徐林榮，王宏貴，左 王申，劉維正

（中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，長沙 410014）

1 引 言

隨著鐵路運營速度的不斷提高，對軌道平順性的要求越來越高，工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)日趨嚴(yán)格。以固結(jié)排水法[1]、水泥土攪拌樁、碎石樁等柔性樁或半剛性樁豎向加固體復(fù)合地基[2]以及樁-網(wǎng)復(fù)合地基[3]為代表的常規(guī)地基處理方法，因有效加固深度、豎向增強(qiáng)體剛度和單樁綜合承載性能（相對傳統(tǒng)樁基）有限，應(yīng)用于深厚軟土地基處理存在明顯局限性。由于能充分發(fā)揮樁的承載能力和沉降控制能力，沉降控制復(fù)合樁基處理技術(shù)應(yīng)運而生，并于2005年首先應(yīng)用于我國京津城際鐵路幾處松軟土地基段，成為一種新型的高速鐵路路基地基處理方式。此后沉降控制復(fù)合樁基廣泛應(yīng)用于我國在建高速鐵路的軟基處理工程。

沉降控制復(fù)合樁基頂部結(jié)構(gòu)采用墊層加筏板的形式，也常稱之為樁筏基礎(chǔ)，源于建筑領(lǐng)域剛性疏樁的“減沉”理念。疏樁基礎(chǔ)是現(xiàn)代樁-土共同作用理論的重要研究成果之一，是傳統(tǒng)樁基與天然地基之間的過渡型基礎(chǔ)形式，系指將常規(guī)基礎(chǔ)設(shè)計的低承臺摩擦型群樁（或端承作用較小的端承摩擦樁）的數(shù)量和間距進(jìn)行精簡疏布（一般5～6倍樁徑或以上），與剛性承臺底土體共同承載的樁基礎(chǔ)。建筑工程領(lǐng)域?qū)@一基礎(chǔ)形式與地基處理技術(shù)進(jìn)行了廣泛的研究，分別通過室內(nèi)模型試驗[4－5]、實體工程測試試驗[6－7]以及數(shù)值分析方法[8]，分析了樁-筏板-地基土的共同作用性狀，研究了樁頂與筏板下土體反力變化分布規(guī)律、樁-土荷載傳遞及樁-土荷載分擔(dān)比，以及沉降變形性狀，并指出沉降控制復(fù)合樁基可充分發(fā)揮摩擦樁基礎(chǔ)的極限承載力，從而有效減小或控制其沉降。

然而高速鐵路沉降控制復(fù)合樁基作為一種新型的路基結(jié)構(gòu)，與建筑基礎(chǔ)相比，在上部結(jié)構(gòu)物剛度、荷載形式和沉降控制標(biāo)準(zhǔn)方面存在較大差異。例如，由于基礎(chǔ)剛度大小對復(fù)合樁基的工作性狀有重要影響，高速鐵路相對柔性的路堤結(jié)構(gòu)效應(yīng)不同于剛性基礎(chǔ)；建筑地基要求的沉降一般不超過 120 mm，而無砟軌道路基的工后沉降控制在15 mm。因此，兩者的承載機(jī)制必然相差較大，建筑領(lǐng)域內(nèi)相對完善的剛性承臺疏樁基礎(chǔ)理論分析與設(shè)計方法不能簡單應(yīng)用于高速鐵路路堤。

目前在高速鐵路地基處理工程領(lǐng)域，相關(guān)研究人員[9－10]主要集中對 CFG 樁樁筏復(fù)合地基的沉降特性及變形規(guī)律進(jìn)行現(xiàn)場試驗研究，但該類剛性樁復(fù)合地基設(shè)計沿用傳統(tǒng)設(shè)計方法，用樁數(shù)量大，采用小樁徑、小樁間距的布樁方案，與沉降控制復(fù)合樁基的出發(fā)點不盡相同。而在鐵路路基工程領(lǐng)域中，有關(guān)按疏樁理論設(shè)計的沉降控制復(fù)合樁基的現(xiàn)場試驗及研究成果報道甚少[11－14]，理論研究嚴(yán)重滯后于工程實踐。

