軟土地基上的鐵路橋梁樁基變形控制技術(shù)研究

楊吉利

摘要：在軟土地基上架設(shè)鐵路橋梁，樁基易出現(xiàn)沉降和水平變形，會對鐵路運(yùn)營產(chǎn)生很大的影響。鑒于此，從施工方面入手，針對樁基變形控制技術(shù)進(jìn)行實(shí)踐研究，通過改變堆載工況、改變軟土地基的處理方法和采取應(yīng)力隔離措施，設(shè)計了一套適用于軟土地區(qū)鐵路橋梁樁基變形控制措施，以期為業(yè)內(nèi)同類地質(zhì)條件下鐵路橋梁樁基變形控制提供參考。

關(guān)鍵詞：軟土地基；樁基；沉降；水平變形

0? ?引言

在鐵路橋梁的施工中，許多工程需要在軟土地基上進(jìn)行。軟土地基是指強(qiáng)度低、壓縮量較高的軟弱土層，其抗剪強(qiáng)度低、透水性低、壓縮性差，同時具有觸變性、流變性以及不均勻性等特點(diǎn)，且在動力荷載作用下易液化，容易給鐵路工程帶來較大危害[1]。

樁基具有較高的承載能力，可以承載豎直荷載，也可以承載豎直荷載，是最常用的深基礎(chǔ)應(yīng)用形式。其由承臺和埋在土中的單樁或樁群組成，通過樁桿將荷載傳遞到深層土體或側(cè)向土體，可以將建筑物的荷載全部或部分傳給地基土或巖層，具有一定剛度和抗彎能力。通過樁基能夠?yàn)檐浲恋鼗刑砑痈郊雍奢d，孔隙較大的軟土可以排除孔隙水，使孔隙比變小，產(chǎn)生固結(jié)，從而有效控制地基變形[2]。

軟土地區(qū)的鐵路主要采用橋梁形式，橋梁樁基礎(chǔ)大多采用鋼筋混凝土樁，為此對鐵路橋梁樁基的變形進(jìn)行控制，在鐵路設(shè)計和施工中就顯得尤為重要。鑒于此，本文從施工方面入手，針對樁基變形控制技術(shù)進(jìn)行實(shí)踐研究，通過改變堆載工況、改變軟土地基的處理方法和采取應(yīng)力隔離措施，設(shè)計了一套適用于軟土地區(qū)鐵路橋梁樁基變形控制措施，以期為業(yè)內(nèi)同類地質(zhì)條件下鐵路橋梁樁基變形控制提供參考。

1? ?工程概況

研究的鐵路段位于沿海某市，項(xiàng)目所在地地貌類型為沖積平原，地形較開闊、平坦。鐵路線路以填方通過，堤身中心最大填方高度約為5.5m，考慮地基的工后沉降，在地基的每側(cè)加寬0.3m，并設(shè)2.5m寬的反壓護(hù)道。

項(xiàng)目場地的地層結(jié)構(gòu)主要包括粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、卵石以及風(fēng)化巖層。粉質(zhì)黏土呈黃褐色，軟塑狀態(tài)，其中包含較大的石塊以及細(xì)砂，分布較松散，整體厚度在0.9～5.2m之間。

淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土呈灰褐色，處于飽和及流塑狀態(tài)，粘性較高，整體厚度處于4.5～8.6m之間。卵石層呈淺灰色，材質(zhì)飽和中密，成分以石英長石為主，微風(fēng)化，形狀多為壓圓形，在卵石間分布有不均勻的砂、礫石和黏土，具有較差的分選性和與良好的級配性，卵石的粒徑在2.5～5.0cm之間，厚度處于7.9～15.4m之間。風(fēng)化巖層呈灰黃色，質(zhì)地硬塑且局部堅硬，厚度在7.5～14.3m之間。項(xiàng)目場地沒有發(fā)現(xiàn)明顯的地質(zhì)構(gòu)造，且沒有活動性斷裂，該區(qū)域地下水為第四孔隙潛水，主要受大氣降水補(bǔ)給，地下水深埋小于0.8m。

2? ?鐵路橋梁樁基變形控制技術(shù)要點(diǎn)

為了保證鐵路運(yùn)營的安全，有必要對軟土地基上鐵路橋梁樁基的變形采取控制措施，通常從變形來源和變形傳遞路徑兩個方面施行。通過變形來源控制時，需要找到合理的施工方案來控制不同荷載條件和不同地基處理方法下的土體移動。通過變形的傳遞路徑控制時，需要對鐵路橋梁樁基與堆載工程間的土體進(jìn)行不同程度的加固處理，以隔離土體應(yīng)力的傳遞，避免土體的進(jìn)一步移動[3]。本文通過改變堆載工況、改變軟土地基處理方法和采取應(yīng)力隔離措施三個步驟，對樁基變形進(jìn)行控制。

