樁筏復(fù)合結(jié)構(gòu)加固高速鐵路深厚軟基長期性狀的現(xiàn)場試驗(yàn)研究

付貴海，魏麗敏，鄧宗偉，蔣建清

樁筏復(fù)合結(jié)構(gòu)加固高速鐵路深厚軟基長期性狀的現(xiàn)場試驗(yàn)研究

付貴海1, 2，魏麗敏1，鄧宗偉2，蔣建清2

(1. 中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長沙，410075；2 湖南城市學(xué)院土木工程學(xué)院，湖南益陽，413000)

結(jié)合杭甬高速鐵路上虞北站深厚軟土地基處理加固工程，開展典型路基斷面樁筏復(fù)合結(jié)構(gòu)長期工作特性的現(xiàn)場試驗(yàn)研究，測試獲得筏板變形、地基沉降、樁頂反力、筏板鋼筋應(yīng)力及筏板下土壓力隨時(shí)間的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明：樁筏復(fù)合結(jié)構(gòu)可以滿足深厚軟基高鐵無砟軌道工后沉降控制要求；筏板沉降沿路基橫向呈現(xiàn)中心大、邊緣小的分布形式，樁頂反力則沿筏板橫向呈邊緣大、中間小的馬鞍形分布；鋪軌6月后，筏板的累計(jì)工后沉降僅為0.48 mm，邊緣處樁頂反力約為平均樁頂荷載的1.41倍、中心處樁頂反力約為平均樁頂荷載的0.75倍；筏板與其下的地基之間存在接觸壓力，且沿筏板橫向呈拋物線型分布，大約承擔(dān) 30%上部荷載。

高速鐵路路基；樁筏復(fù)合結(jié)構(gòu)；軟土地基；現(xiàn)場試驗(yàn)

隨著無砟軌道在高速鐵路中的廣泛應(yīng)用，高速鐵路路基工程的工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)越來越嚴(yán)格，路基加固形式不斷革新，樁網(wǎng)復(fù)合地基法[1?4]、樁筏復(fù)合地基法[5?9]、樁板結(jié)構(gòu)法[10?12]、樁筏復(fù)合結(jié)構(gòu)法[13]等新型加固方法在高速鐵路深厚軟土地基加固工程中得到應(yīng)用，并取得了較好效果。高速鐵路路基中的樁筏復(fù)合結(jié)構(gòu)相當(dāng)于建筑工程中的樁筏基礎(chǔ)，于2009年被首次應(yīng)用于杭甬高速鐵路路基加固工程。相比于上述其他方法，樁筏復(fù)合結(jié)構(gòu)由于采用樁頂與筏板錨固連接的形式，具有承載力高、剛度大、整體性好及沉降小的特點(diǎn)，對于深度超過30 m的軟土，采用樁筏復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固更為合適。近年來，國內(nèi)外研究者針對樁筏復(fù)合結(jié)構(gòu)在建筑基礎(chǔ)工程中的受力變形機(jī)制進(jìn)行研究，取得了一些研究成果[14?18]，加深了對樁筏復(fù)合結(jié)構(gòu)的認(rèn)識。但是，建筑荷載屬于剛性荷載，路堤荷載屬于柔性荷載，由于荷載形式不同，樁筏復(fù)合結(jié)構(gòu)的受力、變形規(guī)律也可能有所不同。在鐵路路基工程中，有關(guān)樁筏復(fù)合結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場試驗(yàn)及研究成果的報(bào)道相對較少[19?20]，樁筏復(fù)合結(jié)構(gòu)在高速鐵路軟基加固中的受力變形機(jī)制尚不清楚，也沒有相關(guān)經(jīng)驗(yàn)可供參考；傳統(tǒng)的樁筏基礎(chǔ)或橋梁工程中低樁承臺的設(shè)計(jì)方法偏于保守，造成物力和人力資源的浪費(fèi)，因此，開展樁筏復(fù)合結(jié)構(gòu)加固深厚軟基工作性狀的現(xiàn)場試驗(yàn)研究顯得十分必要。本文作者結(jié)合杭甬高速鐵路上虞北站深厚軟基加固工程，開展典型路基斷面樁筏復(fù)合結(jié)構(gòu)長期工作特性的現(xiàn)場試驗(yàn)研究，測得不同施工階段的筏板變形、地基沉降、樁頂反力、筏板內(nèi)鋼筋應(yīng)力及筏板下土壓力隨時(shí)間的變化規(guī)律，探討樁筏復(fù)合結(jié)構(gòu)加固深厚軟土地基的工作機(jī)理和控制沉降的效果，以便為優(yōu)化其設(shè)計(jì)參數(shù)提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 地形地質(zhì)條件

