不同墊層下管樁復(fù)合地基現(xiàn)場對(duì)比試驗(yàn)研究

邵國霞,蘇　謙,尹紫紅,李　婷,謝　康,曹政國

(1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,四川 成都 610031; 2.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司,四川 成都 610031)

對(duì)于一般路基的工后沉降鐵路客運(yùn)專線要求控制在15 mm以內(nèi),為了滿足此嚴(yán)格要求,在客運(yùn)專線深厚軟土地基處理上大范圍地應(yīng)用了樁-網(wǎng)、樁-筏復(fù)合地基進(jìn)行加固.樁-網(wǎng)復(fù)合地基通常在碎石墊層里加鋪土工格室、土工格柵等加筋體,使地基在水平方向和豎直方向?qū)棺冃蔚哪芰Φ玫皆鰪?qiáng),提高地基承載力,減小地基沉降.樁-筏復(fù)合地基是通過樁頂設(shè)置的混凝土板將上部荷載充分傳遞到樁上面.不同型式的復(fù)合地基作用特性各不相同,為了選擇合理的地基處理型式,對(duì)不同型式的復(fù)合地基的工作特性進(jìn)行對(duì)比分析顯得尤為重要.

國內(nèi)外學(xué)者通過試驗(yàn)加筋墊層作用機(jī)理對(duì)樁網(wǎng)復(fù)合地基、樁板復(fù)合地基進(jìn)行了研究[1-15],但多數(shù)只是針對(duì)具體的某一型式的復(fù)合地基或加筋墊層進(jìn)行研究.本文在某客運(yùn)專線某試驗(yàn)段分別對(duì)管樁+鋼筋混凝土板復(fù)合地基、管樁+樁帽+土工格室復(fù)合地基、管樁+樁帽+土工格柵復(fù)合地基3種加固型式的樁土應(yīng)力、沉降及墊層受力和變形進(jìn)行了測試,研究不同加筋墊層條件下管樁復(fù)合地基受力和變形規(guī)律,并且將柔性墊層下和剛性墊層下管樁復(fù)合地基受力和變形特性進(jìn)行了對(duì)比分析.研究結(jié)果可為深厚軟土地基處理提供參考,指導(dǎo)工程實(shí)踐中選擇最佳的處理方式加固深厚軟土,達(dá)到較好的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)效果.

1　試驗(yàn)段概況

某無砟軌道客運(yùn)專線的設(shè)計(jì)時(shí)速為350 km/h,管樁復(fù)合地基試驗(yàn)段范圍覆蓋層由黃淮沖積形成,表層為第四系全新統(tǒng)沖積層(Q4al)黏性土、粉土偶夾薄層砂類土,其下為上更新統(tǒng)沖積層(Q3al)黏性土、粉土地層.試驗(yàn)段范圍淺層松軟土地層(可壓縮層)厚度約為30～49 m.試驗(yàn)段分別采用了預(yù)應(yīng)力管樁+鋼筋混凝土板復(fù)合地基(DK280+228)、預(yù)應(yīng)力管樁+樁帽+土工格室復(fù)合地基(DK280+651)、預(yù)應(yīng)力管樁+樁帽+土工格柵復(fù)合地基(DK281+347.10).

2　現(xiàn)場試驗(yàn)方案

各試驗(yàn)段地基剖面及測試元器件布置如圖1所示.試驗(yàn)段DK280+228設(shè)計(jì)為預(yù)應(yīng)力管樁+鋼筋混凝土筏板復(fù)合地基,采用PHC高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力混凝土管樁,樁徑為0.4 m,樁間距為2.4 m,正方形布置,長為35.0 m,樁頂鋪設(shè)0.2 m的碎石墊層,其上鋪0.6 m 的C45鋼筋混凝土筏板.

(a)預(yù)應(yīng)力管樁+鋼筋混凝土筏板復(fù)合地基(b)預(yù)應(yīng)力管樁+樁帽+土工格室復(fù)合地基(c)預(yù)應(yīng)力管樁+樁帽+土工格柵復(fù)合地基剖面圖圖1　地基剖面及測試元器件布置圖(單位：m)Fig．1　Foundationprofileandtestcomponentlayout(unit：m)

試驗(yàn)段DK280+651設(shè)計(jì)為預(yù)應(yīng)力管樁+樁帽+土工格室復(fù)合地基,采用PHC高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力混凝土管樁,樁徑為0.4 m,樁間距為2.2 m,正方形布置,樁長為32.0 m;樁帽截面為0.8m×0.8 m×0.3 m,混凝土強(qiáng)度為C45;樁帽頂部鋪設(shè)0.6 m的碎石墊層,其內(nèi)鋪設(shè)抗拉強(qiáng)度不低于200 kN/m的土工格室,在墊層上部設(shè)置鹽漬土隔斷層,由0.2 m厚中粗砂夾鋪一層復(fù)合土工膜組成.

