樁－網(wǎng)復(fù)合結(jié)構(gòu)樁土應(yīng)力變化規(guī)律的試驗(yàn)研究

黃玉仁

[摘要] 通過溫福高速鐵路軟土地基試驗(yàn)段工程，對采用預(yù)應(yīng)力管樁、CFG樁加固的樁－網(wǎng)復(fù)合結(jié)構(gòu)的樁、樁間土的應(yīng)力進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測，通過對實(shí)測數(shù)據(jù)的分析研究，揭示樁、樁間土的應(yīng)力分布及變化規(guī)律。

[關(guān)鍵詞] 高速鐵路 軟土地基 樁－網(wǎng)復(fù)合結(jié)構(gòu) 應(yīng)力分布規(guī)律

1 概述

溫福高速鐵路福建段軟土地層多為全新統(tǒng)海陸交互相地層，其軟土層屬典型的海積灘涂—溺谷相沉積淤泥，其平均含水量達(dá)到75%以上，分布廣、厚度大、指標(biāo)差，其中壓縮性之高、強(qiáng)度之低為國內(nèi)罕見。軟土層內(nèi)多黏土、粗砂等透鏡體夾層且厚度分部不均，變化較大。在溫福線的設(shè)計(jì)中，對深厚層軟土地基處理采用預(yù)應(yīng)力管樁、CFG樁等進(jìn)行加固，并采用“樁－樁帽－土工網(wǎng)墊”的復(fù)合結(jié)構(gòu)形式（后面簡稱“樁－網(wǎng)復(fù)合結(jié)構(gòu)”）。鑒于樁－網(wǎng)復(fù)合結(jié)構(gòu)在我國鐵路軟土路基的地基加固工程中的應(yīng)用剛起步，缺乏試驗(yàn)研究數(shù)據(jù)，因此在溫福鐵路全面開工前，選擇溫福正線DK275+000～+400段，開展現(xiàn)場軟土地基處理及填筑試驗(yàn)研究。通過對樁基承載力、應(yīng)力傳遞及變形規(guī)律，樁、土應(yīng)力的分布及變化、地基變形等實(shí)測數(shù)據(jù)的分析研究，對樁網(wǎng)復(fù)合結(jié)構(gòu)的加固設(shè)計(jì)（單樁承載力、樁型、樁間距、樁帽及網(wǎng)墊層等）進(jìn)行驗(yàn)證。

2 工程概況

溫福鐵路DK275+000~DK275+400試驗(yàn)段地形平坦，為水田，地面標(biāo)高4.0m左右，路基面寬度為13.1m，為梯形斷面，邊坡坡率1：1.5。工點(diǎn)范圍均為第四系地層覆蓋，上部為全新統(tǒng)濱海灘涂—溺谷相沉積形成，底部粘土屬坡殘積成因，下伏基巖為燕山期凝灰?guī)r、侵入巖，地基土各層的巖性分述如下：(1)粉質(zhì)黏土，硬塑，局部夾少量礫石，層厚0.4~2.1m；(2)淤泥，淺灰色，流塑，層厚10.5~19.7m；(3)粉質(zhì)黏土，軟硬分布不均，海陸交互相成因夾粗砂、礫石、碎石土、淤泥質(zhì)黏土等透鏡體，厚3.6～28m； (4) 花崗巖，全風(fēng)化呈砂土狀，標(biāo)貫擊數(shù)N＝25～50，厚>2m；(5) 凝灰?guī)r，灰綠色或灰白色，全風(fēng)化呈砂土狀，標(biāo)貫擊數(shù)N＝16～35，厚>10m。

3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)斷面設(shè)置。本次試驗(yàn)共布設(shè)完成了8個(gè)觀測斷面，其中主測試斷面4個(gè)，輔測試斷面4個(gè)。主測試斷面進(jìn)行路基全斷面變形觀測、全斷面應(yīng)力觀測、褥墊層土工格柵應(yīng)變測試、樁間土及樁變形、應(yīng)力等多個(gè)項(xiàng)目的測試與觀測；輔測試斷面主要進(jìn)行地基應(yīng)力及樁土應(yīng)力的測試，分別在DK275+055、DK275+155、 DK275+250、 DK275+380路基設(shè)計(jì)斷面位置，利用土壓力測試儀對埋設(shè)在每個(gè)輔測試斷面褥墊層頂、底面不同位置（樁頂及樁間土）處的土壓力盒進(jìn)行應(yīng)力測試，了解加荷沉降過程中樁、土應(yīng)力的變化規(guī)律及相應(yīng)的樁土應(yīng)力比。每個(gè)輔測試斷面路肩下設(shè)置10個(gè)土壓力盒，樁、土各5個(gè)。

