高速鐵路CFG樁-筏復(fù)合地基現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試研究

陳宏偉，徐林榮

(中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410075)

高速鐵路CFG樁-筏復(fù)合地基現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試研究

陳宏偉，徐林榮

(中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410075)

基于沉降控制設(shè)計(jì)理念，滬寧城際鐵路路基試驗(yàn)段采用CFG樁-筏復(fù)合地基。為探索其沉降控制機(jī)理和承載特性，對(duì)路基沉降變形、樁土應(yīng)力分布、超孔隙水壓力消散等進(jìn)行了長(zhǎng)期觀測(cè)，獲取了一些客觀的數(shù)據(jù)。分析了路堤荷載作用下復(fù)合地基沉降、土體側(cè)向變形、樁土應(yīng)力沿路基橫向分布以及孔隙水壓力隨時(shí)間變化規(guī)律，探討了樁土應(yīng)力比與荷載分擔(dān)比變化規(guī)律。為CFG樁-筏結(jié)構(gòu)在高速鐵路軟基處理中應(yīng)用進(jìn)一步理論研究與設(shè)計(jì)優(yōu)化提供試驗(yàn)依據(jù)。

高速鐵路；現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試；樁土應(yīng)力比；沉降特性

CFG樁-筏復(fù)合地基以CFG樁作為豎向增強(qiáng)體與樁間土、褥墊層和鋼筋混凝土筏板共同組成承載體系[1]，是一種有效的軟土地基加固方法，能提高地基土體的承載力，施工工期短，并有效減少不均勻沉降和工后沉降，近年來(lái)在高速鐵路軟基加固、路橋(涵)過(guò)渡段地基處理等工程中被逐漸推廣使用[2-3]。

各國(guó)學(xué)者對(duì)樁-筏復(fù)合地基的研究較多，Davis等[4]對(duì)樁-筏復(fù)合地基進(jìn)行了理論與應(yīng)用研究,陳龍珠等[5]以及龔曉南[6]對(duì)剛性樁復(fù)合地基承載特性、沉降控制進(jìn)行了研究。樁-筏復(fù)合地基在高層建筑地基處理中已廣泛應(yīng)用[7-8]，但在高速鐵路路基處理中的應(yīng)用近幾年才開(kāi)始，CFG樁-筏復(fù)合地基在高速鐵路路堤荷載作用下和房建工程存在較大差別。在深厚軟土地區(qū)修建高速鐵路，路基在滿足強(qiáng)度要求的同時(shí)還需滿足變形(尤其是工后沉降)要求，高速鐵路無(wú)砟軌道路基工后沉降要求極為嚴(yán)格(≤15 mm)，且施工工期較短[9]。目前，對(duì)CFG樁-筏復(fù)合地基的研究主要集中在理論分析[10-11]、數(shù)值模擬[12-13]，在高速鐵路軟基處理中現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試研究尚不多[14-15]，路堤荷載作用下高速鐵路CFG樁-筏復(fù)合地基沉降控制機(jī)理、承載特性還有待進(jìn)一步深入研究。

工后沉降控制問(wèn)題已成為深厚軟土地區(qū)高速鐵路建設(shè)亟需解決的難題之一，對(duì)CFG樁-筏復(fù)合地基開(kāi)展深入試驗(yàn)研究與探索十分必要。筆者依托滬寧城際鐵路CFG樁-筏復(fù)合地基試驗(yàn)段，對(duì)其沉降變形、樁土應(yīng)力分布、孔隙水壓力等進(jìn)行了長(zhǎng)期觀測(cè)，探討了復(fù)合地基沉降、土體側(cè)向變形、墊層內(nèi)應(yīng)力以及樁間土豎向應(yīng)力的發(fā)展變化規(guī)律，研究分析了樁土應(yīng)力比與荷載分擔(dān)比變化規(guī)律。

1 工程概況與場(chǎng)地工程地質(zhì)條件

滬寧城際鐵路客運(yùn)專線，是為實(shí)現(xiàn)南京至上海之間交通公交化而建，設(shè)計(jì)時(shí)速300 km/h，采用無(wú)砟軌道。CFG樁-筏復(fù)合地基試驗(yàn)段里程為DK70+020，地貌為海相沖積平原，地勢(shì)平坦，形成歷史久遠(yuǎn)，沿線魚(yú)塘、沼澤、溝渠較多，路基下伏2～6 m不等淤泥質(zhì)黏土，地質(zhì)情況復(fù)雜。地基物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

表1 地基土物理力學(xué)指標(biāo)