2.1? ?監(jiān)測儀器的埋設(shè)

采用的監(jiān)測儀器包括CX-03E型斜側(cè)儀、ZXY-2型頻數(shù)讀數(shù)儀、TC402型全站儀、AT-G1型水準(zhǔn)儀、SJ-92型水位儀、CYJ-80型沉降儀和孔隙水壓力計。埋設(shè)步驟按埋設(shè)沉降板、埋設(shè)斜側(cè)管、邊樁埋設(shè)、埋設(shè)分層沉降儀、埋設(shè)孔隙水壓力計進(jìn)行。

埋設(shè)沉降板時，若使用真空預(yù)壓法，需將保護(hù)罩包在沉降板底座，并將其放在真空膜上。若不使用真空預(yù)壓法，需在填筑第一層地基之前埋設(shè)沉降板。埋設(shè)測斜管時，需要在測斜管內(nèi)注滿清水，防止測斜管浮起，并及時對測斜管的導(dǎo)槽指向進(jìn)行檢查和修正。埋設(shè)邊樁時，需要控制埋設(shè)深度和露出地面的高度，且同一監(jiān)測斷面的邊樁需要埋設(shè)在同一橫軸線上。埋設(shè)孔隙水壓力計時采取單孔單只方法，使用靜力觸探儀壓入直至到達(dá)預(yù)定深度。

2.2? ?改變堆載工況

堆載工程中鐵路變形的原因較多，其中，堆載邊緣到承臺外邊緣的距離和荷載等級兩種因素是可以控制的。因此，研究通過調(diào)整堆載邊緣到承臺外邊緣的距離和荷載等級，以進(jìn)行樁基變形控制。采用的位移監(jiān)測資料從工程實(shí)踐中獲得。

根據(jù)位移監(jiān)測資料中的土體水平位移數(shù)據(jù)，通過兩階段分析法，計算鄰近樁基的水平位移如式（1）所示。

式中：{yi}表示樁基中某一根樁的位移，{yij}表示其他樁遮攔效應(yīng)在樁i處產(chǎn)生的遮攔位移[4]。

根據(jù)土體類型對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計處理，從而獲得堆載邊緣到承臺外邊緣的距離以及荷載等級與樁基水平位移之間的關(guān)系。將該關(guān)系作為變形控制條件，選擇符合變形控制要求的荷載等級，或堆載邊緣到承臺外邊緣的距離，得出樁頂水平位移和荷載等級的線性方程，以及樁頂水平位移和堆載邊緣到承臺外邊緣距離的方程。最后利用樁頂水平位移限定值，求出對應(yīng)堆載邊緣到承臺外邊緣的距離及荷載等級。

2.3? ?改變軟土地基的處理方法

2.3.1? ?基本處理方法分析比較

軟弱地基的基本處理方法主要有5種，包括堆載預(yù)壓法、真空預(yù)壓法、水泥樁攪拌法、換填墊層法、強(qiáng)夯法以及加筋法。其中：堆載預(yù)壓法所需工期較長；水泥攪拌樁法進(jìn)行加固需要的成本較高，且處理深度有限；換填墊層法在土層厚度較大時會增加工程成本；強(qiáng)夯法處理深層難以達(dá)到壓密的效果，加固會受到限制；加筋法需要考慮埋設(shè)方式和數(shù)量。真空預(yù)壓法是在需要加固的軟土地基內(nèi)設(shè)置砂樁或塑料排水板，一般使用真空預(yù)壓法。

2.3.2? ?真空預(yù)壓法和砂樁聯(lián)合堆載處理要點(diǎn)

設(shè)置塑料排水板是將插板機(jī)插入軟土地基，在上部預(yù)壓荷載作用下，軟土地基中孔隙水由塑料排水板，排到上部鋪墊的砂層或者水平塑料排水管中，由其他地方排出，以加速軟體地基固結(jié)。其不足之處在于，使用該方法土體會產(chǎn)生較大的水平變形。

砂樁可用于加固松散砂土和人工填土類地基，其可以取代部分軟土。砂樁的強(qiáng)度比軟土的強(qiáng)度更高，軟土和砂樁形成的復(fù)合地基承載力也比天然地基承載高，在相同荷載下地基的沉降值較小。砂樁的滲透系數(shù)較大，能夠加速孔隙水的排出，為此使用塑料排水板和砂樁聯(lián)合堆載處理軟土地基，具體布置如圖1所示。

由圖1可知，在軟土地基中增加砂樁，構(gòu)成砂樁復(fù)合地基，能夠在一定程度上增加土體的強(qiáng)度，減少地基沉降量，同時能夠加快固結(jié)排水速率，加快地基的固結(jié)沉降速率，提高地基承載力，加速固結(jié)沉降，改善地基的整體穩(wěn)定性。

