高鐵不同剛度樁網(wǎng)復(fù)合地基工作性狀差異

周洺漢+許燕群+徐林榮+商擁輝+李義杰

摘 要：結(jié)合滬寧城際鐵路CFG樁網(wǎng)復(fù)合地基試驗段和京滬高鐵砂樁網(wǎng)復(fù)合地基昆山試驗段，在現(xiàn)場試驗斷面埋置土壓力盒、沉降計和孔隙水壓計等監(jiān)測儀器，獲取地基沉降、樁和樁間土壓力、孔隙水壓等監(jiān)測數(shù)據(jù)，對比分析CFG樁與砂樁網(wǎng)在高速鐵路地基工作性狀及工后沉降控制效果中的差異。分析結(jié)果表明：CFG樁網(wǎng)和砂樁網(wǎng)聯(lián)合堆載預(yù)壓均可滿足高速鐵路無砟軌道工后沉降控制要求，CFG樁網(wǎng)復(fù)合地基沉降總量與沉降速率均小于砂樁網(wǎng)復(fù)合地基，且收斂速度快；受樁剛度差異的影響，CFG樁網(wǎng)復(fù)合地基與砂樁網(wǎng)復(fù)合地基樁土應(yīng)力規(guī)律存在較大差異，前者樁土應(yīng)力比隨著路堤填筑加載而增大，最終趨于穩(wěn)定，后者樁土應(yīng)力比隨荷載增加先增大后減小，再增大，呈波浪形變化；CFG樁網(wǎng)地基超孔壓消散速率遠(yuǎn)小于砂樁樁網(wǎng)地基的超孔壓消散速率；在施工工期較短的情況下，與砂樁網(wǎng)復(fù)合地基相比，CFG樁網(wǎng)復(fù)合地基處理技術(shù)的工后沉降控制效果更優(yōu)。

關(guān)鍵詞：復(fù)合地基；樁土應(yīng)力比；沉降控制；高速鐵路

中圖分類號：TU447；U213.15

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-4764（2017）05-0056-07

Abstract：The monitoring components were put into the Shanghai-Nanjing intercity railway CFG pile-net composite foundation and Beijing-Shanghai high speed railway sand pile-net composite foundation of Kunshan test section， such as the soil pressure boxes， the settlement gauges and the pore water pressure gauges， etc.， to monitor and obtain a large number of ground settlements（post construction）， pile tops pressure and soil pressures， pore water pressures and other field test data in order to get variation law of properties of composite foundations. Working behavior of foundation during construction period and post construction settlement control effect were comparatively analyzed between the two different pile types （CFG pile-net and sand pile-net）. The results showed that both CFG pile-net and sand pile-net preloading can meet the ballastless track of high-speed railway post construction settlement （less than 15 mm） control requirement according to the field tests. The total settlements and the velocity of settlement of CFG pile-net foundation were smaller than that of sand pile-net foundation， and its convergence speed was faster， which meant the latter requires a longer period of time to load. Affected by the pile stiffness， there was a big difference on the law of stress of pile and soil. The stress ratio of pile and soil in CFG pile-net foundation was increased with the increase of the filling of the embankment， and eventually stabilized， while that of sand pile-net foundation decreases with the increasing of load first， and then increase， presenting the wave shape change. And the CFG pile-net foundation excess pore water pressure dissipation rate was far less than the latter. In the case of short construction period， compared with the composite foundation of sand pile-net， the settlement control effect of CFG pile-net composite foundation treatment technology was more excellent.

Keywords：composite foundation；pile-soil stress ratio；settlement control；high speed railwayendprint

樁網(wǎng)復(fù)合地基作為聯(lián)合型復(fù)合地基，有水平與豎直兩個方向的增強體，水平方向主要以網(wǎng)為主，豎直方向則以樁為主，目前在高速公路和高速鐵路的軟基處理、路橋過渡段差異沉降處理等方面已得到廣泛應(yīng)用。在調(diào)動樁、網(wǎng)、土三者的潛力，使其協(xié)同工作方面，樁網(wǎng)復(fù)合地基發(fā)揮了重要作用，使得樁和土能夠共同承擔(dān)荷載[1]。

