中等壓縮性土短樁網(wǎng)復(fù)合地基變形現(xiàn)場測試特性

王敏+徐林榮

摘 要：為優(yōu)化高速鐵路中等壓縮性土地基處理方案，依托贛龍高速鐵路試驗(yàn)段，采用現(xiàn)場試驗(yàn)及理論分析方法，研究了短樁網(wǎng)復(fù)合地基的變形特性，并與天然地基進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明：復(fù)合地基加固區(qū)沉降占總沉降的62%～75%；地基側(cè)向位移主要發(fā)生在預(yù)壓土堆載期，20 m深度范圍是主要的側(cè)向位移層，在相似條件下，復(fù)合地基與天然地基沉降主要發(fā)生的時(shí)間、主要的沉降土層厚度及路基橫斷面沉降差異較大。結(jié)果顯示了短樁網(wǎng)復(fù)合地基可有效控制中等壓縮性土地基變形。

關(guān)鍵詞：高速鐵路；中等壓縮性土；復(fù)合地基；天然地基；變形特性

中圖分類號(hào)：TU441.6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-4764（2017）05-0063-08

Abstract：In order to optimize the processing scheme of medium compression soil foundation， the short pile-net composite foundation deformation characteristics is explored using the method of field test and theoretical analysis on a test section of Ganlong high-speed railway， and its compared with the natural foundation. It is shown that the settlement of composite foundation reinforced area is 62%～75% of total settlement， the lateral displacement mainly occurred in preloading soil loading period and 20m depth is the main layer. Under similar conditions， the main stage of settlement， the main settlement layer thickness and settlement of cross section are quite different between composite foundation and natural foundation. The results show that the short pile-net composite foundation can effectively control the deformation of the medium compression soil foundation， which can provide reference for similar projects.

Keywords： high-speed railway；medium compression soil；composite foundation；natural foundation；deformation characteristics

路基變形控制是確保列車安全、平順運(yùn)行的前提條件[1-2]，主要由兩部分組成：路基本體變形、地基變形，而地基變形是路基變形控制研究的重點(diǎn)[3]。同時(shí)，隨著列車運(yùn)營的提速，地基變形控制的要求愈加嚴(yán)格，而對(duì)變形特性的深入了解是解決變形控制問題的重要前提，故變形特性的研究就成為工程設(shè)計(jì)中的主要問題之一[4]。

地基變形特性主要可歸納為空間特性和時(shí)間特性兩個(gè)方面?？臻g特性主要包括路基橫斷面沉降差異[5]、加固區(qū)及下臥層差異[6-7]、樁土沉降差[8-9]等；在時(shí)間特性上，主要有各建設(shè)階段沉降值比較及沉降預(yù)測[10-11]等。在高速鐵路路基的勘察設(shè)計(jì)中，大量承載力在150 kPa以上的黏性土、粉土、砂類土、卵礫石類土大多屬于非飽和土范疇[12]，壓縮性和滲透性比較復(fù)雜，其變形的時(shí)間及空間特性與飽和土有很大的不同[13]。已建及在建的一些高標(biāo)準(zhǔn)無砟軌道工程，對(duì)該類地基大都采用CFG樁、旋噴樁等進(jìn)行加固[14]，而現(xiàn)場試驗(yàn)和長期監(jiān)測表明：經(jīng)處理后的路基實(shí)測沉降量很小，遠(yuǎn)低于理論計(jì)算結(jié)果[15]。因此，地基處理方案、設(shè)計(jì)的加固間距、加固深度均存在著一定的優(yōu)化空間。隨著中國高速鐵路網(wǎng)的大規(guī)模建設(shè)，對(duì)中等壓縮性土地基的沉降變形特性開展試驗(yàn)研究，對(duì)于指導(dǎo)無砟軌道路基地基處理設(shè)計(jì)、施工，促進(jìn)高速鐵路路基工程地基處理技術(shù)發(fā)展等具有重要意義。

1 試驗(yàn)段概況及現(xiàn)場試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)段概況

試驗(yàn)工點(diǎn)位于贛州市于都縣小密鎮(zhèn)附近，里程：DK86+998.0～DK87+191.2，長193.2 m。

試驗(yàn)段土層由上至下依次為：

1）Q4al+pl含礫黏土，褐黃～棕黃色，硬塑，黏性土為主，土質(zhì)較均勻，刀切面較光滑，局部含礫，含量2%～5%，粒徑2～10 mm，多為砂粒、細(xì)圓礫，層厚0.5～>20 m。