鑒于沉降控制復(fù)合樁基在高速鐵路地基處理工程中已被廣泛推廣應(yīng)用，但其承載機(jī)制、變形規(guī)律、計算理論尚未成熟，也沒相關(guān)經(jīng)驗可供參考，因此，開展現(xiàn)場原位試驗研究十分必要。本文結(jié)合京滬高速鐵路鎮(zhèn)江試驗段[15]開展了 CFG樁復(fù)合樁基處理工程的長期現(xiàn)場試驗研究工作，全面觀測了路基沉降變形、樁-土應(yīng)力比和荷載分擔(dān)比以及筏板應(yīng)力隨路堤填筑和固結(jié)時間變化的結(jié)果，為其沉降機(jī)制及計算分析方法研究積累了豐富的試驗數(shù)據(jù)，并為優(yōu)化其設(shè)計參數(shù)以及編制相關(guān)規(guī)范提供依據(jù)。

2 試驗概況

2.1 試驗段地基土的物理力學(xué)指標(biāo)

試驗工點位于京滬高速鐵路鎮(zhèn)江段 DK1073+500.6～DK1073+975.6，地形平坦，辟為水田、魚塘。通過獲取原狀土樣進(jìn)行室內(nèi)土工試驗，得到試驗段地基土的物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

2.2 試驗設(shè)計

試驗段沉降控制復(fù)合樁基設(shè)計斷面參見圖 1。路基底部寬為21 m，筏板寬為14.4 m。CFG樁樁長為14 m，樁徑D為0.5 m，樁底端置于可壓縮性土層上。筏板下樁間距為2.4 m（4.8D，D為樁徑），筏板外側(cè)樁間距為1.8 m（3.6D），均按正方形布置。樁頂鋪設(shè)0.5 m厚的碎石墊層，筏板外側(cè)墊層內(nèi)鋪設(shè)一層雙向土工格柵。路堤高度為3.4 m，試驗段另設(shè)置3 m高的預(yù)壓土方。

現(xiàn)場選取觀測斷面埋設(shè)元件，主要觀測與測試內(nèi)容為:地基分層沉降、地表沉降、地基側(cè)向（水平）位移、加固區(qū)及下臥層壓縮量、路基面沉降、樁-土應(yīng)力比、地表附加應(yīng)力、筏板應(yīng)力、土工格柵應(yīng)力-應(yīng)變、孔隙水壓力等?，F(xiàn)場埋設(shè)的觀測儀器如圖2所示。

圖1 沉降控制復(fù)合樁基監(jiān)測斷面剖面圖Fig.1 Test profile of composite pile foundation

圖2 現(xiàn)場埋設(shè)的觀測儀器Fig.2 Monitor instruments for stress and strain of foundation

3 沉降測試結(jié)果及分析

試驗段沉降測試共采用了傳統(tǒng)的沉降板、分層沉降管及新型測試元件單點沉降計分別對地基土沉降規(guī)律進(jìn)行了測量，如圖1所示。其中分層沉降管埋設(shè)于路基中心位置，單點沉降計布置在路基中心及路肩位置的樁間土表面，底端分別埋設(shè)于弱風(fēng)化層（D2）、全風(fēng)化層（D3、D4）及樁底位置（D1、D5）。按此埋設(shè)方案，可根據(jù)測量結(jié)果得到地表的總沉降量、加固區(qū)的壓縮量以及下臥層的壓縮量。

3.1 地基土沉降隨荷載及時間的變化規(guī)律

沉降測試時間從筏板澆筑時起，至2010年 1月29日止，共計403 d。地基土在監(jiān)測期間的沉降發(fā)展規(guī)律如圖3～5所示?？梢姴煌疃忍幐鳒y點沉降發(fā)展規(guī)律類似，在路基填筑加載期和超載預(yù)壓初期沉降發(fā)生較快，經(jīng)預(yù)壓后沉降均趨于穩(wěn)定。其中分層沉降管測得地基中心樁間土最大沉降值為63 mm；單點沉降計測得加固區(qū)土體壓縮量為31 mm，由地表至全風(fēng)化層頂范圍內(nèi)的沉降量為41 mm。沉降板數(shù)據(jù)采集從路堤填筑時開始，至 2009年11月18日止，共計255 d。沉降板測得:筏板隨荷載增加緩慢下沉，隨著預(yù)壓固結(jié)時間的增長，沉降變形速率越來越緩，最后逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)荷載較小時，各測點下沉量基本相同；超載預(yù)壓期間，筏板中心部位下沉量為13 mm，邊緣位置平均下沉量為9 mm。沉降板與單點沉降計測試結(jié)果顯示路基中心位置地基土壓縮量略大于路肩處，表明筏板在路基荷載作用下發(fā)生了輕微彎曲。預(yù)壓土方卸載后，地基土沉降略有回彈。