目前，對樁網(wǎng)復(fù)合地基的研究已有不少，但主要集中在樁網(wǎng)復(fù)合地基樁、土各自承載力特性[2-4]及其荷載分布情況[5-6]、樁網(wǎng)復(fù)合地基加固作用機理[7-11]、土工合成材料作用效應(yīng)[12-13]等方面，然而，對類似工程環(huán)境下不同型式樁網(wǎng)復(fù)合地基的工作性狀及工后效果對比分析的研究相對較少。因此，筆者基于滬寧城際鐵路CFG樁網(wǎng)復(fù)合地基（鎮(zhèn)江試驗段）和京滬高速鐵路砂樁網(wǎng)復(fù)合地基（昆山試驗段）現(xiàn)場試驗，測試得到路基沉降變形、地基樁土應(yīng)力比、孔隙水壓力等數(shù)據(jù)，總結(jié)分析其各自變化規(guī)律，并對比分析CFG樁網(wǎng)和砂樁網(wǎng)復(fù)合地基工作性狀和處理效果的差異。

1 試驗概況

1.1 滬寧城際鐵路鎮(zhèn)江試驗段

試驗工點位于滬寧城際高速鐵路鎮(zhèn)江試驗段，試驗段內(nèi)地形略有起伏，崗地與坳谷相間分布其間，試驗段部分線路與京滬既有線有交疊，沿線存在水田、魚塘。試驗段地基表層為粉質(zhì)粘土，褐灰色，軟塑～硬塑，厚度在0～9.8 m范圍內(nèi)，其下分布淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土和粉質(zhì)粘土，各土層物理力學(xué)性質(zhì)如表1所示。由表1可知，該試驗段地基土屬于中壓縮性土。選取試驗段內(nèi)經(jīng)CFG樁網(wǎng)復(fù)合地基處理的路段進(jìn)行研究分析，CFG樁采用正方形布置，樁徑為0.5 m，樁間距為1.8 m，樁長8 m；雙向土工格柵鋪設(shè)于厚0.5 m的碎石墊層內(nèi)，土工格柵參數(shù)詳見表2。

1.2 京滬高鐵昆山試驗段

試驗工點位于京滬高速鐵路昆山試驗段，試驗段地基表層主要為黏土，灰黃色，軟～硬塑，層厚0.76～3.60 m；其下為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，并夾帶少量粉砂，呈深灰色，厚3.2～16.5 m；下臥層由粘土、粉土及粉質(zhì)粘土組成，各土層物理力學(xué)性質(zhì)如表3所示。由表3可見，試驗段地基土基本屬于中低壓縮性土。

該試驗段共進(jìn)行了兩次堆載預(yù)壓，第1次堆載預(yù)壓完成后達(dá)到了有砟軌道路基工后沉降標(biāo)準(zhǔn)，歷時4 a的固結(jié)沉降后，再進(jìn)行第2次堆載預(yù)壓，以求達(dá)到無砟軌道路基工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過第1次長時間的堆載預(yù)壓，認(rèn)為該試驗段土層固結(jié)已基本完成。

選用砂樁網(wǎng)復(fù)合地基對昆山試驗段進(jìn)行加固，砂樁樁徑為0.4 m，樁間距為2.0 m，樁長15.0 m，呈梅花形布置，土工格柵鋪設(shè)于0.6 m厚的砂墊層內(nèi)，土工格柵參數(shù)見表4。

2 現(xiàn)場試驗方案

2.1 滬寧CFG樁網(wǎng)復(fù)合地基

滬寧試驗段的沉降量測試采用單點沉降計，以此獲得地表總沉降、加固區(qū)沉降量及下臥層沉降量，并獲得沉降量隨時間、荷載變化的規(guī)律。將土壓力盒分別埋設(shè)于測試斷面的樁頂、兩樁間形心和四樁間形心等不同位置處，并由現(xiàn)場實測結(jié)果進(jìn)一步獲得CFG樁網(wǎng)復(fù)合地基的樁土應(yīng)力比、荷載分擔(dān)比的變化規(guī)律。測試元件具體埋設(shè)位置如圖1所示。

