高速鐵路CFG樁-帽-網(wǎng)結(jié)構(gòu)路基沉降控制的現(xiàn)場試驗研究

王 建 周 俊 徐建業(yè)

(1.鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，天津 300251;2.西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031)

樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)路基，通常由上部路堤、水平拉筋墊層、樁復合地基、下臥層地基共同組成，如圖1所示。它具有施工簡便、費用相對較低、加固效果較好等優(yōu)點，目前已成為我國高速鐵路建設(shè)中地基處理主型措施之一。針對這一新型路基結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究已從理論分析、數(shù)值模擬、室內(nèi)模型試驗、現(xiàn)場測試等方面大量展開［1-7］，并取了較豐富的成果。端承條件下的工后沉降控制效果已為工程實踐所驗證，但存在深厚下臥層時的控制效果還為廣大工程技術(shù)人員所擔心，相關(guān)研究也不多見。

圖1 樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)路基的組成

某高速鐵路全線的軌道結(jié)構(gòu)形式采用無砟軌道，對于工后沉降的要求達到了毫米級(一般路基工后沉降應(yīng)小于等于15 mm［8］)。天津段地基表層為巨厚覆蓋層，采用樁-帽-網(wǎng)結(jié)構(gòu)作地基處理時樁無法穿透，工后沉降是設(shè)計人員關(guān)注的核心問題之一。為此，選擇典型的路基現(xiàn)場工點進行了現(xiàn)場試驗，系統(tǒng)測試了路堤荷載作用下的地基土、樁、路堤的沉降，并對測試數(shù)據(jù)進行了分析。

1 試驗設(shè)計

1.1 工點概況

試驗工點位于天津特大橋與青滄特大橋之間，試驗段里程范圍為DK190+124.0～DK190+356.2。工點附近地形平坦，地勢開闊，線路以填方通過，路堤填高6.8～7.2 m，路基面寬13.6 m，邊坡坡度1∶1.5。

主要地層自上而下分別為:黏土，黃褐色，硬塑，厚0～1.3 m，σ0=120 kPa;粉質(zhì)黏土，黃褐色—灰褐色，軟塑—硬塑，厚1.4～2.4 m，σ0=130 kPa;粉土，黃褐色、黑灰色、淺灰色，密實，潮濕，厚1.7～3.7 m;粉砂，灰黑色，稍密，飽和，含云母，夾10% ～15%的黏土，厚4.7 m，σ0=90～110 kPa;粉砂，黃褐色—淺黃色，密實，飽和，含云母，局部夾粉土薄層，含貝殼碎片，厚9.5～13.9 m;粉質(zhì)黏土，黃褐色，軟塑，含鐵銹斑紋，厚4.6 m，σ0=140 kPa。

試驗段DK190+140.0～DK190+191.0范圍內(nèi)地基以CFG樁-帽-網(wǎng)結(jié)構(gòu)處理，樁徑0.5 m，間距1.7 m，正方形布置，每排19根樁，共30排。樁長22.8 m左右，樁頂設(shè)直徑1.0 m厚0.4 m的圓形樁帽，其上設(shè)0.6 m厚碎石墊層，墊層內(nèi)夾鋪兩層強度為120 kN/m的土工格柵。

1.2 試驗方案

測試斷面里程為DK190+165，路堤高7.2 m，采用液位計、單點沉降計及沉降板測試了地基不同部位的樁頂及樁間土沉降，具體布置如圖2所示。

圖2 傳感器布置(單位:m)

2 試驗數(shù)據(jù)及分析

2.1 路堤填筑曲線

路堤填筑從2008年3月13日開始，于同年3月28日填至7.2 m，3月29日開始為期半年的堆載預壓，堆載高度為3.5 m。路堤填筑曲線如圖3所示。

2.2 液位計測試

液位計布置于左路堤坡腳附近、左路肩、左線中心及路基中心樁頂或樁間土頂面，測試數(shù)據(jù)如圖4～圖7所示。

圖3 路堤填筑曲線

圖4 左坡腳處樁頂與樁間土頂面沉降

圖5 左路肩處樁頂與樁間土頂面沉降

圖6 左線中心處樁頂與樁間土頂面沉降

由圖4～圖7可知，地基沉降變形曲線大致可分成三個階段，即路堤(含堆載土層)填筑期(3月30日前)、靜置一期(3月31日至6月5日)、靜置二期(6月6日至9月30日)。