圖3 分層沉降管測試結(jié)果Fig.3 Measured results of layered settlement gauges

圖4 單點沉降計測試結(jié)果Fig.4 Measured results of single-point settlement sensors

圖5 沉降板測試結(jié)果Fig.5 Measured results of settlement plates

3.2 地基土沉降沿深度方向分布規(guī)律

分層沉降管測得的試驗段地基土沉降沿深度方向分布規(guī)律如圖6所示?？梢娡馏w沉降量由上而下逐漸減小，地基土沉降主要發(fā)生在加固區(qū)范圍內(nèi)，樁底以下土層沉降量較小。這表明在墊層調(diào)節(jié)作用下，樁間土產(chǎn)生了較大的壓縮量，體現(xiàn)了樁間土的承載作用。當(dāng)填土荷載穩(wěn)定后，下臥層沉降占地基土總沉降的比例穩(wěn)定在25%左右，如圖7所示。

圖6 地基土沉降沿深度方向分布規(guī)律Fig.6 Variations of settlement with depth for subsoil

圖7 下臥層壓縮占地基土總沉降量比例Fig.7 Ratio of substratum settlement to total settlement

由于CFG樁體強(qiáng)度與彈性模量都較高，加固區(qū)沉降基于樁筏復(fù)合地基所采用的綜合模量法或承載力比法分析時，由于沒有考慮樁體刺入變形，加固區(qū)范圍內(nèi)土體壓縮量計算結(jié)果相對于實際發(fā)生的沉降要小。沉降比的概念可被用來描述樁身范圍內(nèi)土層壓縮量在總沉降中所占據(jù)比例，計算分析可得出樁筏基礎(chǔ)沉降比隨樁間距的增大而顯著增大。相關(guān)模型試驗成果也表明，樁距越大，樁身與土的相對滑移量就越大，樁端刺入量也越大[14]。

單點沉降計測得沉降控制復(fù)合樁基加固區(qū)樁間土壓縮量為31 mm，分層沉降磁環(huán)測得同水平位置樁間土壓縮量為40 mm，施工過程對分層沉降磁環(huán)影響較大，單點沉降計測試元件深埋地基土中，幾乎不受施工干擾，測量精度較高；沉降板測試數(shù)據(jù)顯示，施工期間總沉降量為13 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于單點與分層測試數(shù)據(jù)。單點沉降計與沉降板測試結(jié)果對比表明，樁與樁間土存在差異沉降，這是因為樁間土參與承載，產(chǎn)生壓縮變形的主要部分產(chǎn)生在加固區(qū)，達(dá)到75%，致使樁間土與樁身接觸面發(fā)生明顯的相對滑移。樁土產(chǎn)生的相對滑移變形造成樁頂區(qū)域存在負(fù)摩擦區(qū)。

從沉降測試結(jié)果來看，高速鐵路沉降控制復(fù)合樁基樁土位移有別于房建領(lǐng)域樁筏基礎(chǔ)，其沉降機(jī)制發(fā)生了變化，沉降控制復(fù)合樁基加固區(qū)內(nèi)土體發(fā)生的沉降遠(yuǎn)大于下臥層沉降，這與其基于疏樁理論設(shè)計的背景是相符的。常規(guī)復(fù)合地基計算分析方法忽略了加固區(qū)范圍內(nèi)的樁-土相互作用，應(yīng)用于沉降控制復(fù)合樁基沉降計算時產(chǎn)生了顯著的計算誤差。面臨高速鐵路路基沉降控制趨于“零沉降”的高標(biāo)準(zhǔn)要求，亟待改進(jìn)并提出適合高速鐵路復(fù)合樁基沉降計算方法。