2.2 京滬砂樁網(wǎng)復(fù)合地基

在線路中心、線路左側(cè)、線路右側(cè)的路基基底分別埋設(shè)沉降板，用于觀測砂樁網(wǎng)復(fù)合地基的總沉降量；在砂樁樁頂、兩樁間土中心及三樁之間的形心處分別埋設(shè)土壓計，根據(jù)測得的土壓力數(shù)據(jù)獲得樁土應(yīng)力比及荷載分擔(dān)比的變化規(guī)律。測試元件布設(shè)位置如圖2所示。

大部分測試元件均應(yīng)在地基加固完成后路基填筑施工前時間內(nèi)進(jìn)行埋設(shè)，路基面觀測樁埋設(shè)應(yīng)在路基填筑施工完成后進(jìn)行。試驗段共進(jìn)行了兩次地基處理，第1次采用砂樁聯(lián)合等載預(yù)壓措施，填筑高度達(dá)6.29 m，經(jīng)地基處理后達(dá)到有砟軌道路基工后沉降標(biāo)準(zhǔn)（≤10 cm）；第2次為達(dá)到無砟軌道路基工后沉降標(biāo)準(zhǔn)（≤15 mm），在原有砂樁地基基礎(chǔ)上進(jìn)行堆載預(yù)壓，填筑高度為2.0 m。樁土應(yīng)力比和孔壓分析采用第1次預(yù)壓時獲得的數(shù)據(jù)，沉降變化規(guī)律則采用第2次預(yù)壓所得結(jié)果。

3 試驗測試結(jié)果及對比分析

3.1 沉降變形規(guī)律分析

經(jīng)過建設(shè)期的長期沉降監(jiān)測，得到如圖3所示的滬寧城際鐵路CFG樁網(wǎng)復(fù)合地基沉降時間荷載圖。從圖中可以看出，沉降量隨荷載和時間的增加而增大，加載期沉降速率和沉降量迅速增大，恒載期沉降速率減小，沉降量趨于穩(wěn)定，卸載后沉降量沒有發(fā)生明顯回彈現(xiàn)象；同一埋深下，路肩樁底的沉降量遠(yuǎn)大于路基中部樁底沉降量，埋深較淺部位由于受外界干擾較大，其沉降量波動亦較大。

圖4為昆山試驗段第2次堆載預(yù)壓時地基土的沉降時間荷載圖。由圖4可見，樁頂左側(cè)沉降量最小，中心次之，右側(cè)沉降量最大，三者沉降量在填筑期均隨荷載增加而急劇增大，恒載期隨時間的推移緩慢增加，三者大體呈現(xiàn)一致規(guī)律。

比較分析兩種樁型樁網(wǎng)復(fù)合地基沉降變形規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)：在中低壓縮性地基土中，CFG樁在堆載過程中沉降量隨荷載逐步增加，沉降速率明顯較砂樁慢；砂樁在加載過程中沉降量迅速增加，沉降速率較快；兩者在預(yù)壓恒載期沉降曲線都比較平穩(wěn)，逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)，且地基不同位置處的沉降規(guī)律均呈現(xiàn)一致。

根據(jù)建設(shè)期實測得到的沉降數(shù)據(jù)，運用多種沉降預(yù)測方法預(yù)測其工后沉降值，得到表5和表6所示復(fù)合地基工后沉降預(yù)測值。

從表5和表6中可以看出，CFG樁網(wǎng)和砂樁網(wǎng)聯(lián)合堆載預(yù)壓后其預(yù)測工后沉降值均可滿足高速鐵路無砟軌道工后沉降控制要求，其中，預(yù)測出的最大工后沉降值分別為6.03 mm和5.07 mm（其中砂樁網(wǎng)復(fù)合地基共經(jīng)過二次預(yù)壓，筆者取其第2次預(yù)壓后的工后沉降預(yù)測值）。CFG樁網(wǎng)地基根據(jù)實測數(shù)據(jù)預(yù)測出的工后沉降量稍稍大于砂樁網(wǎng)地基，但差別不大，且其沉降總量及沉降速率則均小于砂樁網(wǎng)地基。前者沉降總量預(yù)測值為34.71 mm，后者為68.60 mm，這主要與后者含有部分高壓縮性土層有關(guān)。endprint

