長短樁筏板復合地基現(xiàn)場測試研究

陳哲光

（中國土木工程集團有限公司，北京100038）

1 引言

鐵路軌道的平順性和安全性是保證高速鐵路列車行車的重要保證。因此，高速鐵路對路基的工后沉降和穩(wěn)定有著極為嚴格的標準，對于無砟軌道而言，根據(jù)TB 10621—2014《高速鐵路設計規(guī)范》，在一般路基地段工后沉降不能超過15mm。一般在滲透系數(shù)小的軟土地基，工后沉降難以控制，因此出現(xiàn)不同地基處理方式改善軟土物理力學性質(zhì)。其中，長短樁復合地基就是一種新型地基處理方式，很多學者也對其展開研究，林志強等【1】根據(jù)在柔性基礎下長短樁復合地基荷載傳遞機理，對工程質(zhì)量事故的原因進行分析，找出工程質(zhì)量事故的主要原因并提出避免類似工程質(zhì)量事故的預防措施；李善珍等【2，3】對黃土地區(qū)的長短樁復合地基通過數(shù)值模擬方法分析，建議了合理的樁長和樁間距；馬學寧等【4】基于現(xiàn)場試驗和數(shù)值模擬的方法，分析了長短樁復合地基的沉降特性和長短樁的受力規(guī)律；王曉光【5】對濕陷性黃土地區(qū)的長短樁復合地基沉降進行理論分析。周同和等【6】、陸華等【7】和陳陽【8】也進行了長短樁復合地基的室內(nèi)模型試驗，研究長短樁復合地基的沉降特性和長短樁受力規(guī)律?，F(xiàn)場試驗方面，李波等【9】對上海軟土地區(qū)的長短樁復合地基的沉降規(guī)律和樁土應力比進行了分析研究。

以上學者通過數(shù)值模擬、室內(nèi)模型試驗和現(xiàn)場試驗的方法分析了長短樁沉降規(guī)律和樁土應力比等，但以上學者研究長短樁加固對象多為沿海地區(qū)軟土和西北地區(qū)濕陷性黃土，對于黃淮沖積平原地區(qū)軟土研究較少，且對于長短樁+筏板加固地基方式研究也較少。

因此，本文通過對黃淮平原地區(qū)軟土采用素混凝土長樁+CFG 短樁+筏板方式進行加固，通過現(xiàn)場沉降、樁土應力、側向變形、基底應力分布和孔隙水壓力變化，分析長短樁在軟弱土層的加固效果，為長短樁+筏板地基處理方式提供參考和借鑒。

2 現(xiàn)場測試

2.1 工程概況

試驗段為某高速鐵路里程路基全長1 455.31m。地處黃淮沖積平原區(qū)，本段全新統(tǒng)地層以軟塑～可塑的粉質(zhì)黏土、黏土層為主，分布厚度大，地層軟弱、力學性質(zhì)較差、地基承載力低、壓縮性大，砂性土分布少，排水條件差，施工后在路堤荷載作用下，土體固結沉降完成過程長，工后沉降控制困難。表層為第四系全新統(tǒng)沖積層黏性土、粉土偶夾薄層砂類土；其下為上更新統(tǒng)沖積層黏性土、粉土地層。

各地層自上而下分布厚度及其主要力學特性如下：

1）粉土：褐黃色、褐灰色，飽和，稍密，局部夾有薄層粉質(zhì)黏土、粉細砂，層厚1.5m。Es100～200=7.83MPa，N=5.49 擊/30cm。

2）粉質(zhì)黏土：黃褐色、灰褐色，局部為褐黃色，軟塑，局部夾有薄層粉土、粉細砂及少量姜石，層厚6.68m。Es100～200=3.73MPa，N=5.41 擊/30cm。

3）粉質(zhì)黏土：褐黃色、黃褐色，局部為褐灰色，可塑，局部夾有薄層粉土、粉細砂及少量姜石，層厚9.42m。Es100～200=4.78MPa，Es300～400=9.86MPa，N=9.54 擊/30cm。

4）粉土：褐黃色、褐灰色，飽和，中密，局部夾有薄層粉質(zhì)黏土、粉細砂及少量姜石，層厚6.10m，Es300～400=11.6MPa，N=11.8 擊/30cm。

5）粉質(zhì)黏土：褐黃色、黃褐色，局部為褐灰色，可塑，局部夾有薄層粉土、粉細砂及少量姜石，層厚9.56m。Es100～200=5.14MPa，Es300～400=10.98MPa，N=14 擊/30cm。

