PCC樁加固鐵路軟土地基現(xiàn)場試驗研究

劉漢龍 ，周 密 ，陳育民 ，謝松兵，孫宏林

（1. 河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點實驗室，南京 210098；2. 河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院，南京 210098；3. 中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，武漢 430063）

1 引 言

軟土地基處理方法很多，主要有樁基、水泥土攪拌樁、強夯法、真空預(yù)壓、超載預(yù)壓等。選擇軟土地基處理方法必須結(jié)合沉降控制標(biāo)準(zhǔn)、施工速度以及經(jīng)濟因素綜合考慮。水泥土攪拌樁、真空預(yù)壓、堆載預(yù)壓等不能快速加載，施工工期長，制約工程進度。樁基礎(chǔ)施工速度快，加固深度不受限制，適宜各種地質(zhì)條件，并且路基工后沉降容易控制。在軟土加固中使用樁網(wǎng)復(fù)合地基不僅可以發(fā)揮樁基的優(yōu)勢，而且可以有效利用天然地基承載力，擴大單樁加固范圍，降低成本。樁網(wǎng)復(fù)合地基的主要目的是將路堤荷載通過樁體傳遞至較硬的地層或者基巖，以減少路堤的沉降。該技術(shù)非常適合于必須快速填筑以及總沉降和不均勻沉降控制嚴(yán)格并且軟基下有堅硬持力層的地基。樁網(wǎng)復(fù)合地基是近年來發(fā)展起來的一種有效的處理軟土地基的方法，該方法成功地解決了鐵路路基工后沉降嚴(yán)格和施工周期短的兩大技術(shù)難題。目前PHC樁、CFG等樁型的樁網(wǎng)復(fù)合地基已經(jīng)在鐵路路基加固中大量使用[1－2]。

現(xiàn)澆混凝土大直徑管樁[3－4]（Cast-in-place concrete large-diameter pipe piles，以下簡稱PCC樁）是由河海大學(xué)劉漢龍等開發(fā)的一種新的地基處理技術(shù)，目前已獲得8項國家專利，并獲得中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布的國家級行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[5]。PCC樁樁徑大，混凝土用量省，可處理深層軟土地基。該技術(shù)具有施工實用性強、施工質(zhì)量控制方便、樁基檢測容易、加固效果好等優(yōu)點，特別是其單位加固面積綜合單價與水泥土攪拌樁的費用相仿，經(jīng)濟優(yōu)越性非常突出[6]。因此，采用 PCC樁樁-網(wǎng)復(fù)合地基對軟基進行加固具有顯著的沉降控制效果和明顯的經(jīng)濟優(yōu)越性。該樁具有剛性樁加固效果，而卻僅有柔性樁加固費用，因此，具有很大的推廣應(yīng)用價值。該技術(shù)目前已經(jīng)在江蘇、浙江和上海等地高速公路工程推廣應(yīng)用[7－10]。鐵路相對于公路對沉降控制以及路堤的穩(wěn)定性提出了更高的要求。高速公路工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)為30 cm[11]；對于鐵路，速度為200 km/h和250 km/h鐵路路基一般路段工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)分別為15 cm和10 cm[12]。鐵路特別是貨運鐵路線荷載相對于公路荷載較大，因此，其對地基的承載力有了更高的要求。并且鐵路一旦某段出問題后，會影響整個線路甚至整個鐵路系統(tǒng)的運營，造成的損失較大，因此，鐵路地基無論是對地基的承載力，還是沉降控制要求都比公路高。這對地基的加固提出了更高的要求。

此次PCC樁首次在鐵路上應(yīng)用，因此，有必要對 PCC樁加固鐵路地基的施工質(zhì)量、地基承載特性、地基沉降特性和沉降控制效果等內(nèi)容展開現(xiàn)場試驗研究，為PCC樁在鐵路路基加固處理的設(shè)計和應(yīng)用提供依據(jù)。

2 工程概況

2.1 地質(zhì)情況

試驗段工程位于南京市，工程名稱為南京南站聯(lián)絡(luò)線，設(shè)計時速為160 km/h，處理方式為PCC樁復(fù)合地基，標(biāo)段編號為L1XDK10+260～L1XDK10+610。PCC段加固區(qū)域中心段位于水塘上，打樁前先將水塘水抽干，并開挖表層淤泥換填工程建筑垃圾碎石土 1.5 m，使得打樁機械設(shè)備及工程車能在地基上運行而不至陷入地基中。經(jīng)沉降估算分析，工后沉降不滿足控制標(biāo)準(zhǔn)，地基需加固處理。該地基復(fù)合地基承載力特征值的設(shè)計要求為 180 kPa。K388斷面15 m以下和K560斷面11 m以下均為強風(fēng)化砂巖，為該地基的持力層；地表1.5 m為換填的建筑垃圾；換填層與持力層中間為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土。試驗段地基土的土體性質(zhì)如圖1所示。