2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

2.1 CFG樁-筏復(fù)合地基方案

試驗(yàn)段CFG樁徑0.5 m，筏板下方樁間距1.8 m，筏板外側(cè)樁間距1.6 m，正方形布置，樁長(zhǎng)16.5 m。樁頂鋪設(shè)0.6 m碎石墊層，其上設(shè)寬14.4 m，厚0.5 m的C30鋼筋混凝土筏板，單元長(zhǎng)16.78 m。在筏板上填筑路堤，路堤上鋪設(shè)無(wú)砟軌道。復(fù)合地基平面布置如圖1所示。

2.2 測(cè)試項(xiàng)目與內(nèi)容

試驗(yàn)段采用超載預(yù)壓，第1級(jí)填土高度為2.25 m，60 d后加載至第2級(jí)6.25 m，預(yù)壓90 d后卸除超載至設(shè)計(jì)標(biāo)高2.25 m。CFG樁-筏復(fù)合地基測(cè)試剖面如圖2所示。

圖1 CFG樁-筏復(fù)合地基平面布置圖

圖2 CFG樁-筏復(fù)合地基測(cè)試剖面圖

為研究樁土承載特性，在分級(jí)填筑過(guò)程中對(duì)樁土應(yīng)力進(jìn)行了測(cè)試。現(xiàn)場(chǎng)土壓力測(cè)試分別在CFG樁頂、褥墊層(豎向中間)、樁間土(1/2樁距和1/4樁距之間)以及土側(cè)向采用鉆孔法埋設(shè)量程為1.0 MPa的鋼弦式土壓力盒，土壓力盒布置見(jiàn)圖3所示?，F(xiàn)場(chǎng)儀器埋設(shè)如圖4所示。

圖3 土壓力盒布置圖

圖4 現(xiàn)場(chǎng)埋設(shè)測(cè)試儀器

綜合采用了沉降板、分層沉降管、單點(diǎn)沉降計(jì)3種測(cè)試方法。沉降板測(cè)試地表總沉降，在左路肩、右路肩和路基中央的筏板頂面分別埋設(shè)1個(gè)沉降板；分層沉降管埋設(shè)于路基中央，磁環(huán)分層間距為2 m，埋設(shè)至深入持力層8 m，其沉降量為所在土層的地基土壓縮量；樁長(zhǎng)位置的單點(diǎn)沉降計(jì)測(cè)試數(shù)據(jù)為加固區(qū)樁間土的壓縮量，持力層的測(cè)試數(shù)據(jù)為樁間土的總壓縮量，在樁長(zhǎng)位置和深入持力層分別埋設(shè)了2個(gè)單點(diǎn)沉降計(jì)。

采用測(cè)斜管測(cè)量土體的側(cè)向水平位移。測(cè)斜管管頂與筏板頂部平齊，埋設(shè)在路肩邊緣處，深入持力層8 m，距離坡腳線1.0 m。

3 測(cè)試結(jié)果分析

3.1 荷載-時(shí)間-沉降規(guī)律分析

CFG樁-筏復(fù)合地基沉降曲線如圖5～7所示。

圖5 沉降板現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)

圖6 分層沉降管現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)

圖7 單點(diǎn)沉降計(jì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)

圖5～圖7測(cè)試數(shù)據(jù)表明：沉降與荷載為非線性關(guān)系，在填筑和超載預(yù)壓初期沉降發(fā)展較快，卸載后，曲線稍有回彈，并繼續(xù)發(fā)展，逐漸趨于穩(wěn)定。

沉降板沉降速率相對(duì)較慢，超載預(yù)壓后沉降速率變得更為緩慢，路基中心沉降大于路基邊緣，且左右路肩沉降不一致，說(shuō)明筏板發(fā)生了翹曲。隨著土體沉降固結(jié)程度的提高，分層沉降速率變緩，沿深度方向逐漸減小，分層沉降主要發(fā)生在加固區(qū)(占地基土總沉降的83.4%左右)。單點(diǎn)沉降計(jì)最大沉降為28.41 mm，發(fā)生在超載預(yù)壓后期的路肩不動(dòng)層，沉降速率隨荷載變化明顯，超載卸除后曲線略有回彈，隨后趨于穩(wěn)定。

3.2 土體側(cè)向變形分析

水平位移隨深度變化關(guān)系如圖8所示。

圖8 水平位移隨深度變化曲線圖

由圖8可見(jiàn)，路基超載預(yù)壓初期水平位移發(fā)展較快，隨后變緩，當(dāng)卸載后，水平位移有所減小。最大水平位移為63.5 mm，最大水平位移速率發(fā)生填筑初期，為4.5 mm/d。由于土體側(cè)向產(chǎn)生了塑性變形，最終存在不可恢復(fù)的殘余變形。

3.3 樁土應(yīng)力分布規(guī)律

3.3.1 樁土應(yīng)力橫向分布規(guī)律 樁土應(yīng)力沿路基橫向分布規(guī)律如圖9所示。

圖9 樁土應(yīng)力橫向分布

樁頂和樁間土應(yīng)力在筏板下方沿路基橫向分布呈鋸齒形，波峰為樁頂應(yīng)力，波谷為樁間土應(yīng)力，表明樁頂應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯。