2.3.3? ?應(yīng)力隔離措施

在軟土地區(qū)進(jìn)行施工時，大面積堆載條件下地基會產(chǎn)生變形，從而導(dǎo)致堆載區(qū)域周圍的構(gòu)筑物發(fā)生變形，影響其正常運(yùn)行，為了避免出現(xiàn)此問題，需要采取必要的應(yīng)力隔離措施。采取應(yīng)力隔離措施，能夠減小堆載產(chǎn)生的地基附加應(yīng)力相互重疊，有效減少堆載工程對鐵路橋梁樁基的影響。

應(yīng)力隔離包括控制堆載距離、施工速度、應(yīng)力隔離樁3種方法。隔離樁在基坑和鐵路工程中使用較多，其能夠提高土體的抗剪能力及樁身提供的樁側(cè)阻力，同時能夠限制樁后土體變形發(fā)展，降低作用在圍護(hù)結(jié)構(gòu)上的土壓力和相鄰構(gòu)筑物的沉降。使用隔離樁時加固區(qū)位置如圖2所示。

由圖2可知，通過在堆載區(qū)域和樁基之間設(shè)置加固區(qū)，使鄰近建筑物堆載各自產(chǎn)生的地基附加應(yīng)力隔開，降低了大面積堆載對鄰近構(gòu)筑物的影響，不僅能夠保護(hù)鄰近構(gòu)筑物的安全，同時保證了工程施工的安全性。應(yīng)力隔離樁的隔離效果與樁徑和樁之間距離有關(guān)。需在地基中設(shè)置橫向排樁，以提高橋梁水平方向的抗彎能力，進(jìn)一步減小樁基的水平位移。

3? ?實(shí)際施工效果分析

3.1? ?砂樁處理效果

樁基礎(chǔ)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，將泊松比設(shè)為0.2，樁按彈性梁單元計算。設(shè)置塑料排水板的插入深度為25m，當(dāng)砂樁的處理深度分別設(shè)為10m、15m和20m時，得到堆載區(qū)域的鐵路橋梁樁基水平位移變化如圖3所示。

從圖3可以看出，當(dāng)無砂樁時，樁基最大水平位移為21.5mm。當(dāng)砂樁深度為10m時，樁基最大水平位移為17.5mm。當(dāng)砂樁深度為15m時，樁基最大水平位移為12.5mm。當(dāng)砂樁深度為20m時，樁基最大水平位移為7.5mm。分析認(rèn)為，隨砂樁處理深度的增加，樁基水平位移減小，說明固定塑料排水板的深度時，砂樁深度越大，鐵路橋梁樁基的水平位移越小。

3.2? ?水泥樁攪拌法處理效果

可采用水泥樁攪拌法在樁基與堆載區(qū)域中間位置進(jìn)行加固。設(shè)置樁基和加固區(qū)域之間的距離為6m，加固區(qū)深度與軟土層厚度相等，軟土層厚度為25m，將加固寬度設(shè)置為16m、20m、24m。當(dāng)樁荷載面積較大時，土體受影響的面積和變形也較大。如果加固范圍較小，則不能有效隔離土體，因此加固寬度應(yīng)從16m開始。

當(dāng)加固寬度增加時，樁體水平位移減小，但減小程度有限。由于在軟土地基上進(jìn)行工程建設(shè)，當(dāng)在后方進(jìn)行土體加固時，地基的側(cè)向抗力系數(shù)提升有限。而在前方加固，則能夠較好地隔離土體附加水平應(yīng)力。樁基前不同加固寬度下樁基的水平位移如圖4所示。

由圖4可知，當(dāng)樁基前加固寬度為16m時，樁基最大水平位移為10mm。當(dāng)樁基前加固寬度為20m時，樁基最大水平位移為8.3mm。當(dāng)樁基前加固寬度為24m時，樁基最大水平位移為7.6mm。由此表明，在樁基前方進(jìn)行土體加固的效果較好。

雖然在樁基變形控制中，水泥樁攪拌法控制效果比較好，但是當(dāng)加固厚度較大時，施工所需要耗費(fèi)的時間較長。同時，利用水泥樁攪拌法進(jìn)行工程建設(shè)時，設(shè)計方法比較保守，置換率會比較高，樁體的設(shè)計強(qiáng)度取值在0.6MPa以下。

3.3? 水泥土攪拌樁與混凝土灌注樁混合加固處理效果

灌注樁作為樁基加固的一種方式，通過打樁在加大地基的承載能力的同時，也能抵抗土方側(cè)壓力，防止土方位移。灌注樁具有較好的圍護(hù)作用，但是軟土地質(zhì)下進(jìn)行灌注樁施工，容易在鉆孔過程中出現(xiàn)縮徑、淤泥坍塌封堵孔徑、斷樁、樁身出現(xiàn)孔洞及鋼筋籠上浮等問題。鑒于此，采用水泥土攪拌樁和混凝土灌注樁混合加固的方式，限制土體的水平位移。