試驗(yàn)工點(diǎn)位于杭甬高速鐵路上虞北站段DK72+898.52~DK74+400，地處苗圃區(qū)，其地形地貌為濱海平原區(qū)，地勢平坦、開闊，分布深厚淤泥質(zhì)黏土，地面高程4.0~5.1 m。地表水主要為池塘水和溝渠水；地下水以第四系孔隙潛水為主，埋深0.5~2.5 m，其補(bǔ)給來源主要是大氣降水及地表水。地表水和地下水均對混凝土結(jié)構(gòu)無侵蝕性。主要地基土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)段地基采用樁筏復(fù)合結(jié)構(gòu)加固, 樁間距2.5 m，樁徑0.5 m，PHC管樁樁長43~47 m，樁端嵌入細(xì)圓礫土層，按正方形布置。樁筏復(fù)合結(jié)構(gòu)筏板厚0.5 m，采用C30鋼筋混凝土澆筑，其底部鋪設(shè)0.1 m厚的 C15混凝土。沿線路縱向每塊筏板長14.98 m，2塊筏板之間設(shè)伸縮縫，縫內(nèi)用瀝青麻筋填塞。

根據(jù)地質(zhì)條件現(xiàn)場選取DK73+795斷面埋設(shè)元件，主要測試內(nèi)容為：筏板沉降、地基沉降、樁頂反力、筏板應(yīng)力、筏板下土壓力、管樁樁身壓縮、地基側(cè)向位移等。監(jiān)測斷面測試元件布置如圖1所示，筏板鋼筋計(jì)布置示意圖如圖2所示，其中，SCG代表混凝土應(yīng)變計(jì)，SEP代表土壓力盒，SSC代表埋沒在筏板部位的單點(diǎn)沉降計(jì)，RSC代表埋沒在樁筏單元部位的單點(diǎn)沉降計(jì)，RGB代表鋼筋計(jì)。

表1 地基土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

單位：m

單位：m

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 筏板沉降

將編號分別為SSC2-1，SSC2-2和SSC2-3的3個(gè)單點(diǎn)沉降計(jì)的法蘭盤置于筏板頂面，錨頭位于(3)4細(xì)圓礫土層，如圖1所示。圖3所示為監(jiān)測斷面路堤填筑開始后約470 d的筏板頂面實(shí)測沉降隨荷載及時(shí)間的變化曲線。

由圖3可見：隨著路堤填筑高度的增加，筏板沉降逐漸增大；當(dāng)荷載基本保持不變時(shí)，筏板沉降曲線變緩，沉降速率變??；在堆載預(yù)壓期，隨著堆載的快速增加，筏板沉降又顯著增大；堆載完成后，筏板上荷載保持不變，沉降速率也逐漸減?。欢演d卸載后，測試結(jié)果顯示筏板有少量回彈，然后沉降又緩慢增大；路床表層及軌道板開始施工期，筏板沉降速率有所增加；施工結(jié)束后，沉降趨于穩(wěn)定。監(jiān)測期筏板總的平均沉降為6.08 mm，鋪軌6月后整個(gè)筏板工后平均沉降為0.48 mm。文獻(xiàn)[20]也給出了其他17個(gè)上虞北站樁筏復(fù)合結(jié)構(gòu)沉降監(jiān)測點(diǎn)的工后12月沉降量，數(shù)值為?0.89~6.54 mm，其中，工后沉降量在0~3 mm的監(jiān)測點(diǎn)占94%。以上監(jiān)測數(shù)據(jù)說明樁筏復(fù)合結(jié)構(gòu)能夠有效控制深厚軟土地基總沉降及工后沉降。

1—SSC2-1；2—SSC2-2；3—SSC2-3

與監(jiān)測斷面單點(diǎn)沉降計(jì)SSC2-2進(jìn)行對比的沉降板埋設(shè)在DK73+800斷面，兩斷面相距5 m，二者地基處理形式與填筑高度均相同，2種不同測試元件所測得筏板沉降量如圖4所示。圖5所示為監(jiān)測斷面1/2筏板頂面沉降沿筏板橫向分布。