4 土壓力測試結(jié)果及分析

土壓力盒埋設(shè)于測試斷面樁頂及樁間土形心位置，埋設(shè)方案參見圖8。測試時間從筏板澆筑時起，至2010年1月29日止，共計403 d。

4.1 土壓力沿路基橫向分布規(guī)律

由圖8可見，路基荷載作用下，筏板外側(cè)樁頂應(yīng)力最大值為25 kPa，而筏板下方樁頂應(yīng)力最大值為1650 kPa，明顯高于筏板外側(cè)。這一方面是由于坡腳處荷載較小造成的，另一方面也表明筏板下各樁的承載能力得到了更充分的發(fā)揮。

路基荷載作用下筏板下方樁-土應(yīng)力呈鋸齒狀分布，樁頂應(yīng)力明顯高于樁間土。對比筏板下方各樁樁頂應(yīng)力測試結(jié)果可見，邊樁樁頂應(yīng)力（T5）最大，中心樁（T9）次之，中間樁樁頂應(yīng)力（T7）最小。這與剛性基礎(chǔ)底部的應(yīng)力分布規(guī)律相符。

圖8 土壓力沿路基橫向分布Fig.8 Lateral distribution of earth pressure

4.2 樁土承載規(guī)律分析

測試斷面樁-土應(yīng)力比如圖9～10所示。當(dāng)填土荷載穩(wěn)定后，筏板外側(cè)樁-土應(yīng)力比可視為一常數(shù)（約為1.2），卸載后又減小到1。筏板下方各處樁-土應(yīng)力比在荷載穩(wěn)定后仍然逐漸增大，最大值達(dá)到180，且在卸載后有明顯的增長。結(jié)合沉降測試結(jié)果分析可知，卸載后復(fù)合地基沉降發(fā)生輕微回彈。由于樁-土模量的差異，樁頂回彈量要略多于樁間土，從而承擔(dān)了更多的荷載，也就導(dǎo)致卸載后樁-土應(yīng)力比顯著增大。

圖9 筏板下方樁-土應(yīng)力比變化規(guī)律Fig.9 Variations of pile-soil stress ratio under raft

圖10 筏板外側(cè)樁-土應(yīng)力比變化規(guī)律Fig.10 Variations of pile-soil stress ratio outside raft

測試斷面樁-土荷載分擔(dān)情況如圖 11～12所示。在填筑初期，筏板下方的樁間土承擔(dān)了較大的荷載，達(dá)到40%，說明了沉降控制復(fù)合樁基方案在初期相對于“有樁無土”的常規(guī)樁基礎(chǔ)充分利用了淺層地基承載力。路基填筑至預(yù)定高度后，筏板外側(cè)CFG樁承擔(dān)荷載比例穩(wěn)定在8%左右；而筏板下方CFG樁承擔(dān)荷載比例則呈現(xiàn)明顯的增長趨勢，最大值達(dá)到90%。表明了在墊層的調(diào)節(jié)作用下，筏板底土體所受荷載隨著地基土的固結(jié)下沉逐漸向樁頂轉(zhuǎn)移，最終樁體成為承受上部荷載的主體。相比之下，筏板外側(cè)CFG樁復(fù)合地基的樁體承載作用發(fā)揮明顯不足，經(jīng)濟(jì)性較差。從優(yōu)化設(shè)計的角度來看，可以采用樁長較小的 CFG樁或者成本更低的復(fù)合地基處理形式作為替代方案。

圖11 筏板下樁-土荷載分擔(dān)比變化規(guī)律Fig.11 Variations of pile-soil load sharing ratio under raft

圖12 筏板外側(cè)樁-土荷載分擔(dān)比變化規(guī)律Fig.12 Variations of pile-soil load sharing ratio outside raft

由于筏板外的地基處理形式可以視為常規(guī)CFG樁復(fù)合地基，因此，測試結(jié)果也反映出沉降控制復(fù)合樁基與常規(guī) CFG樁復(fù)合地基承載機(jī)制的差異。筏板的存在導(dǎo)致樁頂應(yīng)力集中程度明顯增加，強(qiáng)化了樁體承載作用。因此，沉降控制復(fù)合地基中樁-土應(yīng)力比與CFG樁的荷載分擔(dān)比均明顯大于常規(guī)CFG樁復(fù)合地基，充分地發(fā)揮了樁體承載能力，從而可更好地控制沉降。