三個階段的沉降速率依次減小，趨于穩(wěn)定。各階段不同部位的沉降及沉降速率如表1、表2所列。

由表1、表2可知，左坡腳、左路肩、左線中心及路基中心等處路堤填筑期內(nèi)樁頂與樁間沉降占各自測得沉降的百分比分別為61%、76%，62%、65%，63%、64%，61%、65%，表明沉降主要(＞60%)發(fā)生在路堤填筑期間;各處填筑期末的樁土沉降差分別為18.26 mm、8.07 mm、3.55 mm、7.92 mm。

圖7 路基中心處樁頂與樁間土頂面沉降

表1 地表不同部位沉降 mm

表2 地表不同部位沉降速率 mm/d

采用雙曲線法進行沉降預測，可得以上各處樁頂及樁間土的最終沉降，如表3所列。

表3 實測沉降與雙曲線法預測沉降 mm

計算公式如式(1)

式中:t為任一時刻，St為任一時刻的預測沉降，t0為預測起始時刻，S0為預測起始時刻的沉降，A、B為待定參數(shù)。

由表3可知，預壓半年后工后沉降占總沉降的比例小于等5%，工后沉降均不超過3 mm，滿足規(guī)范要求。

2.3 單點沉降計測試

單點沉降計監(jiān)測CFG樁樁頂平面與底部埋設(shè)點之間樁間土的壓縮沉降。布置3個測點于路基中心處，分別測試樁頂至樁底(地表以下23.4 m)、樁底以下1 m(地表以下24.4 m)、樁底以4 m(地表以下27.4 m)三個范圍內(nèi)樁間土的壓縮沉降。測試結(jié)果如圖8所示。

圖8 單點沉降計測試結(jié)果

由圖8可知，在路堤及超載土層填筑期間，路基中心附近兩樁中間沉降量為33.08 mm，四樁中間土沉降量為33.3 mm，差值僅0.22 mm;觀測期末的累積沉降量分別為50.73 mm、50.11 mm，差值0.62 mm。

由圖8可知，CFG樁加固區(qū)樁間土的壓縮變形可分為二段:路堤填筑期間和靜置期。其中加固區(qū)范圍內(nèi)樁間土的總壓縮變形為14.02 mm，填筑期間為12.5 mm，為總壓縮量的89%，靜置期間為1.52 mm，為總壓縮量的11%;加固區(qū)及樁端以下1 m范圍內(nèi)樁間土的總壓縮量為16 mm，其中下臥層的壓縮量為1.98 mm，約為總壓縮量的12%;加固區(qū)及樁端以下4 m范圍內(nèi)樁間土的總壓縮量為32.14 mm，其中下臥層的壓縮量為18.12 mm，約為總壓縮量的56%。

由前述可知，路基中心處液位沉降計測得的樁間土沉降為54.09 mm，單點沉降計測得CFG樁加固區(qū)的壓縮沉降為14.02 mm，為前者的26%，則下臥層沉降的占比為74%，是總沉降的主要組成部分。

2.4 沉降板測試

沉降板測試路基頂面(左右路肩、左右線中心、路基中心)在堆載預壓(靜置期間)的作用下所產(chǎn)生的沉降變形，不同時刻的測試結(jié)果如圖9所示，路基中心處沉降與時間關(guān)系曲線如圖10所示。

由圖9可知，路基面沉降曲線成鍋形分布，中間沉降量較大，兩側(cè)較小。由圖10可知，隨時間延長，沉降逐漸減小，趨于穩(wěn)定，但2008年7月10日左右連降大雨，路肩及邊坡受到?jīng)_刷，導致沉降驟增且在觀測期末出現(xiàn)明顯穩(wěn)定的跡象。由地基沉降曲線(圖7)可知，地基沉降逐漸趨于穩(wěn)定，可以認為沉降驟增是由路基本體產(chǎn)生的。路基本體的沉降值如表4所列。