3.2 樁土應(yīng)力比分析

為了解復(fù)合地基受力工作狀態(tài)，以及樁、土的受力特性，現(xiàn)對復(fù)合地基的樁、土應(yīng)力比n值和荷載分擔(dān)比N值隨時間荷載變化的規(guī)律進(jìn)行分析。兩種樁型樁網(wǎng)復(fù)合地基的樁土應(yīng)力比隨荷載變化規(guī)律如圖5所示。

從圖5（a）中可以看出，CFG樁網(wǎng)復(fù)合地基樁土應(yīng)力比在填筑初期增長速率較慢，隨著荷載的增加，樁土應(yīng)力比逐漸增大，這是因為在土工格柵和褥墊層內(nèi)形成了土拱和拉膜效應(yīng)，荷載逐漸集中至樁頂。在超載預(yù)壓填土高度達(dá)到6.25 m時，樁土應(yīng)力比穩(wěn)定在2～8之間，說明土工格柵發(fā)揮了其調(diào)整樁土間相對位移、調(diào)動樁間土承載能力的作用，使得各處樁土應(yīng)力比差異性較小。卸載至設(shè)計標(biāo)高2.1 m后，樁土應(yīng)力比有所降低，最后穩(wěn)定在4.2左右，這是由于樁頂應(yīng)力在卸載后回彈量較樁間土應(yīng)力回彈量大造成的。

砂樁樁網(wǎng)復(fù)合地基樁土應(yīng)力比總體上呈現(xiàn)先增大后穩(wěn)定的趨勢。圖5（b）中顯示大多數(shù)組的樁土應(yīng)力比在填筑4個月后即趨于穩(wěn)定，僅有一組的樁土應(yīng)力比是在填筑結(jié)束后才穩(wěn)定，而4個月時路基填筑的高度僅為4.5 m，這說明中低壓縮性地基土經(jīng)砂樁處理后其樁土應(yīng)力比能在較短時間內(nèi)穩(wěn)定。

砂樁作為散體樁，其承載作用遠(yuǎn)小于CFG樁這類半剛性樁，砂樁網(wǎng)地基樁土應(yīng)力比隨時間與荷載穩(wěn)定后約為3.5，其荷載分擔(dān)比約17.9%；而CFG樁網(wǎng)復(fù)合地基樁土應(yīng)力比最終穩(wěn)定在4.2左右，其荷載分擔(dān)比達(dá)到50%左右。上述二者隨時間荷載變化規(guī)律呈現(xiàn)一定差異：CFG樁網(wǎng)復(fù)合地基樁土應(yīng)力比隨著加載過程的進(jìn)行呈非線性增長，最終趨于某一穩(wěn)定值；砂樁網(wǎng)復(fù)合地基樁土應(yīng)力比則呈現(xiàn)一定的波浪形變化，比值先隨荷載增加而增大，而后又逐漸減小，最后又有所增加并逐漸穩(wěn)定。這主要是因為荷載剛作用時地基內(nèi)應(yīng)力迅速向樁體集中，隨荷載的增加砂樁逐漸發(fā)揮出復(fù)合地基的作用，樁間土承載力得到發(fā)揮，到了加載后期由于樁間土承載力有限，大部分載荷仍由砂樁承擔(dān)，但樁頂應(yīng)力增長速率減緩，與樁間土應(yīng)力增長速率逐漸同步，樁土應(yīng)力比趨于穩(wěn)定，這也說明當(dāng)砂樁網(wǎng)地基開始發(fā)揮復(fù)合地基作用后，樁體和樁間土的應(yīng)力增長開始協(xié)調(diào)發(fā)展；與CFG樁相比，砂樁處理過的中低壓縮性地基土，其樁土應(yīng)力比及荷載分擔(dān)比能夠在較短時間內(nèi)趨于穩(wěn)定。

