京滬高速鐵路鳳陽(yáng)試驗(yàn)段載荷試驗(yàn)研究

高 峰

京滬高速鐵路采用無(wú)砟軌道技術(shù),對(duì)軌下路基的要求非常嚴(yán)格,因此常常采用CFG樁復(fù)合地基進(jìn)行基底處理,使工后沉降能滿足無(wú)砟軌道后期運(yùn)營(yíng)要求。而CFG樁質(zhì)量和復(fù)合地基的承載能力將是保證這種地基處理方式正常工作的保障。論文以京滬高速鐵路鳳陽(yáng)試驗(yàn)段載荷試驗(yàn)為研究對(duì)象,進(jìn)行了不同地基處理方式下的對(duì)比分析。

1 工程基本條件

1.1 工程地質(zhì)條件

試驗(yàn)工點(diǎn)區(qū)上覆風(fēng)化土屬第四系全新統(tǒng)沖積層,下伏基巖為元古界五河群峰山李組角閃巖,地層巖性敘述如下:①-1黏土(Qa13),厚5.4 m～7.6 m,w=25.44%,γ=19.1 kN/m3,e=0.82,Cu=37.3 kPa,φu=20.44°,av=0.35,Es0.1-0.2=6.02 MPa,Ps=0.4 MPa～3.2MPa,σ=160 kPa;①-2黏土(Qa13),厚4.9 m～8.95m,w=22.67%,γ=20.1 kN/m3,e=0.67,Cu=75.6 kPa,φu=27.3°,av=0.19,Es0.1-0.2=9.69 MPa,Ps=2.2MPa～6.6MPa,σ=200 kPa;②-1全風(fēng)化角閃巖(Pt1z),厚2.5 m～6.5m;②-2強(qiáng)風(fēng)化角閃巖(Pt1z),厚0m～3.6m。試驗(yàn)工點(diǎn)地下水較發(fā)育,埋深約0.1 m～0.8m,屬孔隙潛水,無(wú)侵蝕性,主要受大氣降水及地表水補(bǔ)給。

1.2 試驗(yàn)段設(shè)計(jì)方案

為比較不同設(shè)計(jì)參數(shù)條件下復(fù)合地基的優(yōu)劣性,復(fù)合地基分成四個(gè)區(qū)(A～D區(qū)),A,B和C區(qū)為CFG樁帽結(jié)構(gòu),D區(qū)CFG樁筏結(jié)構(gòu);工點(diǎn)設(shè)計(jì)方案見表1。

表1 鳳陽(yáng)試驗(yàn)段復(fù)合地基設(shè)計(jì)方案m

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究

現(xiàn)場(chǎng)采用單樁承載力試驗(yàn)和單樁復(fù)合地基載荷試驗(yàn),確定復(fù)合地基的承載力狀況。通過(guò)對(duì)載荷試驗(yàn)過(guò)程中在樁頂與樁間土埋設(shè)土壓力盒應(yīng)力的分析,確定復(fù)合地基中樁土荷載分擔(dān)特性。

單樁和單樁復(fù)合地基載荷均采用慢速維持荷載法。由千斤頂、油泵、反力大梁、配重鐵塊組成反力系統(tǒng)。試驗(yàn)儀器設(shè)備包括武漢巖海公司研制生產(chǎn)的RS-JYC樁基靜載荷測(cè)試分析系統(tǒng)、電子數(shù)顯位移傳感器(精度0.01mm)、QY500-20C試驗(yàn)專用千斤頂(雙油路)、靜載試驗(yàn)反力裝置和高壓油泵加壓系統(tǒng)等。

1)單樁試驗(yàn)加載方式。在受檢樁上安放荷載板,將液壓千斤頂置于荷載板上,千斤頂中心、荷載板中心與受檢樁中心三者處于同一縱軸上,通過(guò)高壓油泵和壓力表控制加載,壓重平臺(tái)提供反力,由固定在基準(zhǔn)梁上的百分表量測(cè)受檢樁的沉降量。

2)單樁承載力確定標(biāo)準(zhǔn)。單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)主要依據(jù)JGJ 106-2003建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范要求進(jìn)行,采用慢速維持荷載方法。

3)單樁復(fù)合地基載荷試驗(yàn)加荷方式。試驗(yàn)主要依據(jù)JGJ 79-2002建筑地基處理技術(shù)規(guī)范要求進(jìn)行。

4)單樁復(fù)合地基承載力特征值確定標(biāo)準(zhǔn):a.當(dāng)壓力—沉降曲線上極限荷載能確定,而其值不小于對(duì)應(yīng)比例界限的2倍時(shí),可取比例界限;當(dāng)其值小于對(duì)應(yīng)比例界限的2倍時(shí),可取極限荷載的一半;b.當(dāng)壓力—沉降曲線是平緩的光滑曲線時(shí),可按相對(duì)變形值確定:對(duì)水泥粉煤灰碎石或夯實(shí)水泥土樁復(fù)合地基,當(dāng)以卵石、圓礫、密實(shí)粗中砂為主的地基,可取s/b或s/d等于0.008所對(duì)應(yīng)的壓力;當(dāng)以黏性土、粉土為主的地基,可取s/b或s/d等于0.01對(duì)應(yīng)的壓力。對(duì)有經(jīng)驗(yàn)的地區(qū),也可按當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)確定相對(duì)變形值。按相對(duì)變形值確定的承載力特征值不應(yīng)大于最大加載壓力的一半。