由表4可知，路堤本體的靜置180 d時壓縮沉降量為9.9 mm，為路堤填高的1.4‰。從沉降曲線看，路堤沉降尚未穩(wěn)定，這主要是由于路堤填筑體沒有完成相應(yīng)的路堤面保護層、防凍層和防排水措施，而在此期間正逢雨季所致。因此，做好路基防水非常重要。

圖9 路基面沉降測試結(jié)果

圖10 路基面中心沉降-時間曲線

表4 路基本體180 d沉降值

2.5 分層沉降(磁環(huán))測試

磁環(huán)式分層沉降管測試樁間土沿深度方向的沉降變形，測試結(jié)果如圖11所示。圖11中CFG樁頂和樁端處高程分別為3.4 m和－19.4 m。

由圖11可知，觀測期末路基中心處測得的樁間土總沉降為60.3 mm，與液位沉降計測試結(jié)果(54.09 mm)相比，前者約為后者的1.1倍?？紤]到兩種傳感器埋設(shè)方式的差異，可以認為兩種測試數(shù)據(jù)均有效。

圖11 磁環(huán)式分層沉降管測試結(jié)果

由圖11還可知，路堤及超載土層填筑完成時，上部磁環(huán)沉降量較大，下部沉降量較小，在靜置時間2～3月以后，沉降曲線基本重合，沉降量幾乎不再增加，趨于穩(wěn)定。測試數(shù)據(jù)表明，若以靜置180天時的地表沉降為基準，填筑結(jié)束時的沉降占比為62.7%，靜置兩個月后為91.8%;間地基土的沉降曲線可分成三段，分別為第一段3.4～－19.4 m(即加固區(qū))、第二段－19.4～－30 m、第三段－30～－52 m，壓縮沉降分別為12.9 mm、29.4 mm、18 mm。在填筑結(jié)束六個月時，下臥層沉降量占到了總沉降量的78.59%，幾乎是加固區(qū)沉降量的4倍。加固區(qū)范圍內(nèi)的沉降也可分為三段，第一段為3.4～－9 m，沉降10.6 mm，約占82%，平均應(yīng)變?yōu)?.85‰;第二段 －9～－17 m，沉降0.6 mm，平均應(yīng)變0.075‰;第三段 －17～ －19.4 m，沉降1.7 mm，平均應(yīng)變0.71‰。可知加固區(qū)樁間土附加應(yīng)力為上半部分(約占加固區(qū)的54%)及樁端附近(約占加固區(qū)19%)受力較大，中間部分受力較小。

由圖11還可知，沉降變形影響深至地表以下52.7 m。將地基視為均勻體，采用BOUSSINISQU解計算該處的附加應(yīng)力為45 kPa，該處地基原存應(yīng)力約843～1 001 kPa(地基土層重度16～19 kN/m3)，附加應(yīng)力為原存應(yīng)力的4.5%～5.3%?？紤]到下臥層沉降占比較大，在與工點地質(zhì)條件類似情況下，以附加應(yīng)力與原存應(yīng)力比值表示，壓縮層范圍應(yīng)計算至應(yīng)力比5%處。

3 結(jié)論及建議

為考察樁-帽-網(wǎng)結(jié)構(gòu)處理深厚軟弱地基的沉降控制效果，選擇京滬高速鐵路地基處理的典型工點進行了系統(tǒng)全面的現(xiàn)場沉降測試，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)及分析，有以下結(jié)論:

(1)CFG樁-帽-網(wǎng)結(jié)構(gòu)路基沉降滿足規(guī)范要求，數(shù)據(jù)分析表明，預壓半年后工后沉降不超過3 mm，滿足規(guī)范要求。

(2)半年的預壓期中路堤壓縮沉降量為9.9 mm，為路堤填高的1.4‰。

(3)分層沉降測試結(jié)果表明，下臥層沉降是沉降的主要組成部分，約占總沉降的79%。

(4)加固區(qū)樁間土的附加應(yīng)力沿深度的分布呈上、下部大，中部小。

(5)壓縮層厚度應(yīng)計算至附加應(yīng)力為原存應(yīng)力5%處。

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