4 測試數(shù)據(jù)分析

4.1 DK275+055斷面

DK275+055斷面為CFG樁加固軟土地基，測試樁、土應(yīng)力比的壓力盒集中布置在路肩范圍內(nèi)，分別布設(shè)在樁頂、樁間土上方，具體測試結(jié)果見下表：

從DK275+055斷面的情況來看，加載初期，隨填土高度的增加，樁頂及樁間土壓力均迅速增加，樁土應(yīng)力比（路堤橫斷面相同部位樁頂應(yīng)力與樁間土應(yīng)力的比值，簡稱“應(yīng)力比”）為0.89，樁間土承擔(dān)了較多的壓力，但樁間土壓力隨加載間歇期地基土沉降的進(jìn)行而迅速消散，填土施工結(jié)束時(shí)，樁頂平均應(yīng)力為229.8kPa，樁間土平均應(yīng)力為32.67kPa，樁土應(yīng)力比接近于7，由于樁間土模量小，變形大，而CFG樁樁體變形很小，樁間土與樁體的變形不協(xié)調(diào)，樁間土發(fā)生沉降變形將應(yīng)力通過土工格柵墊層傳遞至樁體，導(dǎo)致樁間土所受壓力進(jìn)一步減小，樁頂壓力進(jìn)一步增大。隨著填土的增高及時(shí)間的推移，樁間土壓力逐漸減少，樁頂應(yīng)力則相應(yīng)緩慢上升，通過土工格柵墊層的變形協(xié)調(diào)作用，路堤內(nèi)部樁與樁之間產(chǎn)生較穩(wěn)定的“拱效應(yīng)”，絕大部分填土荷載通過“拱效應(yīng)”傳遞到樁頂。恒載（路基填筑完成）1年后，樁頂平均應(yīng)力增大為254.4kPa，樁間土平均應(yīng)力降低為7kPa，樁土應(yīng)力比超過35。

4.2 DK275+155斷面

DK275+155斷面為預(yù)應(yīng)力管樁加固軟土地基，測試樁、土應(yīng)力比的壓力盒集中布置在路肩范圍內(nèi)，分別布設(shè)在樁頂、樁間土褥墊層底層和表層上方，具體測試結(jié)果見下表：

從DK275+155斷面的情況來看，在施工填筑期，隨填土高度的增加，樁頂和樁間土的土壓力均在增加，相對來說樁間土壓力增長幅度不大，而且在填土間歇期，隨著沉降的進(jìn)行，樁間土壓力迅速降低，樁間土最大壓力出現(xiàn)在填筑速率最大時(shí)候，褥墊層表層樁間土最大平均壓力為54kPa，底層為69kPa，近似等于其自重壓力。樁頂壓力則隨填筑的進(jìn)行迅速增加，填土施工完成時(shí)，樁頂位置褥墊層頂、底面的平均應(yīng)力分別為165kPa、221kPa，樁間土平均應(yīng)力分別為7kPa、12kPa，樁土應(yīng)力比分別為23.57、18.42。由于樁間土模量小，變形大，而管樁樁體的沉降變形很小，幾乎可以忽略，樁間土與樁體的變形不協(xié)調(diào)，通過褥墊層的協(xié)調(diào)作用，從而在樁與樁之間產(chǎn)生“拱效應(yīng)”，導(dǎo)致樁間土所受壓力進(jìn)一步減小，填土荷載通過“拱效應(yīng)”傳遞到樁頂，使樁頂壓力進(jìn)一步增大。隨著時(shí)間的推移，樁間土壓力逐漸減少，趨近于0，樁頂應(yīng)力則相應(yīng)緩慢增加。當(dāng)填土完成1年后褥墊層表層樁頂應(yīng)力增大為222.67kPa，底層增大為298.67 kPa。從上表可以看出，當(dāng)填土完成一個(gè)月后，樁土應(yīng)力比已經(jīng)接近60，說明土工墊層的應(yīng)力調(diào)整在填土結(jié)束后不久已經(jīng)完成，樁－樁帽－網(wǎng)墊層－填土已經(jīng)形成了一個(gè)較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，而路堤的沉降觀測及測斜試驗(yàn)結(jié)果也證實(shí)了這一點(diǎn)。

4.3 DK275+250斷面

DK275+250斷面為預(yù)應(yīng)力管樁加固軟土地基，測試樁、土應(yīng)力比的壓力盒集中布置在路肩范圍內(nèi)，分別布設(shè)在樁頂、樁間土褥墊層底層和表層上方，具體測試結(jié)果見下表：