圖1 土體性質(zhì)Fig.1 Soil properties

2.2 設(shè)計概況

PCC樁樁長為8～17 m，樁長以打穿軟土層為樁長設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。其中K388斷面樁長為16 m，K560斷面樁長為 10 m。PCC樁直徑為 1 m，壁厚為0.15 m，樁間距為2.5 m，三角形布置。由于此次是PCC樁首次在鐵路地基上使用，故使用了保守設(shè)計（最小樁間距s =2.5 m）和最大壁厚（t =0.15 m）以增加工程安全系數(shù)。

樁身和樁帽均使用C20素混凝土澆筑，圓形樁帽的直徑為 1.2 m，厚度為 0.2 m。樁帽上方鋪設(shè)0.6 m厚碎石墊層，墊層中間鋪設(shè)一層土工格柵，土工格柵屈服強度為180 MPa。

路堤高度為3 m，邊坡坡率1:1.75，坡腳設(shè)排水溝。路堤于2009年5月30正式填筑，2009年7月2日完成填筑。

2.3 現(xiàn)場檢測與監(jiān)測情況

為研究 PCC加固鐵路路基的變形特性及加固效果，開展了靜載試驗、開挖檢測和小應(yīng)變檢測，同時對 L1XDK10+388（以下簡稱為 K388）和L1XDK10+560（以下簡稱為 K560）兩個斷面進行了全斷面監(jiān)測。監(jiān)測內(nèi)容為：樁土壓力、孔隙水壓力、水平位移、表面沉降、分層沉降、土工格柵張力等。儀器布置見圖2所示。K388斷面和K560斷面布置形式完全一樣，僅孔壓計和分層沉降埋設(shè)深度依據(jù)加固區(qū)的深度不同而有所不同。其中樁A為路堤中心的PCC樁。現(xiàn)場監(jiān)測工作從2009年5月30日開始，直至2009年12月25日結(jié)束。

圖2 儀器布置剖面圖Fig.2 Layout of instrumentations

3 質(zhì)量檢測

3.1 低應(yīng)變檢測

低應(yīng)變動力測試技術(shù)主要是用彈性波測試檢查地基樁體的完整性及長度，并可檢查出樁體是否有裂縫、斷裂、泥土流入以及縮頸、擴頸等樁體等缺陷。該測試技術(shù)的優(yōu)點是：①測試方法簡便，儀器便于攜帶；②效率高，可在測試現(xiàn)場即時得知準(zhǔn)確的測試結(jié)果，根據(jù)測試現(xiàn)場所得出的測試曲線，便可得知樁體完整性的缺點和存在的問題以及樁體的長度；③測試結(jié)果準(zhǔn)確性高；④測試過程對周圍環(huán)境的干擾??；⑤測試成本較低。PCC樁檢測采用激振點和接受點成90o夾角以獲得最佳效果[13]。當(dāng)入射波在樁身段遇到裂隙時會發(fā)生明顯反射，表明該樁中間有斷樁而產(chǎn)生的裂隙，如沒有裂隙，波只會在樁底與土體的交界面上發(fā)生明顯反射[14]。檢測數(shù)量按10%比例控制。測試的典型波形如圖3所示，從檢測結(jié)果來看，本次低應(yīng)變試驗效果較好。由圖可知，測試波波速正常，樁身無明顯反射，樁底反射明顯，該測試表明，該PCC樁樁身無裂隙。測試結(jié)果表明基于合適的激發(fā)和接收裝置，采用低應(yīng)變檢測技術(shù)測試現(xiàn)澆大直徑管樁的施工質(zhì)量是可行的，檢測結(jié)果能較好地反映現(xiàn)澆大直徑管樁的施工質(zhì)量。