3.3 孔隙水壓力分布規(guī)律

圖6為不同深度處CFG樁網(wǎng)復(fù)合地基超靜孔隙水壓力隨時間荷載的變化規(guī)律，從總體上看，埋設(shè)深度對超靜孔壓變化影響不大，但上部荷載對超靜孔壓變化有一定影響，超靜孔壓隨荷載增加而略微增大，到恒載期超靜孔壓逐漸消散。且在恒載期較深測點處的超靜孔壓值有所降低，說明孔隙水自上而下滲流，土體逐漸固結(jié)，卸載至設(shè)計標(biāo)高后超靜孔壓繼續(xù)減小。樁底16 m處測點的孔壓最大，下臥層次之，樁間土的孔壓相對較小。

圖7為砂樁網(wǎng)復(fù)合地基超孔壓荷載時間過程圖。從總體上看，不同深度處超靜孔壓變化呈現(xiàn)出的規(guī)律大致相同，即呈現(xiàn)出有規(guī)律的臺階狀增加消散趨勢。埋設(shè)深度越深，荷載變化對超靜孔壓規(guī)律的影響越小，這是因為荷載對超靜孔壓的影響是通過附加應(yīng)力產(chǎn)生的，而地基附加應(yīng)力隨埋深逐漸減小。加載初期，荷載較小，加荷速率較慢，超靜孔壓隨荷載增加而緩慢增大，在間歇期緩慢消散；加載后期，加載速率增至1.3 kPa/d，超靜孔壓隨加載速率的增加而迅速變化，曲線臺階密集；恒載期，超靜孔壓隨著時間發(fā)展逐步消散。

二者超靜孔壓雖然都受到埋深的影響，但在相同深度處的超靜孔壓值相差甚遠(yuǎn)（不在同一數(shù)量級），砂樁的超孔壓值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于CFG樁的超孔壓值；CFG樁的超孔壓對上部荷載的變化不敏感而砂樁的超孔壓增加消散受上部荷載影響較明顯，這是因為CFG樁作為半剛性樁，被認(rèn)為具有完全不透水性，而砂樁屬于散體樁，其透水性很強，也因此CFG樁網(wǎng)地基超孔壓消散速率（0.000 2 kPa/d）遠(yuǎn)小于砂樁網(wǎng)地基的超孔壓消散速率（0.270 0 kPa/d）。通過分析超靜孔壓變化規(guī)律也可知道，砂樁在加載初期主要以排水固結(jié)為主，在此過程中泥土細(xì)顆粒不斷被帶入砂樁內(nèi)，砂樁本身的強度和密實度逐漸增加，隨著時間及荷載的增加，排水固結(jié)過程逐漸完成。

4 結(jié)論

通過對滬寧CFG樁網(wǎng)復(fù)合地基和京滬砂樁網(wǎng)復(fù)合地基兩種不同剛度樁網(wǎng)復(fù)合地基的現(xiàn)場試驗對比分析，得出以下結(jié)論：

1）在中低壓縮性土中，經(jīng)CFG樁網(wǎng)復(fù)合地基或砂樁網(wǎng)復(fù)合地基處理后的工后沉降均能滿足無砟軌道路基的要求，說明中低壓縮性土的工后沉降與地基處理類型的關(guān)系并沒有軟土明顯。但CFG樁網(wǎng)復(fù)合地基沉降總量與沉降速率均小于砂樁網(wǎng)復(fù)合地基，收斂速度亦較快。

2）受樁剛度差異的影響，樁土應(yīng)力比變化規(guī)律存在較大差異，CFG樁網(wǎng)樁土應(yīng)力比隨著路堤填筑加載而增大，最終穩(wěn)定在4.2左右，其荷載分擔(dān)比達(dá)到50%左右；而砂樁網(wǎng)樁土應(yīng)力比隨荷載增加先增大后減小再增大，呈波浪形變化，最終穩(wěn)定后約為3.5，其荷載分擔(dān)比約17.9%。在中低壓縮性地基土中，砂樁較CFG樁更能在較短時間內(nèi)使樁土應(yīng)力比穩(wěn)定。

3）兩種不同樁型樁網(wǎng)地基超靜孔壓都受到埋深影響，載荷變化對CFG樁網(wǎng)地基孔壓影響有限，而砂樁網(wǎng)地基超靜孔壓對載荷變化較敏感，且其超靜孔壓消散速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于CFG樁。

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