鐵路地基中帶樁帽的ＣＦＧ樁復(fù)合地基工程特性分析

謝登亮

摘要CFG樁復(fù)合地基設(shè)置樁帽對CFG復(fù)合地基的工程特性影響巨大，對樁帽尺寸的合理設(shè)計是實現(xiàn)協(xié)調(diào)承載和變形控制的技術(shù)關(guān)鍵。進(jìn)行了1組CFG復(fù)合地基離心模型試驗，測試了地基變形、樁身應(yīng)變等數(shù)據(jù)。試驗數(shù)據(jù)表明：在樁頂設(shè)置樁帽能有效發(fā)揮CFG樁的承載能力，提高地基的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞離心模型試驗；地基路堤；CFG樁復(fù)合地基；樁帽效應(yīng)

前言

隨著我國各項基礎(chǔ)行業(yè)的高速發(fā)展，CFG樁復(fù)合地基技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用和認(rèn)知。目前，國內(nèi)鐵路設(shè)計時速越來越快，為滿足行車安全，這就要求整個路基結(jié)構(gòu)必須穩(wěn)定，連續(xù)，耐久。

本文針對鐵路軟土地基，采用帶樁帽高強(qiáng)度樁復(fù)合地基技術(shù)的應(yīng)用情況，利用土工離心模擬試驗技術(shù)進(jìn)行了1組帶樁帽的樁復(fù)合地基的離心模型試驗。測試了地基變形、樁身應(yīng)變、筋帶受力等數(shù)據(jù)。

1模型設(shè)計與試驗方法

1.1試驗設(shè)備及傳感器

本次試驗所使用的離心機(jī)某大學(xué)的TLJ-2型土工離心機(jī)，其主要性能指標(biāo)為：離心機(jī)半徑(擺動吊斗表面至主軸中心)3m；有效半徑(模型重心至主軸中心)2，7m；加速范圍10～200g；最大載荷1000～500kg；最大載荷時，吊斗底板最大撓度≤0.5mm；模型箱有效容積0.8m(長)×0.6m(寬)×0.6m(高)。

試驗采用的傳感器包括：3個沉降板一位移計(量測路堤中心地基表面的沉降)，15個樁身應(yīng)變測試點(共測了3根樁，每根樁布置5個應(yīng)變測點，分別距樁頂10，21.5，59、96.5，145mm)，10個筋帶應(yīng)變測試點(共測試2條筋帶，每條筋帶布置5個應(yīng)變測點，分別距路堤中心0，80.5，155.5mm)，5個微型土壓力盒(均位于路堤中心附近。3個布置于樁帽頂面，2個布置于相鄰樁間土)。

1.2試驗方案

1.2.1工點概況

試驗?zāi)Ｐ统叽缬稍偷鼗吐返贪茨Ｐ吐蔔=80換算得出，模擬了在3m樁間距條件下的2組帶樁帽尺寸(880mm880mm)和無樁帽的路基。模型路堤高100mm，模型地基軟土層厚150 mm，模型樁直徑6.25mm，長度150mm，按正三角形布置，樁間距37.50mm(6倍樁徑間距)，模型樁帽尺寸分別為0.11mm。

1.2.2模型材料

由于離心模型試驗是以相似理論為基礎(chǔ)的縮尺模型試驗。所以模型試驗用的材料與邊界條件要滿足相應(yīng)的相似原則與條件。

a)地基軟土

模型所用地基軟土由王萬線現(xiàn)場工點取回，其主要物理力學(xué)為：天然古水率為34.5％，密度為18.93 kN／m3，c=21.41 kPa，=8.63°。取樣點位于地表下1m；由于距實驗室較遠(yuǎn)，天氣較熱，盡管采取了密封措施途，但試樣的水分難免會有所損失，其強(qiáng)度指標(biāo)偏大。統(tǒng)計分析表明，平均值的0.95置信區(qū)間分別為c[13.48 kPa，29.94 kPa]，[5.33°，11.93°]。試驗中取下置信界限c=13.48 kPa，=5.33°為強(qiáng)度控制指標(biāo)。