試驗(yàn)段DK281+347.10設(shè)計(jì)為預(yù)應(yīng)力管樁+樁帽+土工格柵復(fù)合地基,采用PHC高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力混凝土管樁樁徑為0.4 m,樁間距為2.4 m,正方形布置,樁長32.0 m;樁帽截面為1.2 m×1.2 m×0.35 m,強(qiáng)度為C45;樁帽頂部鋪設(shè)0.6 m的碎石墊層,其內(nèi)鋪設(shè)一層抗拉強(qiáng)度不低于250 kN/m的土工格柵,在墊層上部設(shè)置鹽漬土隔斷層,由0.2 m 厚中粗砂夾鋪一層復(fù)合土工膜組成.

3　試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

3.1　樁頂應(yīng)力、土壓力分析

由于路基結(jié)構(gòu)橫向?qū)ΨQ,測試所得樁頂應(yīng)力和樁間土壓力沿橫向?qū)ΨQ相等,因此只取路基中心、線路中心(即左線中心,“路基中心”左側(cè)2.5 m)、路肩和靠近坡腳位置進(jìn)行分析.圖2、3分別是管樁樁板、管樁+樁帽+土工格室、管樁+樁帽+土工格柵樁間及樁頂靜土壓力變化過程曲線圖.

(a)DK280+228筏板頂面和墊層下樁間土壓力(b)DK280+651墊層頂面和墊層下樁間土壓力(c)DK281+347墊層頂面和墊層下樁間土壓力圖2　樁間土壓力變化曲線Fig．2　Soilstresscurvesbetweenthepiles

(a)DK280+228樁頂應(yīng)力(b)DK280+651樁頂應(yīng)力(c)DK281+347樁頂應(yīng)力圖3　樁頂應(yīng)力變化曲線Fig．3　Pile?topstresscurves

由圖2、3可知:不同處理措施下,樁間土、樁頂?shù)膽?yīng)力變化規(guī)律基本吻合,隨上部填土荷載的變化而變化,受填筑荷載影響較大,樁間土及樁頂應(yīng)力在填筑荷載初期曲線變化較大,主要由施工機(jī)械引起,在填土荷載施工期變化較大,在恒載時(shí)間區(qū)段內(nèi)基本穩(wěn)定;由于上部填土荷載為梯形荷載形式,荷載通過路基結(jié)構(gòu)傳遞后,路基中心位置、線路中心位置、路肩位置處樁間土壓力依次減少,同樣,樁頂應(yīng)力也表現(xiàn)出類似的規(guī)律;在路基填筑期間樁間土應(yīng)力和樁頂應(yīng)力的變化曲線可分為3個(gè)階段,在預(yù)壓土填筑初期樁土應(yīng)力都保持較小的增長速率,部分時(shí)間段內(nèi)呈現(xiàn)樁間土應(yīng)力稍大于樁頂應(yīng)力的現(xiàn)象,說明在填筑初期,路堤荷載主要是由樁間土來承擔(dān),復(fù)合地基中的拉膜效應(yīng)和土拱效應(yīng)還沒有有效地發(fā)揮作用;在填筑中期階段內(nèi),樁間土應(yīng)力增長速率在初期的基礎(chǔ)上略有降低,而樁頂應(yīng)力呈現(xiàn)快速增長的趨勢;由此造成樁土應(yīng)力出現(xiàn)了一定的差值,并且差值越來越大,說明土拱效應(yīng)發(fā)揮作用結(jié)果明顯,上部荷載逐漸由樁間土轉(zhuǎn)向管樁承擔(dān);填筑后期階段,樁土應(yīng)力增長速率都出現(xiàn)明顯的下降趨勢,逐漸達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài).另外,由圖3(a)可知,由預(yù)應(yīng)力管樁+鋼筋混凝土板形成的復(fù)合地基,筏板下的樁間土在填筑期間變化值較小,說明在筏板下樁間土應(yīng)力分布已經(jīng)相對(duì)均化.

3.2　樁土應(yīng)力比分析

管樁區(qū)的樁土應(yīng)力比變化過程反映了樁土荷載分配的過程,圖4為樁土應(yīng)力比變化曲線圖.