6）粉質(zhì)黏土：褐黃色、黃褐色，局部為褐灰色，可塑，局部夾有薄層粉土、粉細砂及少量姜石，含少量的鐵錳質(zhì)結核、鐵錳質(zhì)氧化物斑塊，層厚12.86m，推薦承載力基本值=170kPa。

7）粉質(zhì)黏土：黃褐色、灰褐色，硬塑，局部夾有薄層粉土及少量姜石。層底埋深39.00～46.40m。Es600～800=18.75MPa，N=31.77擊/30cm。

地下水主要為孔隙潛水，局部略具承壓性，地下水受大氣降水、地表水補給，水量較豐富。地下水具明顯的動態(tài)變化特征，隨季節(jié)、降水量變化而變化，測時地下水埋深2.9～4.2m，標高34.36～35.87m。地下水主要以地下徑流及人工開采為主要排泄方式。

2.2 測試元件布置

長短組合樁地基中，長樁為素混凝土樁，樁徑0.6m、長31～37m；短樁為CFG 樁，樁徑0.5m、長25m；樁間距2.5m，按正方形間隔布設。樁頂設C45 鋼筋混凝土筏板，筏板厚0.6m，板下設0.2m 厚墊層。路基填高6～7m，路基本體采用A、B 組填料填筑，上部預壓土高度3m，設計預壓期12 個月。主斷面監(jiān)測及元件布置圖如圖1 所示，3 個單點沉降計；1 個分層沉降計；1 個孔隙水壓力計；土壓力盒：樁頂7 個，樁間土7 個，筏板以上3 個；1 個測斜管；1 個水位觀測孔。

圖1 主斷面監(jiān)測及元件布置圖

2.3 測試元件埋設

監(jiān)測剖面元件埋設工作如圖2～圖4 所示。為保證元件能得到科學合理的數(shù)據(jù)，元件的埋設過程也十分重要，各個元件現(xiàn)場埋設過程參考文獻【10】進行埋設。

圖2 單點沉降計

圖3 分層沉降計

圖4 孔隙水壓力計

2.4 現(xiàn)場試驗測試頻率

監(jiān)測元件埋設到位后，監(jiān)測頻次，結合現(xiàn)場施工進展開始了監(jiān)測數(shù)據(jù)的收集。具體監(jiān)測工作要求如下：

1）在路堤正式填筑前，對所有埋設元件設備進行復測，作為初始讀數(shù)。

2）在路堤填筑施工期間，各元件設備一般情況每天（上午）測試1 次，各種原因暫時停工期間，前2d 每天（上午）測試1 次，以后每3d 測試1 次。

3）路堤填筑施工完成后，前15d 內(nèi)每3d 觀測1 次，第15～30d 每星期觀測1 次，第30～90d 每15d 觀測1 次，以后的每個月觀測1 次。

在實際監(jiān)測工作中，觀測時間間隔還考慮地基沉降值與沉降速率影響，當2 次連續(xù)觀測的沉降差值大于4mm 時加密觀測頻次；當出現(xiàn)沉降突變、地下水變化及降雨等外部環(huán)境變化時也增加觀測頻次。

3 測試結果分析

3.1 沉降變形分析

第587d 為預壓土卸載完成日，卸載后測試沉降，沉降有所減小，即發(fā)生回彈現(xiàn)象，回彈量是1.09mm, 且沉降變形趨于穩(wěn)定。截至637d，地基面沉降為14.6mm。

由圖5 可知：長短樁加固區(qū)段各監(jiān)測斷面的地基面、加固區(qū)和下臥層的沉降均隨著上部填土高度的增大而增大，第44d填筑開始至第166d 填筑（含預壓土）完成期間，沉降量及沉降速率均為較快速增長階段；恒載擺放期，沉降仍在發(fā)展，但沉降速率明顯變緩；至第271d，加固區(qū)沉降已趨穩(wěn)定，地基面和下臥層沉降仍在緩慢發(fā)展。

圖5 地基沉降隨時間變化圖

從圖6 中可知，地基土各分層的沉降量隨路基填土和預壓填土荷載的增大而增大，尤其在加載初期，沉降變化很明顯。當上部荷載恒定后，地基各土層沉降均逐漸趨于收斂。當卸載完成后測試沉降，沉降有所減小，即發(fā)生回彈現(xiàn)象，且沉降變形很快趨于穩(wěn)定。

3.2 側向位移分析

試驗現(xiàn)場主測斷面右側設置了1 個測斜管，但受元件自身或埋設效果等影響，該測斜孔僅0～23.0m 工作正常，23.0m以下監(jiān)測數(shù)據(jù)異常。該測點處側向位移沿深度變化曲線如圖7所示，由圖7 可知：