由圖4可見：雖然單點(diǎn)沉降計(jì)所測的筏板沉降量僅在路堤填筑的前半段及堆載卸載之后的一段時(shí)間內(nèi)與沉降板所測數(shù)據(jù)比較接近；在其他時(shí)間段，前者的所測得沉降值均大于后者，但2種測試元件所測得的筏板沉降發(fā)展趨勢基本一致。由圖5可見：堆載預(yù)壓施工完成之后，筏板中點(diǎn)沉降依然最大，其次為距筏板中心8.35 m處，距筏板中心13.75 m處沉降最?。欢演d預(yù)壓施工完成后第127天，實(shí)測筏板中點(diǎn)沉降量為6.63 mm，距筏板中心13.75 m處筏板沉降量為4.32 mm，沉降差為2.31 mm，表明筏板沉降沿路基橫向中心處最大，筏板邊緣處最小，整個(gè)筏板沉降呈蝶形分布。

2.2 地基沉降

為測試筏板下地基土的分層沉降情況，將3個(gè)單點(diǎn)沉降計(jì)布置在路基中心，其法蘭盤位于筏板的墊層下，其中SSC2-4和SSC2-5的錨頭分別位于地基土層的第1層((1)粉土)和第2層((1)3淤泥質(zhì)黏土層)的底部，SSC2-6的錨頭位于樁端以下0.5 m左右，這3個(gè)單點(diǎn)沉降計(jì)主要用于監(jiān)測筏板下地基土的分層沉降。另外3個(gè)單點(diǎn)沉降計(jì)的法蘭盤位于筏板頂面，主要用于監(jiān)測筏板的沉降。地基土分層沉降測試結(jié)果如圖6所示。

1—沉降板；2—單點(diǎn)沉降計(jì)

時(shí)間/d：1—39；2—107；3—259；4—372；5—470。

由圖6可見：不同厚度的地基土層沉降發(fā)展規(guī)律基本相同。在鋪軌施工結(jié)束時(shí)，SSC2-4，SSC2-5和SSC2-6單點(diǎn)沉降計(jì)測得的沉降分別為3.16，5.65，6.85 mm，SSC2-5測得的沉降值與SSC2-4和SSC2-6測得的沉降值的差值分別為2.49，1.20 mm，可見SSC2-5 單點(diǎn)沉降計(jì)測得的沉降與SSC2-6的接近，而與SSC2-4的相差較大，說明(1)3淤泥質(zhì)黏土層對地基沉降的影響最大。對于飽和軟黏土地基而言，其沉降可以認(rèn)為是以主固結(jié)沉降為主，即在外部荷載作用下，地基中的孔隙水受壓被擠出而產(chǎn)生固結(jié)。地基的沉降發(fā)展與超孔隙水壓力的變化密切相關(guān)，因此，有必要結(jié)合超孔隙水壓力的消散來分析地基的沉降規(guī)律。在路堤填筑及堆載預(yù)壓期，路堤荷載剛開始作用時(shí)，地基中的孔隙水來不及排出，而是全部轉(zhuǎn)化為超孔隙水壓力，隨著時(shí)間增加，超孔隙水壓力不斷消散，地基沉降速率逐漸減小。在鋪軌結(jié)束到監(jiān)測截止日5個(gè)多月的時(shí)間段，超孔隙水壓力雖大部分已消散，但地基沉降仍以較小的速率發(fā)展，SSC2-4，SSC2-5和SSC2-6單點(diǎn)沉降計(jì)測得的沉降增加值分別為0.15，0.35和0.48 mm，這主要是由(1)3淤泥質(zhì)黏土層的次固結(jié)沉降所造成。次固結(jié)是因土顆粒骨架的黏滯阻力而產(chǎn)生的蠕變現(xiàn)象，一般認(rèn)為次固結(jié)產(chǎn)生于固結(jié)現(xiàn)象的最終部分。對于存在深厚軟土的地基，次固結(jié)沉降占總沉降中很大的一部分，在工程設(shè)計(jì)和施工中，必須加以考慮，以保證建筑物或構(gòu)筑物的長期安全。

1—SSC2-4；2—SSC2-5；3—SSC2-6。

2.3 筏板鋼筋應(yīng)力

將鋼筋計(jì)設(shè)置在筏板橫向主筋上，處于樁頂及樁間位置，如圖2所示。鋼筋計(jì)的長期監(jiān)測結(jié)果如圖7~8所示，其中，圖7所示為鋼筋應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線，圖8所示為鋼筋應(yīng)力沿筏板橫向分布曲線。路基填筑期及堆載預(yù)壓初期筏板中鋼筋應(yīng)力基本隨填筑高度的增大而增大，沒有出現(xiàn)明顯的應(yīng)力突變，但在堆載預(yù)壓中后期鋼筋應(yīng)力增長緩慢；在堆載卸載過程中，隨著預(yù)壓荷載的減少，鋼筋應(yīng)力也有所減少，出現(xiàn)反彈現(xiàn)象；卸載之后到路床表層及軌道板施工期，筏板鋼筋應(yīng)力又緩慢增長；路床表層及軌道板施工完成后約3月，筏板鋼筋應(yīng)力開始減??；觀測期結(jié)束時(shí)，鋼筋應(yīng)力進(jìn)一步減小，為峰值應(yīng)力的40%~70%。由圖8可以看出：各樁樁頂處鋼筋應(yīng)力大于相鄰樁間位置處的鋼筋應(yīng)力；筏板鋼筋的最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在距筏板中心7.5 m樁頂處，其值為16.9 MPa，不到鋼筋抗拉強(qiáng)度的1/15，說明設(shè)計(jì)配筋是安全的，并且還有較大的優(yōu)化空間。