設(shè)置水泥土的加固深度為25m，混凝土灌注樁的半徑為0.75m，灌注樁的長度為40m，將樁與樁之間的距離設(shè)置為3.5m。在不同混合加固方式下樁體的水平位移如圖5所示。

由圖5可以看出，當(dāng)灌注樁為3排、水泥土攪拌樁加固區(qū)域?yàn)?m時，樁體水平位移為9.7mm。當(dāng)灌注樁為5排、水泥土攪拌樁加固區(qū)域?yàn)?5m時，樁體水平位移為6.2mm。由此說明，隨加固區(qū)域厚度和混凝土灌注樁的增加，樁體的水平位移呈減小的趨勢。且樁基前方加固效果比在樁基后方加固效果更好。灌注樁在加固時，將混合樁和地基下部的硬土層緊密地連在一起，使土體的水平位移減小，從而限制了樁基變形。但綜合來看，使用混凝土灌注樁和水泥土攪拌樁混合的加固方式，鐵路樁基的變形仍然較大。

3.4? ?咬合混凝土灌注排樁加固處理效果

樁的長度和半徑不變，沿鐵路橋梁的走向分布，兩端比承臺的外邊緣均寬1m，同時在橫向也設(shè)置排樁，以提高橋梁水平方向的抗彎能力。將排樁從一排開始遞增，進(jìn)行3組實(shí)驗(yàn)，加固寬度分別設(shè)為3m、6m、9m、12m、15m。

進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)時，按照剛度等效的原則設(shè)置板墻的厚度，將厚度設(shè)為lm。當(dāng)排數(shù)不同時，從1排樁開始，依次增加2排樁與3排樁，橫向排樁的加固寬度設(shè)置為5.5m。不同排樁數(shù)和不同橫向加固寬度下樁體水平位移如圖6所示。

由圖6a可知，當(dāng)排數(shù)為1時，樁身水平位移為10.0mm。當(dāng)排數(shù)為2時，樁身水平位移為9.8mm。當(dāng)排數(shù)為3時，樁身水平位移為9.0mm。隨排數(shù)增加，樁身水平位移呈減小的趨勢但減小幅度較小。由此說明，增加沿橋梁走向混凝土灌注排樁數(shù)，對樁身水平位移的控制效果不明顯。

由圖6b可知，距離堆載區(qū)50m位置處的樁頂水平位移減小到10mm以下。由圖6c可知，隨橫向加固寬度的增加，樁體水平位移迅速下降，雖然下降速度逐漸變慢，但橫向?qū)挾容^大時，樁體的水平位移已經(jīng)控制在較小范圍。

由圖6d可知，當(dāng)橫向加固寬度為3m時，樁身水平位移為17mm。當(dāng)橫向加固寬度為6m，樁身水平位移為10mm。當(dāng)橫向加固寬度為9m時，樁身水平位移為7mm。當(dāng)橫向加固寬度為12m時，樁身水平位移為6mm。當(dāng)橫向加固寬度為15m時，樁身水平位移為4.5mm。由此說明，隨橫向加固寬度增加，鐵路橋梁樁基鐵路的水平變形呈減小趨勢，增加橫向加固寬度能夠有效控制鐵路基樁變形。

4? ?結(jié)束語

鐵路橋梁樁基變形控制技術(shù)研究是當(dāng)前鐵路施工中亟需解決的難題，為有效控制軟土地基上樁基的沉降和水平位移，本文首先通過改變堆載工況，預(yù)防樁基礎(chǔ)的沉降。然后通過改變軟土地基處理方法和采取應(yīng)力隔離措施，來減小樁基的水平位移。最后在地基中設(shè)置橫向排樁，以進(jìn)一步減小樁基水平位移。

研究結(jié)果顯示，在塑料排水板和砂樁聯(lián)合堆載處理軟土地基中，固定塑料排水板的深度與樁基水平位移關(guān)系密切。當(dāng)砂樁深度為20m時，樁基最大水平位移為7.5mm，說明隨砂樁處理深度的增加，樁基水平位移減小。在樁基前不同加固寬度下，當(dāng)樁基前加固寬度為24m時，樁基最大水平位移為7.6mm，表明在樁基前方進(jìn)行土體加固的效果較好。

在不同混合加固方式下，當(dāng)灌注樁為5排、水泥土攪拌樁加固區(qū)域?yàn)?5m時，樁體水平位移為6.2mm，說明隨加固區(qū)域厚度和混凝土灌注樁的增加，樁體的水平位移減小。在不同橫向加固寬度下，橫向加固寬度為15m時，樁身水平位移為4.5mm，說明在地基中設(shè)置橫向排樁能夠有效控制樁基水平變形。

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