由圖4可知:在填土初期,上部荷載較小,管樁高承載力的特性還未顯現(xiàn),樁、土分擔(dān)的荷載均較小,樁土應(yīng)力比也較小;隨著荷載的增加,由于管樁剛度遠(yuǎn)大于樁間土剛度,管樁分擔(dān)的荷載越來越多,不同位置的樁土應(yīng)力比也越來越大;在等載期間隨著預(yù)壓時(shí)間的增大,樁土沉降差不斷調(diào)整,路基中心處、路肩下和坡腳處的樁土應(yīng)力比均緩慢增大,但增幅較小,根據(jù)文獻(xiàn)[1]研究結(jié)果可知,管樁復(fù)合地基受力與變形狀態(tài)逐漸趨于協(xié)調(diào)、穩(wěn)定.

(a)DK280+228樁土應(yīng)力比(b)DK280+651樁土應(yīng)力比(c)DK281+347．1樁土應(yīng)力比圖4　樁土應(yīng)力比變化曲線Fig．4　Pile?soilstressratiocurves

表1為管樁區(qū)預(yù)壓土填筑完畢后樁土應(yīng)力一覽表.

由表1可知:同種類型復(fù)合地基樁土應(yīng)力比隨著距路基中心距離的遠(yuǎn)近逐漸增大;樁板的樁土應(yīng)力比明顯大于樁網(wǎng);土工格柵樁土應(yīng)力比平均值小于土工格室.主要因?yàn)轭A(yù)應(yīng)力管樁+鋼筋混凝土筏板復(fù)合地基中,筏板和墊層形成了類似加筋梁板結(jié)構(gòu)的作用,土工格柵、土工格室、梁板3種加筋措施下加筋體的強(qiáng)度越來越大,對(duì)樁間土的提兜作用越大,將樁間土上的路堤荷載更多地轉(zhuǎn)移到樁上,提高了樁土應(yīng)力比,在預(yù)應(yīng)力管樁+鋼筋混凝土筏板復(fù)合地基結(jié)構(gòu)中樁土應(yīng)力比大幅提高.

表1　管樁區(qū)填土完畢樁土應(yīng)力Tab.1　Pile-soil stress ratios at the pipe pile area,after soil filling

3.3　土工格室、土工格柵受力分析

土工格室的加筋作用是利用它與格室內(nèi)填料相互共同作用形成復(fù)合整體的抗彎、抗拉和抗剪強(qiáng)度的特性,通過土工格室墊層所具有的強(qiáng)抗剪能力,改善淺層軟土的應(yīng)力狀態(tài),使地基的剪切破壞面向深層發(fā)展,達(dá)到臨界破壞狀態(tài)所需要的極限荷載較高.

土工格柵的加筋作用是利用筋材的抗拉特性,通過與周圍土界面的摩擦咬合作用產(chǎn)生應(yīng)力傳遞.改變土體中的應(yīng)力應(yīng)變場,增進(jìn)土的強(qiáng)度和韌性,從而改善填料變形性能,提高土體穩(wěn)定性.分析現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),相對(duì)于路基中心成對(duì)稱性布設(shè)的柔性位移計(jì)拉伸量基本相等,將取相對(duì)于路基中心對(duì)稱位置的柔性位移計(jì)拉伸量平均值進(jìn)行土工格柵、土工格室的受力分析.

在路基填筑和預(yù)壓期間,距離線路中心各位置的土工格柵、土工格室拉力變化規(guī)律如圖5所示.

在不同填土高度和預(yù)壓時(shí)間下,墊層土工格柵、土工格室拉力沿路基橫向分布規(guī)律如圖6所示.

(a)DK280+651土工格室拉力(b)DK281+347．1土工格柵拉力圖5　加筋材料拉力變化曲線Fig．5　Tensioncurvesofthereinforcedmaterial

(a)DK280+651土工格室拉力橫向分布(b)DK281+347．1土工格柵拉力橫向分布圖6　加筋材料拉力沿路基橫向分布Fig．6　Lateraltensiondistributionofthereinforcedmaterial

從圖5中可知:隨著路基填土荷載的增大,各位置的土工格柵、土工格室拉力逐漸增大,增長速率與路堤填筑速率正相關(guān);當(dāng)填土荷載處于穩(wěn)定期,土工格柵、土工格室拉力逐漸趨于穩(wěn)定.

從圖6中可知,在不同填土高度條件下,路肩下土工格柵、土工格室拉力最大,線路中心處次之,靠近坡腳處和路基中心處較小.路基中心地基土固結(jié)沉降引起的水平拉力最小,路肩處土工格柵、土工格室路基沉降引起的水平拉力與樁網(wǎng)兜土所產(chǎn)生的水平拉力疊加最大.