1—RGB2-1；2—RGB2-3；3—RGB2-5；4—RGB2-7；5—RGB2-9。

1—38 d；2—232 d；3—275 d；4—470 d。

2.4 樁頂反力

為了測試樁頂反力，將混凝土應(yīng)變計(jì)埋設(shè)在樁頂位置，如圖1所示。將樁頂實(shí)測的混凝土應(yīng)變值換算為樁頂反力。樁頂反力的長期監(jiān)測結(jié)果如圖9和圖10所示。

1—SCG2-5；2—SCG2-7；3—SCG2-9；4—SCG2-11。

1—37 d；2—106 d；3—151 d；4—372 d；5—470 d。

圖9所示為樁頂反力隨時(shí)間變化曲線。由圖9可見：總體上樁頂反力隨路基填筑高度的增加而增大，其中邊樁增長最快，中心樁增長較慢；筏板上荷載保持不變時(shí)，樁頂反力隨時(shí)間延長趨于穩(wěn)定。圖10所示為樁頂反力沿筏板橫向分布。由圖10可見：樁頂反力沿筏板橫向基本呈邊緣大、中間小的馬鞍形分布，最大樁頂反力出現(xiàn)在邊緣處，監(jiān)測終止日該值為平均樁頂荷載的1.41倍；而最小樁頂反力出現(xiàn)在筏板中間或靠近筏板中間處，監(jiān)測終止日該值為平均樁頂反力的0.75倍。一般來說，筏板的整體彎矩大小取決于上部荷載與樁頂反力分布。路堤荷載是柔性荷載，不需要考慮上部結(jié)構(gòu)剛度的影響，可認(rèn)為是均布荷載。而當(dāng)樁頂反力分布模式與荷載分布模式一致時(shí)，其整體彎矩趨于0；當(dāng)樁頂反力分布模式為外大內(nèi)小時(shí)，其整體彎矩和沖切力均增大。

2.5 筏板下土壓力

土壓力盒埋設(shè)在筏板底部墊層下4個(gè)樁的中心位置，以測試筏板與地基的接觸壓力，如圖1所示。筏板墊層下的4個(gè)土壓力盒長期監(jiān)測結(jié)果如圖11圖12所示。

圖11所示為筏板下土壓力隨時(shí)間變化曲線。由圖11可見：在路堤填筑初期，筏板下各個(gè)部位的土壓力都有一個(gè)快速增長的過程，之后增速緩慢，甚至在堆載預(yù)壓施工期，筏板下土壓力也未出現(xiàn)顯著增大。由此可以說明：在路堤施工初期，上部荷載主要由筏板下地基土來承擔(dān)，之后增加的荷載更多由樁來承擔(dān)，筏板下地基土承擔(dān)的比例減小。圖12所示為筏板下土壓力沿筏板橫向分布。由圖12可見：接近筏板中心處的土壓力最大，而接近筏板邊緣處的土壓力最小，由此可推測出土壓力沿筏板橫向呈拋物線型分布，監(jiān)測終止日距筏板中心1.25，3.75，8.75和13.75 m處的筏板下土壓力分別為36.6，31.6，22.3和9 kPa，平均值為24.9 kPa，大約承擔(dān) 30%上部荷載。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)考慮樁間土荷載的分擔(dān)，將會使樁筏復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更趨經(jīng)濟(jì)、合理。

1—SEP2-5；2—SEP2-6；3—SEP2-7；4—SEP2-8。

時(shí)間/d：1—37；2—106；3—151；4—372；5—470。

2.6 孔隙水壓力

打樁結(jié)束后約140 d監(jiān)測斷面路堤開始填筑施工，可認(rèn)為此時(shí)超孔隙水壓力已很小，基本上已消散。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，可把受前期打樁擾動又重新固結(jié)后的超孔隙水壓力設(shè)為新的初始值，可以獲得超孔隙水壓力(超孔壓)在路堤填筑不同施工階段的變化規(guī)律，如圖13所示。