5 筏板力學(xué)性狀測試結(jié)果及分析

沉降控制復(fù)合樁基中的筏板可顯著加強(qiáng)各樁協(xié)同承載能力，并可加大上部荷載剛度，從而有效控制路基的總沉降及不均勻沉降，對沉降控制復(fù)合樁基的地基處理效果至關(guān)重要。本文在筏板內(nèi)部沿路基縱向與橫向分別布置鋼筋計與應(yīng)力計，全面測試了路基荷載作用下筏板的受力變形性狀。數(shù)據(jù)采集從路堤填筑時開始，至2010年1月29日止，共計326 d。

5.1 筏板橫向受力變形性狀

由圖13～14可見，在路基荷載作用下，筏板橫向鋼筋受力總體表現(xiàn)為底部處于受拉狀態(tài)，頂部處于受壓狀態(tài)，鋼筋應(yīng)力由筏板中心向外略有減小。這表明筏板發(fā)生了輕微彎曲，與沉降測試結(jié)果相符。測試位置混凝土總體處于受壓狀態(tài)，局部輕微受拉，拉應(yīng)變值為15×10-6。試驗段筏板為雙向配筋，測試過程中筏板橫向鋼筋最大拉應(yīng)力為5.8 MPa，遠(yuǎn)小于鋼筋抗拉設(shè)計強(qiáng)度300 MPa；混凝土最大拉應(yīng)變?yōu)?3×10-6，經(jīng)驗算混凝土最大拉應(yīng)力為2.52 MPa，與混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值2.01 MPa相近，尚未達(dá)到極限值，混凝土未開裂。說明雖然筏板底部橫向鋼筋是按最小配筋率配置的鋼筋，但仍然足夠安全。

5.2 筏板縱向受力變形性狀

由圖15～16可見，沿路基縱向筏板內(nèi)的鋼筋及混凝土總體均處于受壓狀態(tài)。鋼筋應(yīng)力測試結(jié)果表明，筏板受力沿路基縱向變化不大，計算分析中可將其簡化為平面應(yīng)變問題。測試過程中筏板縱向鋼筋最大壓應(yīng)力為9.3 MPa，遠(yuǎn)小于鋼筋設(shè)計抗壓強(qiáng)度（與鋼筋抗拉強(qiáng)度相當(dāng)）；混凝土最大壓應(yīng)變?yōu)?3×10-6，經(jīng)驗算混凝土最大壓應(yīng)力 4.86 MPa，而混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為30 MPa，筏板混凝土與鋼筋抗壓強(qiáng)度尚未充分發(fā)揮。

圖13 筏板橫向鋼筋應(yīng)力分布規(guī)律Fig.13 Distribution of stress of transverse reinforcement in raft

圖14 筏板橫向混凝土應(yīng)變分布規(guī)律Fig.14 Distribution of strain of transverse concrete in raft

圖15 筏板縱向鋼筋應(yīng)力分布規(guī)律Fig.15 Distribution of stress of longitudinal reinforcement in raft

圖16 筏板縱向混凝土應(yīng)變分布規(guī)律Fig.16 Distribution of strain of longitudinal concrete in raft

6 結(jié) 論

（1）沉降控制復(fù)合樁基的樁間土在初期承擔(dān)較大荷載，導(dǎo)致在樁頂處與樁間土出現(xiàn)差異沉降，其中地基土總沉降的75%發(fā)生在加固區(qū)；經(jīng)超載預(yù)壓后，各測點的沉降速率趨緩，沉降趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）現(xiàn)場土壓力測試結(jié)果揭示，復(fù)合樁基的樁-土應(yīng)力比與樁-土荷載分擔(dān)比在路基填筑和預(yù)壓期間隨地基土的固結(jié)而增大，最后分別穩(wěn)定在180與90%。

（3）路基荷載作用下筏板混凝土及鋼筋應(yīng)力-應(yīng)變較小，筏板結(jié)構(gòu)的厚度與配筋率可進(jìn)一步優(yōu)化。

（4）沉降控制復(fù)合樁基相對常規(guī)CFG樁復(fù)合地基的樁頂應(yīng)力集中程度明顯增加，充分發(fā)揮了樁體的承載能力，并實現(xiàn)了荷載深層傳遞，達(dá)到有效減小工后沉降的效果。

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