碎石，自然级配，碎石最大粒径Ｒ一＜１０ ｍｉｌｌ。 ２．３．４填料
路基填料采用砂和黏性土两种材料。试验中通过 分层填筑，铁锤锤击－每层测试路基密度。砂的相对密 实状态质量分别减小５％和１０％进行三次剪切试验， 摩擦角分别为３５．８０，３４．３。、３３．８０，平均为３４．６０。
１模型试验的理论基础
针对静力模型试验，其涉及的模拟问题是模拟原
收稿日期：２００９．０３－０８；修回日期：２００９拼镧
基金项目：铁道部科技发展计划项目（２００７ｃ＿，０４６） 作者简介：叶阳升（１９６６一），男，河南横川人，研究员，博士。
型的应力状态，主要分析路堤荷载作用下加筋网垫的 受力变形、垫层上路基成拱和垫层下桩土荷载分担随 路基填筑的发展状况以及边坡位置的垫层受力发展状 况。
模型试验主要围绕桩网支承路基结构在路基中心
图１格栅的边界处理
２．１．３试验材料相似 根据试验目的，对于主要材料尽可能采用与原型
基本相同的介质，如碎石、格栅、填料等，其中填料有砂 土和黏性土两种。试验中不考虑地基排水固结，为减 小重塑土性能差异，试验采用强度统一的塑料苯板作 为地基土。桩体和桩帽分别采用钢管和钢板模拟刚性 桩。试验中对路基填土的砂和黏性土进行物理力学试 验。 ２．１．４荷载条件相似
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２模型试验系统的建立
２．１相似条件 相似条件即模型试验所应遵守的相关准则，是现
象相似的必要条件。试验设计时充分考虑试验系统的 几何条件、边界条件、试验材料、荷载条件等方面的相 似。 ２．１．１几何条件相似
因相似现象必定发生在几何相似的空间内，故模 型中各个关键结构的几何形状和尺寸应与实际情况相 似，主要是桩径、桩帽尺寸、垫层厚度、路基高度以及地 基深度等几何相似比相等。模型中各结构的尺寸按照 几何相似比Ｃ。＝６：１进行制作。 ２．１．２边界条件相似
本次试验格栅的边界条件对荷载传递具有很大影 响，为模拟格栅在实际工作状态中处于边界固定的特 点，试验中通过两根高强度锰钢夹条和若干高强螺栓 对格栅固定（如图１所示），试验后验证这种固定方式 非常有效，可以没有摩擦地在槽箱内侧壁向下移动。
试验受力变形特性隐式关系式为：
／（口ｌ，口２，Ｊ３，仃４，ｓｔ，ｓ２， ＥＩ，Ｅ２，Ｅ３，日ｌ，巩，Ｚ）＝０ 根据量纲矩阵分析方法得到相似判据：
试验直接采用模拟路基作为加载介质，相对其他 形式的加载方式而言，模拟路堤加载最能体现真实状 况。路基高度超过可能土拱高度之后，其余荷载采用 刚性板施加，加载方式采用逐级加载。 ２．２模型箱
模型箱由底板和槽箱两部分组成，槽箱由多个搭 接而成，所有组件的质量均控制在人工搬运范围之内。 ２．２．１底板
底板尺寸为１．２６ ｍ×０．８６ ｍ×０．０１ ｍ的钢板，在 １．２１ ｍ×０．８１ ｍ位置４个角点处焊接４个角钢用于槽 箱定位，并做８个把手。另外钢板内侧面光滑，钢板边
试验材料包括桩、桩帽、地基土、碎石、土工格栅和 路基填料等。 ２．３．１桩及桩帽
为保证桩体材料的一致性和试验需要，模型桩采 用钢管桩，钢管直径Ｏ．０８９ ｍ，长度为０．５ ｉｎ，其中管端 焊接Ｏ．０２ ｍ钢板并开３个螺栓孔用于固定桩帽，螺栓 使用内扣。桩帽为ｏ．０１４ ｍ厚度的钢板，尺寸有 ０．０８９、０．１７０ ｍ和０．２５０ ｍ三种。
铁道建筑
Ｒａｉｌｗａｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
Ｊｕｌｙ，２００９
文章编号：１００３—１９９５（２００９）０７．００４０．０４
桩网支承路基结构的模型试验方法
叶阳Байду номын сангаас，蔡德钩，闺宏业，张千里
（中国铁道科学研究院铁道建筑研究所高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京１０００８１）
摘要：针对桩网支承路基结构的受力变形特点，结合相似理论，建立了几何相似比为ｌ：６、应力比为１：ｌ 的模型试验系统，包括相似条件、模型箱、试验材料、加栽系统和传感器等内容。重点解决了试验中遇到 的难点，包括格栅边界条件处理、格栅拉力和沉降测试方法以及加筋网垫变形形状的测试方法等问题。 试验方法的建立为开展桩网支承路基结构的模型试验奠定了基础。 关键词：桩网支承路基模型试验相似理论格栅 中图分类号：ＴＵ４７２．３＋２文献标识码：Ａ
２．５．３沉降水杯
３小结
以相似理论为指导，建立了桩网支承路基结构的 模型试验方法及相应的试验系统，解决了包括格栅边 界条件处理、格栅拉力和沉降测试方法以及加筋网垫 变形形状的测试方法等问题。提出了相应的力、应力 和变形的测试方法，为合理开展桩网支承路基结构的 模型试验奠定了基础。
参 考 文献 ［１］周镜，叶阳升，蔡德钩．国外加筋垫层桩支承路基计算方法 分析［Ｊ］．中国铁道科学，２００７，２８（２）：１－６． ［２］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．
加载板置于路基顶面，其上放置经标定后的千斤
顶，依靠千斤顶上方的反力梁提供反力作用于路基顶 面，设置模拟路基的高度超出可能土拱高度，以深入分 析路基底部应力集中的土拱现象。为便于吊装安放加 载板，加载板的尺寸略小于模型槽净空尺寸。加载板 由６块钢板组成，尺寸小于模型槽净空尺寸。 ２．４．２荷载控制系统