桩网支承路基结构的模型试验方法(1).pdf

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桩网支承路基结构的模型试验方法叶阳升，蔡德钩，闺宏业，张千里1模型试验的理论基础文章编号：1003—1995(2009)07．0040．04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uJ，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。对桩网支承路基加筋网垫的有关理论和作用机理进行深入研究时，现场试验具有无法比拟的优越性，如试验结果符合工程实际、数据来源真实可靠等，但是也存在试验时间长、消耗人力物力大、受现场施工条件限制等不利因素。室内模型试验的可操控性强，对于影响因素多、作用机理复杂的研究对象，易于通过调整试验参数和改变试验条件而集中研究其中一项或几项因素，从而揭示工程问题的本质。因此，除现场试验外，模型试验也是解决工程复杂问题的重要手段。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。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。铁道建筑(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)中图分类号：TU472．3+2文献标识码：A比。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。RailwayJuly，2009Engineering
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2百’i汀，。22百汀·2i川si2模型试验系统的建立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：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边界条件相似模型试验主要围绕桩网支承路基结构在路基中心和边坡处竖向应力传递特性进行模拟。对于路基中心而言，可以简化为纵向和横向均为平面应变问题。在平面应变的条件下，路基水平方向位移为零，剪应力为零，试验通过模型系统沿纵向和横向边缘的侧壁为相对刚性来满足平面应变条件