軟土路基樁筏基礎土受力測試分析

郭堅鴿

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢 430063)

高速鐵路路基要求一般地段的工后沉降不大于15 mm［1］。實踐證明［2］，采用高黏結(jié)強度剛性樁復合地基，可有效減少地基總沉降并控制地基工后沉降。但對于低矮軟土路基，其填高小于基床厚，實測資料表明［3，4］，列車動載的影響度可達樁頂墊層以下，由于樁－土的剛度差異，采用樁網(wǎng)復合地基，易產(chǎn)生樁土不均勻沉降和累計塑性變形，形成路基病害，俗稱“蘑菇式”路基，無法保證路基長期使用性能。

因此，為充分發(fā)揮剛性樁樁身豎向承載，有效控制工后沉降并保證路基長期動力穩(wěn)定性［5］，參照工民建專業(yè)“減沉復合樁基”的研究成果［6］，在某低矮軟土路基設計中采用了樁筏基礎方案。結(jié)合工程建設，開展了典型工點樁土受力測試，分析樁土受力特征，揭示樁土相互作用機理，以期提出適用于高速鐵路路基荷載特點的設計計算方法，為工程設計和推廣應用提供依據(jù)。

1 工程方案與測試方案［7］

1.1 地基條件

試驗工點位于某高速鐵路長江高階地坳谷區(qū)，地形略有起伏。地基土表層為粉質(zhì)黏土硬殼層，可塑狀;下為第四系全新統(tǒng)沖積淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，軟—流塑，屬“軟土地基”;其下為第四系上更新統(tǒng)沖積黏土層，硬塑，中－低壓縮性;下伏花崗閃長巖。地下水位埋深0.5m，地基土主要物理力學參數(shù)平均值見表1。

表1 地基土物理力學指標

1.2 樁筏基礎設計方案

路基填高2.2～3.4m，動荷載影響區(qū)采用CFG樁筏基礎，見圖1。CFG樁樁體軸心抗壓強度設計值11.9 MPa，樁徑0.5m，樁長9～17m，穿透軟土至硬塑土不小于1.5m;CFG樁正方形布置，筏板下方樁間距2.4m，筏板外側(cè)樁間距1.8m。C30鋼筋混凝土筏板厚度0.5m，縱向單元板長度16.8m;板底鋪設0.2m厚碎石墊層;筏板外側(cè)CFG樁頂鋪設0.7m厚碎石褥墊層，內(nèi)鋪一層高強土工格柵。為消除縱向差異沉降，在基床底層表面進行堆載預壓，預壓填土高于基床表層表面3.0m，預壓期不少于6個月。

圖1 CFG樁筏基礎結(jié)構(gòu)示意

1.3 測試方案

為測試樁土受力特性，在筏板頂部和底部埋設土壓力盒。頂部土壓力盒埋設于筏板上方和筏板外側(cè)碎石墊層頂部，底部土壓力盒分別埋設于樁頂、樁間土處。

2 樁土受力測試分析

2.1 樁頂填土荷載

CFG樁采用長螺旋鉆孔內(nèi)泵壓法施工，養(yǎng)護28 d后，在樁頂鋪設碎石墊層并澆筑筏板，筏板養(yǎng)護至大于設計強度70%后，開始逐層填土至路肩高程，施加預壓荷載后總荷載達121.2 kPa。

測試數(shù)據(jù)表明，測試斷面筏板頂部土壓力均呈階梯式增長，在路基填筑與超載預壓過程中，測試曲線與理論計算土壓力增減趨勢一致，路基填筑、超載預壓完畢后，曲線趨于平緩。預壓期間筏板頂部土壓力值在40 kPa至95 kPa之間，略小于理論計算填土荷載。分析認為，主要是由于路堤本體和預壓土雙層結(jié)構(gòu)，路堤本體壓實度很高，可視為預壓土基礎對預壓土荷載有擴散作用所致。

2.2 筏底樁頂與樁間土應力測試分析

不同部位樁頂應力隨路基填筑的變化曲線見圖2。由圖2可知，土壓力隨著筏板澆筑、路基填筑與超載預壓等上部荷載施加，呈相同的增長規(guī)律，加荷速率較大時，土壓力增長亦較快，荷載穩(wěn)定后土壓力逐步趨于平緩。測試期間，筏板邊緣處T1－5土壓力最大，卸載前高達1 650 kPa。

圖2 樁頂應力—時間—荷載變化曲線

樁間土壓力隨路基填筑的變化曲線如圖3所示。由圖3可知，樁間土土壓力增長趨勢與樁頂類似，隨著路基填筑，土壓力均逐漸增加;但荷載穩(wěn)定后，土壓力逐步減少至平穩(wěn)，分析認為主要是地基土固結(jié)變形與筏板－墊層應力調(diào)整所致。卸載后樁間土壓力明顯減小，卸載前路基中心位置處樁間土壓力最大，為54 kPa;筏板外側(cè)的樁間土壓力最小，為22 kPa;橫向上表現(xiàn)為中間大、邊緣小的特征。橫向?qū)恢?，四樁之間形心土壓力大于兩樁之間土壓力，平均比值約為1.4倍。