孔隙水壓計(jì)埋置深度/m：1—1；2—3.5；3—14.5；4—18.5。

由圖13可見：在填筑期，隨著填筑高度的增大，超孔隙水壓力總體上呈現(xiàn)不斷增大的趨勢。在路堤上進(jìn)行堆載預(yù)壓施工時(shí)，會引起超孔隙水壓力的上升，但堆載預(yù)壓施工結(jié)束后的一段時(shí)間內(nèi)，土體內(nèi)的超孔隙水壓力沒有下降，反而繼續(xù)增大，甚至超過應(yīng)有的壓力值，這就是所謂的Mandel-Cryer效應(yīng)。堆載預(yù)壓結(jié)束后，超孔隙水壓力又逐漸減?。卉壍腊迨┕て?，超孔隙水壓力又快速上升，之后一段時(shí)間，超孔隙水壓力緩慢減小，但多數(shù)超孔隙水壓力難以完全消散。

3 結(jié)論

1) 樁筏復(fù)合結(jié)構(gòu)用于高鐵無砟軌道路基的地基加固可以滿足高壓縮性軟土無砟軌道路基工后沉降的控制要求。

2) 筏板沉降沿路基橫向呈現(xiàn)中心大、邊緣小的分布。鋪軌結(jié)束時(shí)，實(shí)測筏板中點(diǎn)沉降量為7.15 mm，距筏板中心13.75 m處筏板沉降量為4.65 mm，沉降差為2.50 mm。

3) 筏板鋼筋最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在距筏板中心7.5 m樁頂處，其值為16.9 MPa，約為鋼筋抗拉強(qiáng)度的1/15，說明設(shè)計(jì)配筋是安全的，并且還有較大的優(yōu)化空間。

4) 樁頂反力在路堤填筑和堆載期間增長較快，堆載卸載后有所減小，之后趨于平穩(wěn)。樁頂反力沿筏板橫向基本呈邊緣大，中間小的馬鞍形分布，最大樁頂反力出現(xiàn)在邊緣處，鋪軌6月后其值為平均樁頂荷載的1.41倍；而最小樁頂反力出現(xiàn)在筏板中間或靠近筏板中間處，鋪軌6月后其值為平均樁頂反力的0.75倍。

5) 筏板下土壓力測試表明，筏板與其下的地基之間存在接觸壓力，且沿筏板橫向呈拋物線型分布。鋪軌6月后距筏板中心1.25，3.75，8.75和13.75 m處的筏板下土壓力平均值為24.9 kPa，大約承擔(dān) 30%上部荷載。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)考慮樁間土荷載的分擔(dān)，將會使樁筏復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更趨經(jīng)濟(jì)、合理。

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(編輯 伍錦花)

Field test on long-term behaviors of pile-raft composite structure strengthening high-speed railway deep ground

FU Guihai1, 2, WEI Limin1, DENG Zongwei2, JIANG Jianqing2

(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;2. School of Civil Engineering, Hunan City University, Yiyang 413000, China)

Combined with the deep soft soil foundation treatment and reinforcement project of Shangyu north station of Hangzhou—Ningbo high-speed railway, long-term field tests for behaviors of pile-raft composite structure of typical subgrade section were carried out. The change rules with time of raft deformation, soil settlement, pile top load, steel stress of raft and earth pressure under raft were obtained by test. The results show that pile- raft composite structure can control post-construction settlement of high-speed railway ballastless track in deep soft soil. The distribution of the raft settlement along transverse direction of subgrade presents large in center and small in margin, while the reaction force of pile top is saddle shaped in the transverse direction of raft. In six months after track-laying, the total post construction settlement of raft is only 0.48 mm, the pile top reaction at the edge is about 1.41 times of the average pile top load, and the pile top reaction at the center is about 0.75 times of the average pile load. The contact pressure between raft and foundation soil is distributed along transverse direction of the raft in a parabolic type, and approximately 30% of the upper load is undertaken by the foundation soil.

high-speed railway subgrade; pile-raft composite structure; soft soil foundation; field test

10.11817/j.issn.1672?7207.2017.08.029

TU473

A

1672?7207(2017)08?2195?08

2016?10?03；

2016?12?29

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51678226)；湖南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2016JJ4013)；湖南省教育廳重點(diǎn)資助項(xiàng)目(16A038)(Project (51678226) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project (2016JJ4013) supported by the Natural Science Foundation of Hunan Province; Project (16A038) supported by Educational Commission of Hunan Province)

付貴海，博士，副教授，從事軟基處理及樁基工程研究；E-mail：fugui6666@126.com