填土完成時(shí)拉力見表2.由表2可知,路基中心處、路肩處、坡腳處的土工格室所受水平拉力均大于土工格柵,與文獻(xiàn)[9]和[13]研究結(jié)果一致.

在路基填土和預(yù)壓期間,路肩下墊層中的土工格室、土工格柵拉力最大.土工格柵最大拉力值為1.04 kN,土工格柵尺寸為2.5 cm×2.5 cm,沿線路縱向1.0 m范圍內(nèi)橫向分布40根土工格柵,則沿線路縱向1.0 m范圍內(nèi)土工格柵最大拉力為41.47 kN.土工格室拉力最大值為4.39 kN,土工格室尺寸為40 cm×40 cm,考慮網(wǎng)帶與線路橫向呈45°,故每延米范圍內(nèi)有4根網(wǎng)帶.則沿線路縱向1.0 m范圍內(nèi)土工格室最大拉力為1.55 kN;單根網(wǎng)帶厚為0.45 mm,網(wǎng)帶高為50 mm,網(wǎng)帶最大應(yīng)力為68.4 MPa.

表2　土工格柵、土工格室拉力Tab.2　The tension of the geocell and geogrid

3.4　沉降分析

圖7為管樁不同結(jié)構(gòu)復(fù)合地基地基面沉降曲線.

圖7　管樁不同結(jié)構(gòu)復(fù)合地基地基面沉降曲線Fig.7　Surface settlement curves of the pipe-pile composite foundation with different types of cushion layer

由圖7可知:管樁+筏板的加固效果總體比管樁+樁帽+網(wǎng)(土工格室或土工格柵)復(fù)合地基效果好,其地基面沉降量約為樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)(土工格柵或土工格室)的68.46%～72.56%;樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)中鋪設(shè)土工格室地段沉降量略小,主要因?yàn)殇佋O(shè)土工格室時(shí)提高了樁土應(yīng)力比,墊層的荷載分散作用較強(qiáng),導(dǎo)致加固區(qū)和下臥層附加荷載減少,從而降低了沉降的變形量;在路堤和預(yù)壓土填筑階段,隨著荷載的增加,地基沉降變形快速發(fā)展,填筑后的靜置期,在前期階段沉降變形增長較快,并隨著時(shí)間的增長沉降速率放緩逐漸趨于平穩(wěn).根據(jù)各階段沉降曲線的變化特征可以將不同處理措施下地基沉降分為快速發(fā)展、緩慢發(fā)展和穩(wěn)定3個(gè)階段.

4　結(jié)　論

(1) 路堤荷載作用下,樁頂和樁間土應(yīng)力沿路基橫向由路基中心向路肩、坡腳處逐漸減少.土工格室墊層加固樁土應(yīng)力比實(shí)測值為2.30～6.25;土工格柵墊層加固樁土應(yīng)力比為2.47～5.42,說明土工格室加固效果較土工格柵加固有所改善.鋼筋混凝土板加固樁頂應(yīng)力遠(yuǎn)大于樁間土壓力,現(xiàn)場實(shí)測樁土應(yīng)力比為8.05～14.81,混凝土筏板加固樁土應(yīng)力比遠(yuǎn)大于樁網(wǎng)結(jié)構(gòu).

(2) 對(duì)于土工格柵、土工格室兩種不同水平加筋墊層加固下的樁網(wǎng)復(fù)合地基,隨著路基填土荷載的增大,土工格柵、土工格室拉力逐漸增大;穩(wěn)定后,路肩位置拉力最大,在相近的上部路堤荷載的作用下土工格室所受拉力大于土工格柵.

(3) 兩種不同形式的樁網(wǎng)復(fù)合地基沉降控制效果相近,土工格室的加固效果稍優(yōu)于土工格柵.管樁加鋼筋混凝土板對(duì)路基沉降的加固效果最好.沉降穩(wěn)定后,混凝土筏板加固的管樁復(fù)合地基地基面沉降分別為土工格柵和土工格室樁網(wǎng)復(fù)合地基地基面沉降的68.46%和72.56%.

參考文獻(xiàn):

[1]連峰,龔曉南.樁-網(wǎng)復(fù)合地基加固機(jī)理現(xiàn)場試驗(yàn)研究[J].中國鐵道科學(xué),2008,29(3):7-12.

LIAN Feng,GONG Xiaonan.Field test study on the improvement mechanism of pile-net composite foundation[J].China Railway Science,2008,29(3):7-12.