在離心機(jī)中進(jìn)行的固結(jié)試驗表明，當(dāng)軟土地基制備含水率為37％時，在80g的離心機(jī)運行3h后，其固結(jié)強(qiáng)度與原型較為接近。

b)路堤填土

模型所用路堤填土由現(xiàn)場工點取回，為粉質(zhì)粘土。重型擊實試驗的最佳古水率為10.4％，最大干密度為19.1kN／m³。

c)樁體材料

CFG樁材料為C15～C20混凝土，直徑為50cm。按應(yīng)變等效(EA相等)及密度等效原則，采用0.3mm厚白鐵皮制作模型管樁，外徑6.25mm，管內(nèi)填充礦粉(重量等效)。

d)拉筋材料原型拉筋材料為土工格柵，若按模型比例縮小將無法實現(xiàn)。接強(qiáng)度相似原則，本次試驗用抗拉強(qiáng)度375 MPa、延伸率8％的紫銅帶模擬，帶寬10mm，布置成30mm×30mm的網(wǎng)格，其強(qiáng)度等效為300kN／m的原格柵抗拉強(qiáng)度(該值明顯大于50 kN／m的設(shè)計土工格柵強(qiáng)度是因為更低強(qiáng)度的銅帶模型格柵在制作上出現(xiàn)了困難)。

e)樁帽材料

原型樁帽材料為C20～C25混凝土，厚400 mm。模型采用模置E=210×10³MPa的鐵板來模擬，按抗彎剛度等效原則得鐵板厚2.6mm，正方形邊長為11mm。

1.3試驗過程

模型地基制作完畢后，在n=80 g的離心加速度下周結(jié)3h，使模型地基軟土強(qiáng)度與實際基本一致。然后，在預(yù)定位置布設(shè)模型樁，安裝相應(yīng)傳感器，再在路堤坡腳范圍內(nèi)鋪設(shè)細(xì)砂夾一層銅帶的加筋墊層，再放上預(yù)制好的模型路堤，之后布設(shè)剖面變形測量網(wǎng)格。模型制作完成之后，即可按試驗方案進(jìn)行離心加載。

在模型試驗正式加載前，為保證模型各部分，尤其是傳感器的緊密接觸，消除模型制作過程產(chǎn)生的一些不利影響，首先進(jìn)行了在16g離心加速度條件下的2min預(yù)壓。試驗中，用一次成形的路堤來模擬原型路堤的分層填筑，模型路堤高100 mm，分成4次加載，每次加載按荷載等效的原則算出相應(yīng)離心加速度。每層填筑時間按原型填筑45d進(jìn)行換算，模擬路堤填筑施工期時間為180 d；之后模擬185d年的放置期，然后模擬為期4a的工后運行期。

整個試驗過程包括制模、離心加載運轉(zhuǎn)、拆模、數(shù)據(jù)記錄等步驟，其中制模包括地基軟土的配制、砂墊層的鋪設(shè)、路堤模型的制作、相關(guān)傳感器的加工和埋設(shè)，拆模后還將測試模型土層的相關(guān)物理力學(xué)數(shù)據(jù)，用于試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2試驗結(jié)果與分析

2.1地基變形

試驗數(shù)據(jù)表明，在樁間距為6倍樁徑的情況下，加樁帽，地基變形逐漸減小。地基沉降隨加載時間逐漸增加，路堤施工期增長較快，工后運營期逐漸減小。

當(dāng)樁帽邊長分別為11mm時，對應(yīng)的地基施工期與工后沉降如表5所列。依據(jù)新建客運專線鐵路設(shè)計暫行規(guī)定，時速300，250，200 km／h有砟軌道一般路段路基工后沉降量應(yīng)不大于5,10,15cm。所對應(yīng)的4a工后沉降分別為0.39mm，基本滿足規(guī)范要求。樁帽邊長的地基施工期與工后沉降

樁帽邊長／mm

11

施工期／mm

3.92

工后沉降／mm

1.89

2.2樁體受力

試驗數(shù)據(jù)表明，樁身應(yīng)變沿樁深表現(xiàn)出先增大后減小的基本趨勢。

數(shù)據(jù)表明，路堤填筑完成后的地基固結(jié)階段，隨著時間的增加，模型的樁身應(yīng)變均表現(xiàn)出減小的趨勢。

2.3墊層拉筋受力

試驗數(shù)據(jù)表明，土工格柵應(yīng)變值沿路基橫向表現(xiàn)出在路堤中心及兩側(cè)邊坡處較小，在左右路肩附近位置較大的基本規(guī)律，呈M形分布。

隨時間延長，模型筋帶應(yīng)變逐漸增加，施工期、放置期及工后1a增長明顯，其后趨于穩(wěn)定。

3結(jié)論

在CFG樁頂布置樁帽能有效發(fā)揮樁的承載能力，調(diào)整樁和樁間土之間的荷載分配，提高地基穩(wěn)定性；能實現(xiàn)減小地基變形、降低墊層拉筋受力、改善樁土受力的工程效果。CFG復(fù)合地基的樁帽尺寸對樁帽頂面和樁間土承受的壓力及墊層拉力有重大影響，合理設(shè)置樁帽覆蓋率是實現(xiàn)樁土協(xié)調(diào)承載和控制地基沉降變形的重要條件。