2）Qel+dl含礫黏土，棕黃色，硬塑，以黏性土為主，土質(zhì)較均勻，部分夾鐵錳結(jié)核，切面粗糙，局部含礫，礫石含量5%～30%，粒徑2～20 mm，個(gè)別達(dá)60 mm，多為砂巖風(fēng)化碎塊，棱角狀、碎塊狀，層厚5.9～20 m。

3）C2h灰?guī)r，青灰色，弱風(fēng)化。巖溶較發(fā)育。通過對(duì)已鉆鉆孔分析，灰?guī)r埋深18.7～31.8 m，鉆孔揭示溶洞埋深22.4～57 m不等，大小為0.4～5.1 m，均無充填，溶洞見洞率71%，單孔線性巖溶率0～43.4%，平均線性巖溶率22%。

試驗(yàn)區(qū)內(nèi)地表水以大氣降水為主，地下水主要為碳酸鹽巖類巖溶水，其次為第四系孔隙潛水，埋深1.5～12.7 m，受季節(jié)變化的影響較大，水動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定。由于區(qū)內(nèi)第四系地層直接覆蓋在石炭系之上，因此，地表水與地下水的含水層有密切的水力聯(lián)系，第四系孔隙潛水與石炭系巖溶裂隙水兩者為互補(bǔ)型。endprint

根據(jù)機(jī)動(dòng)鉆探取樣分析結(jié)果，結(jié)合平板載荷試驗(yàn)和靜力觸探試驗(yàn)成果，根據(jù)《鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》的統(tǒng)計(jì)方法，對(duì)地層的成因、時(shí)代、物理力學(xué)特征等進(jìn)行分析、統(tǒng)計(jì)，取得主要土工參數(shù)指標(biāo)，如表1所示。

2.2 現(xiàn)場試驗(yàn)方案

為分析含礫黏土地基不同加固方案中地基沉降隨時(shí)間、荷載的變化規(guī)律，在DK87+070.0～+168.0采用堆載預(yù)壓（預(yù)壓土柱高2.0 m）處理，DK87+168.0～+191.2采用CFG樁（6 m）+堆載預(yù)壓（預(yù)壓土柱高2.0 m）處理。CFG樁復(fù)合地基中樁正方形布置，間距1.6 m，樁徑0.5 m，樁長6 m。樁頂墊層（0.4 m厚碎石墊層+0.2 m中粗砂）內(nèi)鋪設(shè)單層單向聚丙烯土工格柵（TGDG100 kN/m），其延伸率≤10%。路基頂面寬13.2 m，邊坡斜率1∶1.5。

根據(jù)工點(diǎn)地層情況，布置了4個(gè)測試橫斷面（參考圖1）。主要布設(shè)的觀測測試元件及測試內(nèi)容：地面沉降、路基面沉降、分層沉降、地基側(cè)向（水平）位移測試斷面一覽表見表2。

主要測試內(nèi)容如下：

1）分層沉降：采用采用單點(diǎn)沉降計(jì)進(jìn)行監(jiān)測，分別布置于路基中心線附近及兩側(cè)路肩，埋置深度在24～29 m之間，與中心沉降板對(duì)應(yīng)設(shè)置；觀測地表以下各點(diǎn)（層）的沉降，以了解加荷過程中、工后地基土的沉降量。分層量測系統(tǒng)由多個(gè)單點(diǎn)沉降單元（YH-2620A單點(diǎn)位移計(jì)）與PVC管串接而成，適用于測試多層土壤與相對(duì)不動(dòng)點(diǎn)之間的垂直位移變化。多單位移計(jì)量程200 mm，分辨率0.01 mm，采用YH6406手持便攜讀數(shù)儀采集數(shù)據(jù)。

2）地基深層側(cè)向（水平）位移觀測：采用測斜儀進(jìn)行地基深層水平變形觀測，估算側(cè)向位移所產(chǎn)生的沉降，設(shè)置在路堤坡腳處，共4個(gè)斷面埋設(shè)，每個(gè)觀測斷面設(shè)置2個(gè)孔。側(cè)向位移量測系統(tǒng)有PVC測斜管和XB338-2型滑動(dòng)式測斜儀組成，測斜管直徑70 mm，測斜儀量程范圍0～53°，分辨率0.000 4°。

各斷面測點(diǎn)編號(hào)及埋設(shè)位置如表3所示。

2 地基變形特性測試數(shù)據(jù)分析

2.1 路堤基底橫向差異沉降

為保證運(yùn)營的安全及平穩(wěn)，不但要求工后沉降滿足標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)軌面的平整狀態(tài)也有嚴(yán)格規(guī)定，橫向不均勻沉降會(huì)引起軌面在水平面上高低偏差，從而影響高速列車的正常運(yùn)行?；诖?，以DK87+100～DK87+185試驗(yàn)段沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)建設(shè)期路堤基底橫向差異沉降特性展開分析。