2.3 樁土應力比分析

由樁頂應力和樁間土應力可求得筏板以下樁土應力比。測試數(shù)據(jù)表明:筏底各處樁土應力比隨荷載的增加而增大，加荷速率大時樁土應力比增長較快，在荷載穩(wěn)定后仍有所增長，表明荷載穩(wěn)定后，樁土之間的應力調(diào)整要滯后一段時間。荷載穩(wěn)定后平均樁土應力比為32。超載期間，筏板邊緣處樁土應力比最大達58，中樁處為26，樁的承載能力發(fā)揮效果與樁所在位置密切相關。

卸載期間，樁土應力比隨之減小，筏板下再次發(fā)生應力重新分配。從全過程看，樁土應力存在反復調(diào)整、協(xié)調(diào)過程，卸載后樁土應力比平均約為23。樁土應力比沿路基橫向呈現(xiàn)明顯的“駝峰形”特征，與剛性板載荷試驗中塑性區(qū)出現(xiàn)前的應力分布曲線一致。

3 樁筏結(jié)構(gòu)整體受力分析

3.1 樁土應力比與地基沉降的關系

樁土應力比與樁間土沉降的對應關系見圖4。由圖4可知，樁土應力比隨沉降的增大而增加。路堤填筑期間，沉降曲線較陡，此階段樁及樁間土在荷載作用下，均有向下變形的趨勢，而由于樁與樁間土因支撐剛度不同產(chǎn)生相對變形，樁側(cè)摩阻力迅速增大，樁產(chǎn)生的變形量遠小于樁間土，樁土應力比迅速增大。

超載預壓期間，在樁與樁間土共同支撐作用下，因綜合剛度進一步提高，樁土沉降差緩慢增大，樁土應力比也略有增長，表明對應上部荷載，基礎綜合剛度已足夠大，抗變形能力較高，這種結(jié)構(gòu)形式，預壓對消除工后沉降貢獻有限;卸載后，沉降有微小反彈，樁土應力比減小幅度較大，這是因為荷載減小后，處于“準彈性”狀態(tài)的樁間土應力解除后樁頂應力減少幅度大于樁間土應力。卸載一段時間后，沉降趨于穩(wěn)定，樁土應力比亦趨于穩(wěn)定。

圖4 筏底平均樁土應力比—沉降對比曲線

3.2 樁土荷載分擔比分析

通過面積置換率和樁土應力比可分析樁筏結(jié)構(gòu)的荷載分擔情況，樁土荷載分擔比隨著路基填筑的變化曲線見圖5。

圖5 筏底樁土荷載分擔比—時間—荷載變化曲線

筏板澆筑期，荷載較小，因面積置換率僅有3.4%，樁間土承擔了絕大部分荷載。隨著荷載的增加，樁頂逐漸刺入褥墊層，樁承擔的荷載比例迅速增加，荷載逐漸向樁身轉(zhuǎn)移。在填土間歇期間，樁承擔荷載的增幅減小;卸除預壓土后，樁間土承擔的荷載比例有所增加，而樁承擔的荷載比例有所減小。預壓期間樁體荷載承擔比例最大為51%，卸載后降低至40%，表現(xiàn)出了樁土共同承擔荷載的特性。根據(jù)樁土荷載承擔比例，可以確定樁基設計方法，按試驗工點條件筏板下CFG承擔荷載可取路堤荷載的50%左右，據(jù)此進行樁基承載力設計。

4 結(jié)論

(1)無砟軌道高速鐵路低矮軟土路基采用樁筏基礎方案，可有效控制工后沉降并保證其長期動力穩(wěn)定性。

(2)樁筏基礎可充分發(fā)揮樁體豎向承載大的優(yōu)勢，樁土應力比最高達58，最終穩(wěn)定在23～32左右，是較一般剛性樁復合地基更為經(jīng)濟的一種地基處理方案。

(3)由荷載分擔分析可知，盡管面積置換率僅為3.4%，樁承擔的荷載約占40%，考慮安全冗余，工程設計時，可按上部荷載標準組合的50%進行樁基設計，且同時要滿足沉降控制驗算的要求。

(4)從樁土相互作用機理分析，伴隨加荷全過程，有別于樁基礎，結(jié)構(gòu)內(nèi)部樁土應力一直處于強烈調(diào)整狀態(tài)，至荷載穩(wěn)定后3個月，才逐漸趨于穩(wěn)定;對無砟軌道軟土路基，填筑至路基面放置3個月以上，從實現(xiàn)工后沉降控制的角度是必要的。

［1］TB10621—2009 高速鐵路設計規(guī)范(試行)［S］

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［6］楊敏，侯學淵．軟土地基按沉降控制設計理論與實踐［M］．上海:同濟大學出版社，1996

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［8］TB10012—2001 鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范［S］

［9］TB10102—2004 鐵路工程土工試驗規(guī)程［S］

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