圖6 路基分層沉降隨時間變化圖

圖7 路基側向位移隨時間變化圖

1）填土高度達6.6m，開始首次觀測，至70d 第二次測試時填土高度為9.6m（填筑完成），此時已產(chǎn)生明顯的側向位移；此后的填土高度不變，處于恒載擺放期，路堤側向位移逐漸增大，但增加幅度相對較小，并趨于穩(wěn)定。

2）地基土側向位移隨著深度的增加明顯呈減小的趨勢，截至125d 地表最大側向相對位移達到了6.00mm，深度20m以下地基土側向位移最大值一般小于1mm。可見，采用長短樁樁筏結構時，在約束側向位移及其影響深度方面作用明顯。地基土側向位移隨著深度的增加明顯呈減小的趨勢，截至449d地表最大側向相對位移達到了6mm，深度20m 以下地基土側向位移最大值一般小于1mm。

3）從發(fā)展階段看，填筑期的側向位移量、沉降速率均較大，期間側向位移速率為1.84～3.05mm/月；填筑完成后的恒載擺放期側向位移量明顯減小，平均位移速率為0.85mm/月，并基本趨于穩(wěn)定。

3.3 長短樁+筏板體系基底應力分布

為研究長短樁樁筏復合地基路基基底應力的分布規(guī)律，于基底樁頂、樁間土不同位置處埋設土壓力盒進行應力測試，量測施工和預壓期內(nèi)基底應力變化。路基面下基底壓力均值與路基填筑高度的時程曲線如圖8 所示，路堤基底壓力隨路堤荷載的增加而逐漸增大，相同荷載作用下墊層的結構性越強，路基面下基底壓力越小。

圖9a、圖9b 分別為路基填筑預壓的過程中，長短樁樁筏復合地基路基基底應力的分布規(guī)律。從圖9 中可知，在預壓荷載較小時，基底壓力在路堤荷載較小時分布較為均勻，隨著預壓荷載的增大，路基面下基底壓力呈拋物線型分布，即兩路肩下小中心處大，且中心處壓力隨路堤填高而增加的幅度最大，但隨著預壓荷載的進一步增大，路基面下基底壓力隨路堤荷載的增加呈馬鞍型分布，即兩側大中間小，而后基底中心壓力快速增加。路基預壓荷載結束后，基底壓力呈明顯的馬鞍型分布。此外，長短樁復合地基中，由于素混凝土與周圍土體的剛度差異較大，比CFG 短樁承擔較大的荷載。

圖8 樁筏結構路基基底土壓力隨時間變化圖

圖9 樁筏結構路基基底應力分布模式

3.4 樁土應力分析

從圖10 中可知，當路基填土高度在3.0m 以下時，素混凝土樁和CFG 樁的樁土應力比在填土初期快速增大；當路基填土高度達到6.0m 時，素混凝土樁和CFG 樁的樁土應力比迅速增大，隨后趨于穩(wěn)定；當路基填土高度達到9.0m 后，素混凝土樁和CFG 樁的樁土應力比都在一定的區(qū)間波動，但隨著加載時間的增長，素混凝土樁樁土應力比有一定的增大，而CFG 樁樁土應力比有一定的減小。路基中心處和路肩下素混凝土樁樁土應力比基本一致，CFG 樁的樁土應力比也基本一致，坡腳附近樁土應力比都比較小，但素混凝土樁樁土應力比大于CFG 樁樁土應力比。路基中心處和路肩素混凝土樁樁土應力比為10.9～13.0，路基中心處和路肩下CFG樁樁土應力比為5.9～7.1，素混凝土樁的樁土應力約為CFG樁的2 倍；坡腳附近素混凝土樁樁土應力比為2.4～3.4，坡腳附近的CFG 樁樁土應力比為1.9～2.5，素混凝土樁的樁土應力約為CFG 樁的1.3 倍。說明素混凝土樁分擔的荷載比CFG 樁分擔的荷載大。

圖10 樁土應力隨時間變化曲線圖

在預壓期間，隨著預壓時間的增大，路基中心處、路基下和最靠近坡腳處的素混凝土樁和CFG 樁樁土應力比均呈緩慢增大規(guī)律，但增幅較小，表明長短樁樁筏結構復合地基受力與變形狀態(tài)逐漸趨于協(xié)調(diào)。素混凝土樁樁土應力比隨著填土荷載的增大到穩(wěn)定呈增大—穩(wěn)定—再增大的趨勢；CFG 樁的樁土應力比隨著填土荷載的增大到穩(wěn)定呈增大—穩(wěn)定—有一定減小的趨勢。