DK275+250斷面由于在樁間距、填筑高度、填筑速率等要素方面與DK275+155斷面相同或類似，因此整體結(jié)果與DK275+155斷面情況類似。填筑期褥墊層表層樁間土最大平均壓力為23kPa，底層為25.5kPa。填土施工完成時(shí)，樁頂位置褥墊層頂、底面的平均應(yīng)力分別為208kPa、198.5kPa，樁間土平均應(yīng)力分別為7.67kPa、3.75kPa，樁土應(yīng)力比分別為27.13、52.93。填土完成1年，后褥墊層表層樁頂應(yīng)力增大為283.67kPa，底層增大為298.00 kPa。

4.4 DK275+380斷面

DK275+380斷面為預(yù)應(yīng)力管樁加固軟土地基，測試樁、土應(yīng)力比的壓力盒集中布置在路肩范圍內(nèi)，分別布設(shè)在樁頂、樁間土褥墊層底層和表層上方，具體測試結(jié)果見下表[1]：

DK275+380斷面填筑期褥墊層表層樁間土最大平均壓力為43.33kPa，底層為38.25kPa。填土施工完成時(shí)，樁頂位置褥墊層頂、底面的平均應(yīng)力分別為168.67kPa、95.67kPa，樁間土平均應(yīng)力分別為1.67kPa、5.5kPa，樁土應(yīng)力比分別為101.2、17.39。填土完成1年后褥墊層表層樁頂應(yīng)力增大為220.00kPa，底層增大為126.33 kPa。

從4個(gè)輔助斷面的樁、樁間土應(yīng)力測試可以看出，樁土應(yīng)力比在不同時(shí)間不同荷載作用下是不同的，有如下的基本規(guī)律：

① 樁土應(yīng)力比隨著荷載的增加而增加。由于樁頂應(yīng)力持續(xù)增加，樁間土應(yīng)力基本維持不變，因此，樁土應(yīng)力比持續(xù)增加。

② 樁土應(yīng)力比隨時(shí)間的增加而增加。路基填筑完成后，路堤荷載不再變化，但實(shí)測樁間土應(yīng)力隨時(shí)間、沉降的進(jìn)行下降較快，樁間土平均應(yīng)力下降相對緩慢，樁頂應(yīng)力緩慢增加。

③ 樁土應(yīng)力比隨樁間距的增加而增加。填土高度相同情況下，樁凈間距越大，樁土應(yīng)力比越大。沉降穩(wěn)定后，0.6m凈間距CFG樁平均樁土應(yīng)力比小于凈間距為0.9m預(yù)應(yīng)力管樁。

④ 樁土荷載比隨時(shí)間、荷載的增加持續(xù)增加。CFG樁樁帽面積置換率為30.7%，預(yù)應(yīng)力管樁為34%。根據(jù)實(shí)測的應(yīng)力，路基填筑完成時(shí)CFG樁、預(yù)應(yīng)力管樁路肩范圍內(nèi)樁、土荷載比（樁帽面積承擔(dān)荷載與單位加固面積內(nèi)總荷載的比值，簡稱“荷載比”）為65%，路基填筑完成1年后分別達(dá)73%、90%。路基填筑完成1年后，CFG樁、預(yù)應(yīng)力管樁路堤全斷面荷載比分別為60%、82%，小于路肩范圍內(nèi)。可見邊坡范圍內(nèi)土拱作用效果弱些，樁間土相對承擔(dān)荷載更多，路肩范圍內(nèi)應(yīng)力集中現(xiàn)象更明顯，土拱作用更強(qiáng)。

綜上所述，路堤填筑期間，由于路堤“土拱效應(yīng)”的作用，路堤基底應(yīng)力分布樁頂應(yīng)力集中明顯，樁間土應(yīng)力較低，在垣壓期間，路堤應(yīng)力進(jìn)一步向樁頂集中，樁土應(yīng)力比、荷載比緩慢增長。填筑穩(wěn)定1年后，CFG樁平均樁土應(yīng)力比為35，預(yù)應(yīng)力管樁平均樁土應(yīng)力比在100～170之間，樁土荷載比在73%～90%之間，樁體承擔(dān)了大部分路堤荷載，樁間土平均應(yīng)力＜10kpa，樁間土承擔(dān)荷載較小，設(shè)計(jì)時(shí)按路堤荷載完全由樁承擔(dān)是偏于安全的，也是合理的。

參考文獻(xiàn)

[1] 余雷.路堤軟土地基加固試驗(yàn)研究報(bào)告, 2006.