隨著路堤填筑和預(yù)壓荷載的施加，樁頂應(yīng)力和樁間土應(yīng)力都呈現(xiàn)出增加趨勢(shì)，但CFG樁頂應(yīng)力增加速率明顯大于樁間土。在最大荷載作用下筏板下方樁頂最大應(yīng)力為1 050 kPa，且沒(méi)有發(fā)生在中心樁(距路基中心4.5 m的CFG樁頂)。樁間土最大應(yīng)力為348 kPa，在離路基中心1.8 m處。筏板外側(cè)CFG樁頂最大應(yīng)力為32 kPa，明顯比筏板下方小。超載預(yù)壓后期至卸除超載后，CFG樁頂應(yīng)力和樁間土應(yīng)力繼續(xù)增加，但CFG樁頂應(yīng)力增加速率小于樁間土。這表明在筏板作用下CFG樁的承載性能得到更充分的發(fā)揮，褥墊層通過(guò)變形協(xié)調(diào)保證樁和樁間土共同承擔(dān)荷載。

3.3.2 樁間土應(yīng)力-時(shí)間-荷載變化規(guī)律 樁間土應(yīng)力變化曲線如圖10所示。

圖10 樁間土應(yīng)力變化曲線圖

實(shí)測(cè)結(jié)果表明：樁間土壓力隨著填土荷載的變化而相應(yīng)發(fā)生變化，在筏板澆筑后土方填筑與超載預(yù)壓初期變化明顯，在超載預(yù)壓階段樁間土壓力基本保持穩(wěn)定，卸載后樁間土壓力明顯減小，隨后逐漸穩(wěn)定。

路基中間位置樁間土壓力相對(duì)較大，在超載預(yù)壓期間樁間土應(yīng)力范圍值為149～348 kPa，平均值約為243 kPa。土壓力隨著填筑荷載的增加而增加，但并非線性關(guān)系，土壓力增幅明顯小于填土荷載增幅。當(dāng)上部荷載從填筑初期2.25 m超載預(yù)壓至6.25 m時(shí)，樁間土壓力平均增加2.1倍，但是在超載預(yù)壓期間卻保持相對(duì)穩(wěn)定，這表明隨著上部荷載的增加和預(yù)壓時(shí)間的延長(zhǎng)，樁體分擔(dān)的荷載比重在增大，上部荷載一部分通過(guò)筏板和褥墊層直接傳遞到CFG樁上，另一部分荷載通過(guò)褥墊層傳遞到樁間土，進(jìn)而通過(guò)樁土之間的相互摩擦作用傳遞到CFG樁上。

3.4 樁土應(yīng)力比與荷載分擔(dān)比分析

CFG樁-筏復(fù)合地基樁土應(yīng)力比測(cè)試結(jié)果如圖11～圖12所示。

圖11 CFG樁-筏復(fù)合地基樁土應(yīng)力比

圖12 CFG樁復(fù)合地基樁土應(yīng)力比

由圖11和圖12可以看出，CFG樁-筏復(fù)合地基(筏板下方)樁土應(yīng)力比從加載初期的10.23增加到穩(wěn)定后的37.62，最大值達(dá)到61.32。CFG樁復(fù)合地基(筏板外側(cè))，樁土應(yīng)力比最大值為1.17，卸載后樁土應(yīng)力比幾乎穩(wěn)定在1.10。CFG樁-筏復(fù)合地基的樁土應(yīng)力比遠(yuǎn)大于CFG樁復(fù)合地基，且樁土應(yīng)力比與填筑荷載呈非線性關(guān)系，在填筑初期，由于樁頂出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，樁土應(yīng)力比增加較快；進(jìn)入間歇期后，由于褥墊層發(fā)揮變形協(xié)調(diào)作用，樁間土逐漸發(fā)揮其承載作用，但樁土應(yīng)力比仍緩慢增大；卸除超載預(yù)壓使樁和樁間土都發(fā)生少許回彈，樁土應(yīng)力比繼續(xù)增加，之后逐漸保持穩(wěn)定。這是由于試驗(yàn)段表層地基土為中低壓縮性土層，使得筏板僅能提供有限的承載力，CFG樁-筏復(fù)合地基樁間土性能沒(méi)有得到充分的發(fā)揮[16]。在CFG樁頂設(shè)置剛度較大的褥墊層，可有效增加樁體承擔(dān)荷載的比例，并改善樁體上端的受力狀態(tài)[6]，對(duì)減小復(fù)合地基的沉降起到一定的作用。