圖3 PCC樁低應(yīng)變檢測曲線Fig.3 Low strain test curve of PCC pile

3.2 靜載試驗

靜載試驗用以測試地基加固后的承載力。筆者對復(fù)合地基進行了現(xiàn)場檢測，荷載板尺寸為 2 m×2 m，靜載試驗所加荷載為1 440 kN，采用逐級等量加載；分級荷載為最大加載量的1/10，其中第1級取分級荷載的2倍，最大加載量不少于特征值的兩倍，每加一級荷載前后均讀樁頂沉降數(shù)。

試驗樁為現(xiàn)場隨機選擇，樁長為15 m。復(fù)合地基典型靜載試驗PS特征曲線如圖4所示。由荷載-沉降曲線可知，在達到預(yù)定荷載1 440 kN時，對應(yīng)的壓力荷載為360 kPa，為設(shè)計荷載180 kPa的兩倍。由圖4可知，荷載-沉降曲線呈緩變型，由此可見，試驗樁施加的荷載未達到極限荷載，充分保證了樁的承載力達到設(shè)計要求。由于PCC樁直徑大，樁土接觸面積大，側(cè)摩阻力比等截面的實心樁大，故該樁承載力大且經(jīng)濟。

3.3 開挖檢測

由于PCC樁直徑較大且內(nèi)部呈中空狀，因此，可采用人工將樁芯土挖除的方法對管樁的施工質(zhì)量進行檢測，現(xiàn)場開挖是檢測大直徑管樁質(zhì)量最直觀、最有效的方法。在人工將樁芯土挖除后可自上而下直接觀察混凝土樁身的完整性，該項工作應(yīng)在樁基施工完工14 d后進行，因開挖檢測費時、費力、同時還帶有一定的風(fēng)險，因此，應(yīng)適當(dāng)控制開挖檢測的數(shù)量，一般單個工程可開挖2～3根。美國土木工程樁基規(guī)范定義樁基不同于其他結(jié)構(gòu)的一個顯著特征是當(dāng)樁打入地基后，不能用常規(guī)的視覺方法去檢測其施工質(zhì)量[15]，PCC樁打破了這一傳統(tǒng)認(rèn)識，不同于其他樁基檢測的一個優(yōu)點是 PCC樁能直觀地開挖檢測。現(xiàn)場開挖檢測如圖5所示，由圖可見，本次施工的PCC樁內(nèi)外壁光滑，沒有斷樁、離析、縮徑等不良現(xiàn)象，施工質(zhì)量完好。

圖4 靜載試驗P-S曲線Fig.4 Static load test P-S curve

圖5 PCC樁施工后開挖檢測Fig.5 Excavation inspection after PCC pile construction

4 試驗結(jié)果分析

4.1 樁土荷載變化規(guī)律

K560與K388斷面的樁土應(yīng)力如圖6所示，樁土荷載分擔(dān)比如圖7所示。由應(yīng)力發(fā)展的規(guī)律大致可以分為4個階段：第1階段為填土初期，樁頂應(yīng)力等于樁間土應(yīng)力，該階段土拱未形成，由于樁間土的面積為樁頂面積的3.77倍，故荷載主要由土體承擔(dān)；第2階段，隨著填土的增加，土拱逐步形成，荷載從土體逐步轉(zhuǎn)移到樁頂，在第2階段結(jié)束時，樁頂應(yīng)力繼續(xù)大幅度增加，而樁間土應(yīng)力變化微小，說明此時土拱完全形成，路堤填土高度達到土拱臨界高度，該階段樁的荷載分擔(dān)比迅速增加，而土的荷載分擔(dān)比逐漸減??；第3階段土拱形成，填土高度大于土拱臨界高度，由于固結(jié)產(chǎn)生沉降，樁土荷載進一步調(diào)整，更多的荷載傳遞到樁頂，然后逐步趨于穩(wěn)定，樁的荷載分擔(dān)比進一步增加，土的荷載分擔(dān)比進一步減小，并最終趨于穩(wěn)定。填土完成后由于土體固結(jié)作用使得樁間土應(yīng)力減小，樁頂應(yīng)力增加的這一現(xiàn)象也在其他樁型復(fù)合地基通過現(xiàn)場試驗觀測到[16]；第4階段，樁頂和樁間土應(yīng)力穩(wěn)定、荷載分擔(dān)比穩(wěn)定。截至2009年12月25日監(jiān)測結(jié)束時，K388和K560兩斷面的樁頂應(yīng)力分布為127 kPa和125.6 kPa，樁間土應(yīng)力分別為27 kPa和25.4 kPa；K388斷面樁分擔(dān)荷載55%，土分擔(dān)荷載45%；K560斷面樁分擔(dān) 57%，土分擔(dān) 43% 。由樁間土應(yīng)力可知，土拱效應(yīng)將大部分荷載傳遞到樁頂，減小了樁間土受力。

