深厚軟土中承式樁板復(fù)合地基受力與變形特性試驗研究

張元帥

（中鐵二十二局集團(tuán)第一工程有限公司，黑龍江 哈爾濱 150006）

0 引言

樁板結(jié)構(gòu)復(fù)合地基是由下部的鋼筋混凝土樁基、上部的鋼筋混凝土承載板和樁間土共同組成，具有強度高、剛度大的特點，屬于剛性樁復(fù)合地基［1?4］。樁板結(jié)構(gòu)復(fù)合地基是近些年發(fā)展起來的地基處理方式，充分利用復(fù)合體的高承載力，可有效減小地基的沉降，具有良好的經(jīng)濟效果，已經(jīng)在特殊地區(qū)（黃土地區(qū)、軟土地區(qū)等）高速公路和高速鐵路等領(lǐng)域得到良好的應(yīng)用［5］。但目前樁板結(jié)構(gòu)復(fù)合地基的類型較多，出現(xiàn)了非埋式、淺埋式、高樁板式等，中承式樁板復(fù)合地基可充分利用下部復(fù)合地基型式和樁板結(jié)構(gòu)優(yōu)點，保證上部高路堤結(jié)構(gòu)工后沉降滿足要求。

針對中承式樁板復(fù)合地基在深厚軟土地區(qū)高速鐵路特殊工況的實際應(yīng)用，通過埋設(shè)元器件，研究路堤填筑過程中不同位置的受力與變形特性，對中承式樁板復(fù)合地基發(fā)展具有重要的推進(jìn)意義。

1 復(fù)合地基試驗研究

1.1 工程地質(zhì)條件

主測斷面自上而下的土層分別為（2）3?2、（2）4?2、（2）3?31、（2）3?32、（2）5?3、（2）3?3、（5）3?4，各土層物理、力學(xué)參數(shù)見表1。

1.2 監(jiān)測斷面設(shè)計

主斷面樁板結(jié)構(gòu)承臺板埋置于路基基床（板頂面位于路肩以下1.2 m處），其鉆孔灌注樁沿線路縱向間距為4.0 m，沿線路橫向間距為4.5 m，樁徑1.0 m，樁長31.0 m；路基填筑基底采用CFG樁加固，樁徑0.5 m，樁長27.5 m，正方形布置，樁間距2.0 m，CFG樁樁頂設(shè)C45混凝土擴大樁帽。沉降監(jiān)測斷面及元件布置如圖1所示。

2 試驗成果和分析

2.1 樁土應(yīng)力分析

2.1.1 承臺板下應(yīng)力分析。承臺板下路基土壓力自承臺板澆筑時開始監(jiān)測，得到樁板結(jié)構(gòu)承臺板下路基土壓力變化曲線如圖2所示，分析可知：澆筑承臺板時，左、右線下承臺板底面位置樁間土壓力分別為14.1 kPa和14.3 kPa，隨著承臺板強度的形成，承臺板底面樁間土壓力略有減小，但在承臺板上填筑基床土后，承臺板下樁間土壓力逐漸增大，當(dāng)承臺板上填土高度為1.2 m時，承臺板下樁間土壓力達(dá)到最大，分別為16.5 kPa和16.7 kPa，與剛澆筑承臺板時相比分別增大了17.0%和16.8%，表明在承臺板填筑基床后承臺板下樁間土壓力僅有較小增幅，與上部填土荷載相比，承臺板底部樁間土壓力增量較小，表明承臺板上基床填土荷載主要由樁板結(jié)構(gòu)承擔(dān)。當(dāng)承臺板上基床填筑完成后，承臺板下樁間土壓力隨著時間的推移逐漸減小，分析其主要原因是承臺板下復(fù)合地基逐漸產(chǎn)生固結(jié)沉降，樁板結(jié)構(gòu)沉降量小于承臺板下路基土的沉降所致。

2.1.2 墊層頂部應(yīng)力分布。在路基填土和預(yù)壓填土過程中，測試得到墊層頂部土壓力隨填土高度變化規(guī)律如圖3所示，分析可知：墊層頂部土壓力隨路基填土高度的增大而增大，而當(dāng)路基本體內(nèi)樁板結(jié)構(gòu)承臺板澆筑完成后，承臺板下方墊層頂部的土壓力隨上部基床填筑緩慢增大，而路肩下方墊層頂部的土壓力快速增大，當(dāng)路基預(yù)壓填土完成時，路基下方墊層頂部的土壓力大于承臺板下路基中心和線路中心位置墊層頂面的土壓力，說明承臺板上基床填土荷載直接通過樁板結(jié)構(gòu)傳遞至地基；隨著預(yù)壓時間的增加，承臺板下墊層頂面的土壓力呈逐漸減小趨勢，結(jié)合承臺板與路基填土接觸應(yīng)力的變化規(guī)律，表明樁板結(jié)構(gòu)承臺板豎向沉降小于路基填土，使承臺板作用于板下路基填土的應(yīng)力減小。