試驗(yàn)段樁土荷載分擔(dān)比隨路基填筑變化曲線如圖13～14所示。

圖13 CFG樁-筏復(fù)合地基樁土荷載分擔(dān)比

圖14 CFG樁復(fù)合地基樁-土荷載分擔(dān)比

CFG樁-筏復(fù)合地基在填筑開(kāi)始階段，樁和樁間土荷載分擔(dān)比分別為11.7%和88.3%；在超載預(yù)壓初期階段，樁和樁間土荷載分擔(dān)比分別為48.4%和51.6%，之后CFG樁荷載分擔(dān)比逐漸減小，樁間土荷載分擔(dān)比逐漸增加，并逐漸趨于穩(wěn)定，樁和樁間土荷載分擔(dān)比分別為67.8%和32.2%。由此可見(jiàn)，當(dāng)荷載較小時(shí)樁間土承擔(dān)大部分荷載，樁的承載能力未得到體現(xiàn)，隨著荷載增加，樁體承擔(dān)的荷載比例迅速增加。CFG樁復(fù)合地基樁土荷載分擔(dān)比在填筑期間基本維持穩(wěn)定，卸除超載預(yù)壓后，CFG樁和樁間土荷載分擔(dān)比分別為92.3%和7.7%。

3.5 孔隙水壓力消散規(guī)律分析

為研究CFG樁-筏復(fù)合地基樁間土的固結(jié)規(guī)律，埋設(shè)了孔隙水壓力計(jì)。超孔隙水壓力隨時(shí)間變化規(guī)律如圖15所示。

圖15 孔隙水壓力隨時(shí)間變化規(guī)律

超孔隙水壓力隨路堤荷載增加逐漸增大，間歇期間，超孔隙水壓力逐漸消散，最深的測(cè)點(diǎn)反映孔壓有所回升，表明孔隙水自上而下滲流，土體逐漸固結(jié)。在超孔隙水壓力消散過(guò)程中,樁間土沉降也逐漸穩(wěn)定，孔壓消散曲線與單點(diǎn)沉降計(jì)和分層沉降管所測(cè)樁間土沉降變化規(guī)律一致。

4 結(jié)論

1)針對(duì)滬寧城際鐵路短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)高標(biāo)準(zhǔn)沉降控制的難題，開(kāi)展沉降測(cè)試研究。綜合采用單點(diǎn)沉降計(jì)、分層沉降磁環(huán)以及沉降板監(jiān)測(cè)技術(shù)，揭示了CFG樁-筏復(fù)合地基沉降變形規(guī)律。

2)CFG樁-筏復(fù)合地基樁間土沉降大于樁頂沉降，樁頂和樁間土應(yīng)力橫向分布呈鋸齒形，樁頂應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，在筏板作用下CFG樁的承載性能得到更充分的發(fā)揮。

3)CFG樁-筏復(fù)合地基褥墊層發(fā)揮變形協(xié)調(diào)作用，保證了樁和樁間土共同承擔(dān)荷載，但由于試驗(yàn)段表層地基土為中低壓縮性土層，使得筏板僅能提供有限的承載力，樁間土承載能力沒(méi)有得到充分發(fā)揮。樁土應(yīng)力比與荷載分擔(dān)比，最后分別穩(wěn)定在31.8%與67.8%。

4)超孔隙水壓力隨時(shí)間增加逐漸消散，孔隙水自上而下滲流，土體逐漸固結(jié)。超孔隙水壓力隨時(shí)間變化規(guī)律與樁間土沉降變化規(guī)律一致。

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(編輯 胡英奎)

AnalysisofFieldTestHigh-SpeedRailwayCFGPile-RaftCompositeFoundation

ChenHongwei，XuLinrong

(School of Civil engineering, Central South University, Changsha 410075, P. R. China)

Based on settlementation control design, CFG pile-raft composite foundation was used in the Shanghai-Nanjing intercity railway embankment test. To explore the settlement control mechanism and bearing characteristics of the CFG pile-raft composite foundation，embankment settlement, pile-soil stress distribution and the dissipation of excess pore water pressure were observed to obtain data through field testing. Composite foundation settlement, lateral deformation of subgrade soil， pile-soil stress distribution along the lateral base and excess pore water pressure changes with time under embankment were analyzed. The change pattern of pile-soil stress ratio and load sharing ratio were studied. Field test results provide the experimental basis for the further theoretical studies and optimized practial design of the soft foundation treatment in the CFG pile - raft structure in the high-speed railway project.

high-speed railway; field test; pile-soil stress ratio; settlement characteristics

10.11835/j.issn.1674-4764.2014.06.010

2014-03-11

國(guó)家自然科學(xué)基金(51078358)；鐵道部科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃課題(2012G009-C)；高鐵聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目(U1134207)

陳宏偉(1979-)，男，博士生，主要從事巖土工程研究，(E-mail)cai7698@126.com。

TU413.6

A

1674-4764(2014)06-0060-07