Fig6 樁土應(yīng)力-時間關(guān)系曲線Fig.6 Stress of pile and soil vs. time curves

圖7 荷載分擔(dān)比-時間關(guān)系曲線Fig.7 Loading share ratio vs. time curves

4.2 沉降隨荷載時間變化規(guī)律

斷面K560與K388的樁頂和樁間土表面沉降分別如圖8、9所示。K560斷面（樁長為10 m）和K388斷面（樁長為16 m）的PCC樁均打入持力層，由圖8、9可知，PCC樁復(fù)合地基沉降特性大致可以分為4個階段：第1階段為填土初期，樁頂不發(fā)生沉降，樁間土緩慢沉降，樁土差異沉降等于土體沉降量，由于該階段沒形成土拱，樁承擔(dān)的荷載小，且樁打穿了軟土層，故基本沒有沉降；第2階段，隨著填土的增加，土拱逐步形成，荷載從土體逐步轉(zhuǎn)移到樁頂，該階段樁頂逐步緩慢沉降，樁間土沉降迅速發(fā)展，該階段樁頂沉降相對于樁間土沉降量很小，樁土差異沉降仍然近似等于樁間土沉降量；第3階段土拱形成，樁頂和樁間土沉降繼續(xù)發(fā)展，逐步以共同的速率沉降并逐步趨于穩(wěn)定，樁間土差異沉降逐漸趨于穩(wěn)定，加固區(qū)樁與樁間土將形成一個共同體整體承受荷載，整體下沉。由于該工地位于高架橋預(yù)制場附近，路堤填土完成后，重達130 t的運梁車將高架橋大跨度鋼筋混土預(yù)制梁從該工地運送到其他工地安裝，運梁車荷載產(chǎn)生的地基沉降也是該部分沉降的一部分；第4階段，沉降穩(wěn)定，樁土差異沉降穩(wěn)定。監(jiān)測結(jié)束時K388和K560斷面樁頂沉降分別為41 mm和27 mm，樁間土表面沉降分別為127 mm和100 mm。由圖8、9可知，沉降在填土結(jié)束后3個月內(nèi)穩(wěn)定。

圖8 K560斷面表面沉降-時間關(guān)系曲線Fig.8 Curves of surface settlement vs.time for section K560

圖9 K388斷面表面沉降-時間關(guān)系曲線Fig.9 Curves of surface settlement vs. time for section K388

4.3 沉降隨深度變化規(guī)律

斷面K560與K388的樁間土分層沉降分別如圖10、11所示。第1階段為填土初期，各個深度樁間土緩慢沉降；第2階段，隨著填土的增加，土拱逐步形成，表層樁間土沉降迅速發(fā)展，深層樁間土仍然發(fā)展緩慢；第3階段土拱形成，各層樁間土逐步以共同的速率沉降并趨于穩(wěn)定，各層樁間土的沉降差逐漸趨于穩(wěn)定；第4階段，沉降穩(wěn)定，各層樁間土沉降差穩(wěn)定。分層沉降與表面沉降有著良好的對應(yīng)關(guān)系，也驗證了沉降監(jiān)測的正確性。由圖10、11可知，加固區(qū)內(nèi)的樁間土在階段2和階段3逐漸與樁形成一個共同體，共同承擔(dān)荷載，在階段3的后期，樁土共同體形成，整體下沉，后期沉降主要為非加固區(qū)土體固結(jié)而產(chǎn)生的沉降。

圖10 K560斷面分層沉降-時間關(guān)系曲線Fig.10 Curves of layered settlement vs.time for section K560

圖11 K388斷面分層沉降-時間關(guān)系曲線Fig.11 Curves of layered settlement vs.time for section K388