2.1.3 墊層底部應(yīng)力分布。路基填土和預(yù)壓填土過程中，選取路基中心、路肩位置和坡腳位置進(jìn)行分析，如圖4、圖5所示。從圖中可見，當(dāng)路基填土高度在樁板結(jié)構(gòu)承臺板以下時，隨著路基填土荷載的增大，樁頂應(yīng)力和樁間土壓力逐漸增大；在相同填土高度的條件下，樁頂應(yīng)力和樁間土應(yīng)力由路基中心往坡腳方向呈逐漸減小規(guī)律。當(dāng)填土高度大于承臺板標(biāo)高后，路肩下樁頂應(yīng)力和樁間土壓力大于承臺板下的樁頂應(yīng)力和樁間土壓力，至路基預(yù)壓填土完成時，路基中心下樁頂應(yīng)力和樁間土壓力分別為404.1 kPa和61.0 kPa，路肩下樁頂應(yīng)力和樁間土壓力分別為444.4 kPa和68.0 kPa，最靠近坡腳處的樁頂應(yīng)力和樁間土壓力分別為155.8 kPa和44.3 kPa。在承臺板下和路肩下的墊層下樁間土壓力分別約為墊層頂面土壓力的47.6%和64.3%；當(dāng)路基填土荷載恒定后，地基面樁間土壓力呈緩慢減小規(guī)律，而樁頂應(yīng)力逐漸增大，說明隨著樁間土固結(jié)沉降發(fā)生，在墊層調(diào)整作用下，上部路基填土荷載進(jìn)一步傳遞至樁頂，表明CFG樁承擔(dān)荷載增大，而樁間土承擔(dān)荷載減小。

2.1.4 樁土應(yīng)力比。在路基填土高度相同的條件下，將路基中心、路基下和最靠近坡腳的樁頂應(yīng)力與相應(yīng)的樁間土壓力之比，得到樁土應(yīng)力比值隨路基填土高度和預(yù)壓時間的變化規(guī)律，如圖6所示。由圖6可知，當(dāng)路基填土高度小于1.3 m時，樁土應(yīng)力比在填土初期快速增大，當(dāng)路基填土高度為1.3 m時，路基中心處、路肩下和最靠近坡腳處的樁土應(yīng)力比值基本保持在1.6~2.8；當(dāng)路基填土高度大于1.3 m后，路基中心處和路肩下樁土應(yīng)力比首先快速增大至5.7，其后呈上下波動變化，但變化幅度較??；在路填土高度為5.42 m的條件下保持2.6個月期間，路基中心處和路肩下樁土應(yīng)力比略有減小，當(dāng)路基填土高度進(jìn)一步增大至設(shè)計高度期間，其略有增大，后逐漸趨于穩(wěn)定，路基中心和路肩下樁土應(yīng)力比穩(wěn)定于6.0~6.6間，而最靠近坡腳的樁土應(yīng)力比在路基高度1.3~7.9 m之間時基本保持不變，且維持在3.4上下波動。

在預(yù)壓期間，隨著預(yù)壓時間的增大，路基中心處、路肩下和最靠近坡腳處的樁土應(yīng)力比均呈緩慢增大規(guī)律，但是增幅較小，表明CFG樁復(fù)合地基受力與變形狀態(tài)逐漸趨于協(xié)調(diào)。

2.2 地基分層沉降

在地基不同深度位置：地面以下10.0 m、19.0 m、27.5 m（CFG樁樁底）、31.0 m（鉆孔樁樁底）、43.5 m、60.0 m，埋設(shè)分層沉降計，在路基填土和預(yù)壓過程中，對其進(jìn)行觀測，得到其沉降發(fā)展規(guī)律，如圖7所示。

分析可知：地基各土層的沉降量隨路基填土和預(yù)壓填土荷載的增大而增大，尤其在各級填土加載初期，沉降量會產(chǎn)生急劇增大現(xiàn)象；填筑期間，各層地基土沉降繼續(xù)發(fā)展，當(dāng)路基填筑完成上部荷載恒定后，地基各土層沉降量輕微增大，后期均逐漸趨于收斂，至監(jiān)測完成時，地基各土層壓縮量見表2，10~19 m沉降量為2.560 mm，19~27.5 m沉降量為1.083 mm，27.5~31m沉降量為1.659 mm，31~43.5 m沉降量為2.044 mm，43.5~60 m沉降量為1.401 mm。隨著時間增加，下臥層的壓縮量增量依然較大，說明在上部荷載恒定后，該加固段后期路基沉降主要由復(fù)合地基下臥土層壓縮下沉引起，但其剩余沉降量已較小。

表2 復(fù)合地基各土層壓縮量

3 結(jié)論

為了研究深厚軟土區(qū)中承式樁板復(fù)合地基受力與變形特性，開展現(xiàn)場試驗，重點研究樁土應(yīng)力和分層沉降，得出以下結(jié)論。

①當(dāng)承臺板上填土完成時，承臺板下樁間土壓力達(dá)到最大，分別為16.5 kPa和16.7 kPa，與剛澆筑承臺板時分別增大了17.0%和16.8%，表明承臺板上基床填土荷載主要由樁板結(jié)構(gòu)承擔(dān)。

②墊層頂部土壓力隨路基填土高度的增大而增大，而當(dāng)路基本體內(nèi)樁板結(jié)構(gòu)承臺板澆筑完成后，承臺板下方墊層頂部的土壓力隨上部基床填筑緩慢增大，而路肩下方墊層頂部的土壓力快速增大。

③路基預(yù)壓填土完成時，承臺板下和路肩下的墊層下樁間土壓力分別約為墊層頂面土壓力的47.6%和64.3%；當(dāng)路基填土荷載恒定后，地基面樁間土壓力呈緩慢減小規(guī)律，而樁頂應(yīng)力逐漸增大。

④當(dāng)上部荷載恒定后，地基變形后期沉降主要發(fā)生在下臥層位置。