卸載后樁與樁間土都發(fā)生明顯回彈，且樁土應力比也略減小，之后很快保持穩(wěn)定。

3.5 孔隙水壓力分析

孔隙水壓力測試設置部分主監(jiān)測斷面線路中線附近，有1孔，設6 個孔隙水壓力計，分別埋設于各黏性土層的中部。在路基填土施工期間，對不同深度處的孔隙水壓力計進行測試，得到不同深度處孔隙水壓力在路基施工和預壓期間的變化規(guī)律，如圖11 所示。

圖11 孔隙水壓力隨時間變化圖

1）長短樁復合地基不同深度處孔隙水壓力在路基分層填筑期間產(chǎn)生驟然增大，出現(xiàn)峰值，而在施工停頓期則逐漸消散。

2）當路基每層填筑停頓期間，由該填土層引起的超孔隙水壓力在未得到完全消散的條件下，緊接著填筑下一層路基填土，引起超孔隙水壓力疊加，至路基預壓填土完成時，長短樁復合地基不同深度處的孔隙水壓力出現(xiàn)最大峰值，地基面以下12.0m（加固區(qū)）、20.0m（加固區(qū)）、25.0m（CFG 樁樁底）、38.0m（素混凝土樁樁底）和52.0m（下臥層底層）的孔隙水壓力分別為121.7kPa、200.1kPa、261.4kPa、392.6kPa 和439.0kPa，累積的超孔隙水壓力分別為110.3kPa、111.5kPa、123.4kPa、121.4kPa 和99.7kPa，結合圖11 中孔隙水壓力變化圖形，表明在上部路基填土荷載逐級增大的作用下，復合地基深度越大，超孔隙水壓力疊加作用越明顯。

3）在117d 上部路基填土荷載恒定后，隨著預壓時間的增大，復合地基不同深度處的超孔隙水壓力逐漸消散，至222d后，地基面以下12.0m、20.0m、25.0m、38.0m 和52.0m 超孔隙水壓力分別為32.5kPa、28.1kPa、54.8kPa、52.4kPa 和56.0kPa，相比預壓土填筑完成時，超孔隙水壓力分別減小70.5%、74.6%、55.5%、56.8%和43.9%。

4）預壓土卸載完成后，地基土已完成固結，沉降已經(jīng)平穩(wěn)。

4 結論

針對長短樁樁筏結構復合地基，通過現(xiàn)場埋設復合地基沉降變形和受力監(jiān)測傳感器，研究了長短樁+樁筏結構復合地基的沉降變形和荷載傳遞規(guī)律，得出以下主要結論：

1）從試驗段長短樁樁筏結構復合地基的地基面沉降監(jiān)測看，自開始路基填筑，至228d（約7.6 個月）地基總沉降量為10.57～14.56mm，平均沉降值12.6mm。

2）從地基土分層沉降看，加固區(qū)的壓縮沉降量和沉降速率明顯大于下臥土層。監(jiān)測表明，隨著路基擺放時間增加，下臥層的壓縮量增量大于加固區(qū)范圍內(nèi)的壓縮量增量，說明在上部荷載恒定后，后期路基沉降主要由下臥土層壓縮沉降產(chǎn)生，但其剩余沉降量已較小。

3）長短樁+樁筏結構復合地基側向位移隨著深度的增加基本呈減小的趨勢，地基淺部水平位移較大，深部較小。隨著時間的推移，地基土側向位移速率逐漸減小，預壓土填筑完成穩(wěn)定后側向位移量明顯減小，側向位移速率趨于穩(wěn)定。

4）在預壓期間，素混凝土樁和CFG 樁樁土應力比開始比較穩(wěn)定，在預壓荷載穩(wěn)定后45d，素混凝土樁樁土應力比有增大的趨勢，而CFG 樁樁土應力比有減小的趨勢。

5）基底壓力在路堤荷載較小時分布較為均勻，隨著預壓荷載的增大，路基面下基底壓力呈拋物線型分布，但隨著預壓荷載的進一步增大，路基面下基底壓力隨路堤荷載的增加呈馬鞍型分布，長短樁復合地基中，剛度較大的長樁承擔較多的荷載。

6）在上部路基填土荷載逐級增大的作用下，長短樁復合地基超孔隙水壓力產(chǎn)生驟然增大然后逐漸消散的過程，由于路基每層填土間期過短，超孔隙水壓力未完全消散而產(chǎn)生疊加作用，且深度越大疊加作用越明顯。