從圖2可見，總體上，路堤基底橫向沉降大致呈盆狀，中心沉降大，兩側(cè)較??；表3顯示了近路基中心線處地基沉降穩(wěn)定的速度較遠(yuǎn)路基中心線處快。路基填筑期中心距2.2 m處路堤基底已完成沉降的91%，預(yù)壓土填筑期沉降完成93%；中心距4.4 m處路堤基底在路基填筑期沉降完成86.7%，預(yù)壓土填筑期沉降完成90%；中心距8.8 m處路堤基底在路基填筑期沉降完成84%，預(yù)壓期填土堆載完成后沉降完成88.7%。表4所顯示的DK87+155路堤基底橫斷面沉降特性與DK87+185斷面相似，均顯示出了在路基填筑期間，路堤基底便已完成總沉降的84%以上，預(yù)壓土堆載完成后沉降已完成總沉降的90%，且近路基中心線處地基沉降穩(wěn)定的速度較遠(yuǎn)路基中心線處快。

對(duì)照上述兩個(gè)試驗(yàn)段的分析，DK87+185斷面的地基處理方式為“堆載預(yù)壓+樁網(wǎng)復(fù)合結(jié)構(gòu)”，其路堤基底橫斷面“沉降盆”的矢跨比為1.48，而DK87+155斷面的地基處理方式為堆載預(yù)壓，其橫斷面“沉降盆”的矢跨比為5.30，是DK87+185斷面的3倍左右，其橫斷面沉降的“盆”狀較DK87+185斷面更為明顯，表明了樁網(wǎng)復(fù)合結(jié)構(gòu)能極大地提高天然地基的整體性。

2.2 地基分層沉降

2.2.1 沉降隨時(shí)間及荷載變化特性 分層沉降監(jiān)測的目的在于分析不同深度地基沉降特性。本項(xiàng)目中，分層沉降利用單點(diǎn)沉降計(jì)進(jìn)行監(jiān)測，埋設(shè)于地基中路基中心線附近，沉降填土高度時(shí)間曲線見圖3。

從圖3及表6可知：

1）DK87+100在路基填筑期沉降29.54 mm，沉降速率為0.15 mm/d，完成總沉降的83.5%；DK87+155沉降23.13 mm，沉降速率為0.12 mm/d，完成總沉降的79.9%；DK87+175沉降39.56 mm，沉降速率為0.20 mm/d，完成總沉降的81.1%；DK87+185沉降23.10 mm，沉降速率為0.12 mm/d，完成總沉降的91.7%；路基填筑速率為0.013 m/d?？傮w上看，天然地基在路基填筑完成后已完成沉降的79%～84%，其沉降速率基本與路基填筑速率一致，而復(fù)合地基則完成了總沉降的81%～92%，其沉降速率是路基填筑速率的1～1.7倍，說明樁網(wǎng)復(fù)合地基沉降主要發(fā)生在路基填筑期，而天然地基在堆載預(yù)壓期仍有較大沉降。

2）堆載預(yù)壓時(shí)間超過1個(gè)月時(shí)，4個(gè)試驗(yàn)段的沉降占總沉降的比值均超過94%，沉降速率為0.015～0.028 mm/d；預(yù)壓時(shí)間超過5個(gè)月時(shí)的沉降均超過總沉降的98%，沉降速率為0.001～0.015 mm/d；而高速鐵路無砟軌道鋪設(shè)軌道的沉降速率要求是“≤0.088 mm/d”，表明中等壓縮性土地基的堆載預(yù)壓時(shí)間要求相對(duì)較低。

3）對(duì)于樁網(wǎng)復(fù)合地基，斷面DK87+175加固區(qū)的沉降量36.29 mm，占總沉降的74.4%，下臥層的沉降量12.46 mm，占總沉降的25.6%；斷面DK87+185，加固區(qū)的沉降量15.56 mm，占總沉降的61.7%，下臥層的沉降量9.64 mm，占總沉降的38.3%。對(duì)比天然土地基斷面DK87+100和斷面DK87+155，在深度為6 m的沉降量分別約占總沉降的28.3%和51.8%。表明復(fù)合地基加固區(qū)的沉降占總沉降的比例是天然地基在與復(fù)合地基加固區(qū)同等深度范圍的1～3倍。