5)樁土荷載分擔(dān)和承載力發(fā)揮系數(shù)試驗(yàn)。載荷試驗(yàn)同時(shí)對(duì)樁土分擔(dān)情況進(jìn)行分析,研究載荷過(guò)程中樁土應(yīng)力比和樁土荷載分擔(dān)情況,分別在樁頂和樁間土中埋設(shè)土壓力盒。數(shù)據(jù)采集用振弦式頻率測(cè)試儀進(jìn)行記錄,采集時(shí)間、頻率與載荷試驗(yàn)過(guò)程中變形觀測(cè)記錄一致。

3 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)試驗(yàn)成果分析

3.1 單樁載荷試驗(yàn)

本次單樁靜載荷試驗(yàn)完成四根樁,分別為1號(hào),4號(hào),6號(hào),10號(hào)的CFG試樁。選取代表性樁繪制出試驗(yàn)樁的Q—s曲線,如圖1所示。

從圖1可見,試驗(yàn)樁的Q—s曲線加載至1 540 kN時(shí)基本呈緩變形狀;Q—s曲線加載至1 680 kN時(shí)出現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)。依據(jù)規(guī)范規(guī)定,單樁極限承載力可取為1 540 kN,對(duì)應(yīng)的沉降量為5.87mm;則單樁的承載力特征值為770 kN,對(duì)應(yīng)的沉降量為1.88mm。

經(jīng)對(duì)試驗(yàn)樁數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和計(jì)算,將其極限承載力和相應(yīng)的承載力特征值匯總,如表2所示。

表2 試驗(yàn)段單樁載荷試驗(yàn)承載力取值表

從表2可見,樁徑為0.5 m樁長(zhǎng)分別為12m和10m時(shí)單樁極限承載力分別為1 820 kN,1 540 kN,樁徑為0.4m樁長(zhǎng)分別為12 m和9m時(shí)單樁極限承載力分別為1 260 kN,1 120 kN。同一直徑的承載力特征值隨著樁長(zhǎng)增大而增大;同一樁長(zhǎng),隨著樁徑增大而增大。

最大加載量所對(duì)應(yīng)的沉降量較大,最小值也達(dá)到46mm以上;極限承載力所對(duì)應(yīng)的沉降量都在15mm以內(nèi),最大值接近14mm;承載力特征值所對(duì)應(yīng)的沉降量更小,最大值才接近4mm。這說(shuō)明設(shè)計(jì)單樁承載力控制在試驗(yàn)樁的承載力特征值范圍內(nèi),可滿足高速鐵路所要求的沉降控制要求。

3.2 復(fù)合地基載荷試驗(yàn)

試驗(yàn)段共完成單樁復(fù)合地基載荷試驗(yàn)13處,A區(qū)樁號(hào)分別為34-M,41-M和49-M,B區(qū)分別為57-M,65-M,C區(qū)分別為178-L,185-L和193-L,D區(qū)分別為219-K,225-M和233-K。選取代表性樁233-K的復(fù)合地基載荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線,繪制如圖2所示。

從圖2可見,233-K樁復(fù)合地基的最終沉降量分別為19.15mm,289 kPa時(shí)對(duì)應(yīng)的沉降量分別為1.58mm,對(duì)應(yīng)的s/b值均小于0.01。故復(fù)合地基承載力特征值不小于最終加荷值的一半,按曲線延伸變化趨勢(shì),最終確定233-K樁復(fù)合地基的承載力特征值應(yīng)為340 kPa。其值大于相應(yīng)復(fù)合地基承載力設(shè)計(jì)值,說(shuō)明承載力特征值滿足施工設(shè)計(jì)承載要求,并存在提高承載力、控制沉降變形的發(fā)揮潛力。

經(jīng)對(duì)復(fù)合地基載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析,將其復(fù)合地基載荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總,將各區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)比較分析,如圖3所示。

從圖3可見,隨著施加荷載增加,沉降變形增大。荷載300 kPa之前,A區(qū)和B區(qū)的沉降變形量的差異性不明顯,C區(qū)和D區(qū)的沉降變形量的差異性不明顯;荷載300 kPa～400 kPa范圍內(nèi)時(shí),A區(qū),B區(qū)和C區(qū)的結(jié)構(gòu)形式對(duì)沉降控制較好,D區(qū)結(jié)構(gòu)形式對(duì)沉降控制較差;荷載400 kPa之后,各種結(jié)構(gòu)形式對(duì)沉降控制都較差,但B區(qū)對(duì)沉降控制相對(duì)較好些。從A,B,C和D區(qū)綜合來(lái)看,在以沉降變形控制為主的CFG樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)過(guò)程中,單純依靠加長(zhǎng)CFG樁樁長(zhǎng),并不是提高CFG樁復(fù)合地基承載力的最有效的辦法。要考慮到樁徑、樁身強(qiáng)度對(duì)復(fù)合地基承載力的影響,以及復(fù)合地基載荷試驗(yàn)承壓板影響深度的有限性。在承載力沒有充分發(fā)揮的情況下,可適當(dāng)增加樁間距或減小樁徑,即為減小復(fù)合地基置換率。

4 結(jié)語(yǔ)

1)同一直徑的單樁承載力特征值隨著樁長(zhǎng)增大而增大,同時(shí),在同一樁長(zhǎng)的條件下,單樁承載力隨著樁徑增大而增大。2)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的抽樣試驗(yàn),設(shè)計(jì)CFG樁都在承載力特征值范圍內(nèi),可滿足高速鐵路所要求的承載力要求。3)復(fù)合地基承載力特征值能滿足施工設(shè)計(jì)要求,并存在承載力發(fā)揮的潛力。

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