4.4 超孔壓隨時間荷載變化規(guī)律

斷面K560與K388的樁間土超孔隙水壓力如圖12所示。第1階段為填土初期，加固區(qū)內(nèi)各個深度樁間土超孔壓緩慢增加；第2階段，隨著填土的增加，加固區(qū)內(nèi)超孔壓逐步達到最大值；第3階段，隨著固結(jié)的發(fā)展，加固區(qū)內(nèi)超孔壓逐步消散；第 4階段，超孔壓消散完成。由圖12可以知，最大超孔壓在填筑結(jié)束時出現(xiàn)，最大值為25 kPa。由孔壓消散圖可知，由于土拱作用，填土荷載大部分被傳遞到樁上，加固區(qū)最大超孔壓僅為25 kPa，并且填土完成后3個月基本消散。超孔壓的消散、樁土應(yīng)力和沉降變化有著較好的對應(yīng)關(guān)系，這也驗證監(jiān)測中沉降、土壓力以及超孔壓監(jiān)測結(jié)果的正確性。

圖12 超孔隙水壓力-時間變化曲線Fig.12 Excess pore water pressure vs. time curves

4.5 水平位移及土工格柵張力變化規(guī)律

從圖13、14可以看出，管樁加固區(qū)的最大水平位移量為13 mm，其中K560最大水平位移出現(xiàn)在地表以下4 m處，K388出現(xiàn)在地表以下5.5 m處。邊樁測得K560與K388斷面路堤坡腳處水平位移分別為11 mm和10 mm，與圖13、14最頂層的水平位移吻合較好。由邊樁位移和地基沿深度的水平位移圖可知，管樁由于其剛度較大所形成的復(fù)合地基可較好地限制路基的側(cè)向變形，路基穩(wěn)定性高，不會產(chǎn)生橋臺、路基滑移現(xiàn)象。水平荷載試驗表明，單樁壁厚12 cm，樁徑1 m的PCC樁能抵抗80 kN的水平荷載[17]。與等截面積圓形實心混凝土樁相比[18]，在同等荷載條件下，PCC樁的最大水平位移約為圓樁的1/3，較大幅度地減小路基的側(cè)向變形，提高了穩(wěn)定性。土工格柵張力由柔性位移計的變形率結(jié)合土工格柵的抗拉材料屬性計算獲得。土工格柵張力在第1階段和第2階段迅速發(fā)展，在第3階段末達到最大值，其最大張力為12.1 kN，遠(yuǎn)小于格柵能承受的最大張力216 kN。水平位移的觀測結(jié)果表明，現(xiàn)澆大直徑管樁復(fù)合地基軟基處理方法非常好地控制了地基及路堤的側(cè)向變形，確保了路基的穩(wěn)定性，可以適應(yīng)快速施工的要求。

圖13 K560斷面水平位移-深度變化曲線Fig.13 Curves of lateral displacement vs.depth for section K560

圖14 K388斷面水平位移-深度變化曲線Fig.14 Curves of lateral displacement vs.depth for section K388

5 結(jié) 論

（1）現(xiàn)場檢測表明：PCC樁靜載荷試驗表明，直徑為1 m，樁長為15 m的PCC樁復(fù)合地基的承載力為1 440 kN，滿足了該鐵路設(shè)計承載力要求。低應(yīng)變檢測結(jié)果表明，基于合適的擊發(fā)和接收裝置，采用小應(yīng)變動測技術(shù)測試 PCC樁的施工質(zhì)量是可行的，檢測結(jié)果能較好地反映現(xiàn)澆大直徑管樁的施工質(zhì)量。開挖檢測表明，施工的PCC樁內(nèi)外壁光滑完整、沒有斷樁、離析、夾泥、凹陷、縮徑等不良現(xiàn)象，施工質(zhì)量較好。

（2）PCC樁樁網(wǎng)復(fù)合地基加固鐵路路基沉降穩(wěn)定快，路堤填筑結(jié)束后3個月可以達到穩(wěn)定，滿足了鐵路路基快速施工的要求。

（3）現(xiàn)場加固試驗區(qū)的觀測結(jié)果表明，對于3 m高的路堤，最大沉降為12.7 cm，路堤填土結(jié)束后，經(jīng)過 3個月，沉降達到了穩(wěn)定。最大水平位移為13 mm，表明有PCC樁復(fù)合地基具有很好的抵抗水平變形的能力?，F(xiàn)場加固試驗區(qū)的觀測結(jié)果還表明，15 cm的壁厚充分滿足了鐵路軟基處理的承載力及管樁施工的工藝性要求，具有較好的經(jīng)濟性；現(xiàn)場深層水平和邊樁位移觀測數(shù)據(jù)表明，經(jīng)現(xiàn)澆大直徑管樁加固后的地基承載力高，具有很好的抵抗水平位移的能力，路基穩(wěn)定性得到了很大的提高，路堤填筑過程中不存在失穩(wěn)問題。

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