2.2.2 地基沉降隨深度變化特性endprint

地基沉降隨深度變化情況見圖4。由圖可知：不同地基處理方式下，地基的主要沉降土層厚度差異較大。對(duì)地基處理方式為堆載預(yù)壓的DK87+100及DK87+155進(jìn)行分析可知，DK87+100斷面24 m厚土層沉降占總沉降的90%，DK87+155斷面占總沉降90%的土層厚度大概在18 m左右；對(duì)比樁網(wǎng)復(fù)合地基DK87+175及DK87+185斷面，其占總沉降的90%的土層厚度為14～15 m。天然地基主要沉降土層厚度是復(fù)合地基的1.3～1.7倍。

3.3地基側(cè)向位移

地基側(cè)向位移采用測斜儀進(jìn)行觀測，每個(gè)觀測斷面共兩個(gè)測點(diǎn)，對(duì)稱分布在左右路堤坡腳處。

由圖5可知：

1）預(yù)壓土堆載期地基土層側(cè)向位移的增大速率是路基填筑期的5倍左右，是靜置期側(cè)向位移的增大速率的10倍左右。例如，圖5（b）中，路基填筑期間（2013-11-11—2014-05-27）最大側(cè)向位移出現(xiàn)在0.5 m深度處，平均側(cè)向位移速率為0.021 mm/d；從2014-05-27—2014-06-18預(yù)壓土堆載期間，平均側(cè)向位移速率為0.109 mm/d；2014-06-18堆載完成后的4個(gè)月靜置期間，平均側(cè)向位移速率為0.007 mm/d。2）路基填筑期地基側(cè)向位移速率是路基填筑速率的1.5倍左右。例如，圖5（b）中，路基填筑期間平均側(cè)向位移速率為0.021 mm/d，路基填筑速率為0.013 m/d。3）深度20 m范圍內(nèi)地基側(cè)向位移占總側(cè)向位移的75%以上，是主要的側(cè)向位移層。例如，圖5（a）中測斜管在監(jiān)測結(jié)束時(shí)，深度 0～10 m 范圍內(nèi)的側(cè)向位移超過 15 mm；深度15～20 m 范圍的側(cè)向位移基本保持在5 mm之內(nèi)；埋深20 m處側(cè)向位移在 0 mm 左右小幅波動(dòng)。4）CFG樁對(duì)土體側(cè)向位移有較好的束縛作用。對(duì)比僅用堆載預(yù)壓處理的試驗(yàn)段DK87+100～155及采用堆載預(yù)壓+CFG樁處理的DK87+175～185段可見，CFG樁端附近處土體的側(cè)向位移出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)（見圖5（c）、圖5（d）），可知CFG樁對(duì)土體的側(cè)向位移有一定的約束作用，CFG樁的應(yīng)用有效增強(qiáng)地基土的整體性。

3 結(jié)論

以贛龍高鐵試驗(yàn)段為工程背景，通過現(xiàn)場測試及理論分析的方法，對(duì)中等壓縮性土地基沉降特性研究得到以下結(jié)論：

1）復(fù)合地基沉降主要發(fā)生在路基填筑期，而天然地基在堆載預(yù)壓期仍有較大沉降。復(fù)合地基在路基填筑完成后已完成了總沉降的81%～92%，其沉降速率是路基填筑速率的1～1.7倍，而天然地基在路基填筑完成后已完成沉降的79%～84%，其沉降速率與路基填筑速率基本一致。

2）路基中心沉降穩(wěn)定速率快于兩側(cè)路肩；天然地基橫斷面“盆”狀沉降較復(fù)合地基更為明顯。預(yù)壓土填筑完成后路基中心處沉降已完成總沉降的93%，而中心距4.4、8.8 m處分別完成總沉降的90%、88.7%；天然地基“沉降盆”的矢跨比為5.30，而復(fù)合地基僅為1.48，前者是后者的3倍左右。

3）樁網(wǎng)復(fù)合地基加固區(qū)沉降占總沉降的62%～75%，下臥層沉降占總沉降的25%～38%，其加固區(qū)的沉降占總沉降的比例是天然地基在與復(fù)合地基加固區(qū)同等深度范圍的1～3倍。

4）不同地基處理方式下，地基的主要沉降土層厚度差異較大。天然地基主要沉降層厚度為18～24 m，而復(fù)合地基主要沉降層厚度為14～15 m，天然地基主要沉降土層厚度是復(fù)合地基的1.3～1.7倍。

5）深度20 m范圍內(nèi)地基側(cè)向位移占總側(cè)向位移的75%以上，是主要的側(cè)向位移層；CFG樁對(duì)地基土側(cè)向位移有一定的約束作用。

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（編輯 王秀玲）endprint