[2]邵國霞,蘇謙,陳尚勇,等.柔性荷載作用下樁筏加固地基變形特性試驗(yàn)研究[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào),2017,52(1):30-37.

SHAO Guoxia,SU Qian,CHEN Shangyong,et al.Experimental research on deformation characteristics of piled raft foundation under flexible load[J].Journal of Southwest Jiaotong University,2017,52(1):30-37.

[3]李善珍,馬學(xué)寧,時(shí)瑞國.高速鐵路樁(帽)網(wǎng)和樁筏復(fù)合地基模型試驗(yàn)研究[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào),2016,13(4):600-605.

LI Shanzhen,MAXuening,SHI Ruiguo.Experimental study on CFG pile-(cap-)-net and pile-raft composite foundations of high speed railway[J].Journal of Railway Science and Engineering,2016,13(4):600-605.

[4]蘇謙,李安洪,羅照新,等.樁頂加筋灰土墊層理論分析與工程設(shè)計(jì)探討[J].巖土力學(xué),2008,29(10):2687-2696.

SU Qian,LI Anhong,LUO Zhaoxin,et al.Theoretical analysis of reinforced lime soil cushion above pile and its engineering design[J].Rock and Soil Mechanics,2008,29(10):2687-2696.

[5]陳宏偉,徐林榮.樁-筏(網(wǎng)) 復(fù)合地基樁土應(yīng)力比現(xiàn)場測試研究[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2014,41(6):63-69.

CHEN Hongwei,XU Linrong.Field experiment of pile-soil stress ratio of pile-raft (net) composite foundation[J].Hydrogeology & Engineering Geology,2014,41(6):63-69.

[6]雷正敏.復(fù)合地基樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)的加固機(jī)理及其設(shè)計(jì)方法探討[J].鐵道建筑技術(shù),2013(10):56-59.

LEI Zhengmin.Reinforcement mechanism and design method of pile-net composite foundation[J].Railway Construction Technology,2013(10):56-59.

[7]陳仁朋,陳金苗,汪焱衛(wèi),等.樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)路基應(yīng)力傳遞特性及累積沉降規(guī)律[J].土木工程學(xué)報(bào),2015,48(增刊2):241-245.

CHEN Renpeng,CHEN Jinmiao,WANG Yanwei,et al.Stress transmission and cumulative settlement characteristics of geogrid reinforced pile supported embankment[J].China Civil Engineering Journal,2015,48(Sup.2):241-245.

[8]羅強(qiáng).土工合成材料加筋砂墊層減小軟土地基沉降試驗(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),2003,25(6):710-714.

LUO Qiang.Application of geosynthetics-reinforced sand blanket to settlement reduction of soft ground[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2003,25(6):710-714.

[9]蘇謙.土工格柵、格室加筋砂墊層大模型試驗(yàn)及抗變形能力分析[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào),2001,36(2):176-180.

SU Qian.Geogridand geocell-reinforced sand blanket:model test and the ability to reduce deformation[J].Journal of Southwest Jiaotong University,2001,36(2):176-180.

[10]陳昌富,米汪,趙湘龍.考慮高路堤土拱效應(yīng)層狀地基中帶帽剛性樁復(fù)合地基的承載特性[J].中國公路學(xué)報(bào),2016,29(7):1-9

CHEN Changfu,MI Wang,ZHAO Xianglong.Bearing characteristic of composite foundation reinforced by rigid pile with cap in layered ground considering soil arching effect of high embankment[J].China Journal of Highway and Transport,2016,29(7):1-9.

[11]曹新文.樁網(wǎng)復(fù)合地基土工格柵加筋效應(yīng)的試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2006,125(1):3162-3167.

CAO Xinwen.Experimental study on reinforcement effect of geogrid on composite foundation with dry jet mixing piles[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2006,125(1):3162-3167.

[12]丁銘績.京津客運(yùn)專線路基樁板復(fù)合地基沉降特性研究[D].北京:北京交通大學(xué),2008.

[13]趙明華,龍軍,張玲,等.不同型式復(fù)合地基試驗(yàn)對(duì)比分析[J].巖土工程學(xué)報(bào),2013,35(4):611-618.

ZHAO Minghua,LONG Jun,ZHANG Ling,et al.Comparative analysis of model tests on different types of composite foundations[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2013,35(4):611-618.

[14]荊志東,郭永春.新型樁板結(jié)構(gòu)對(duì)高速鐵路軟基沉降控制作用離心試驗(yàn)[J].巖土力學(xué),2010,31(8):2565-2574.

JING Zhidong,GUO Yongchun.Centrifuge test of new pile-plate structure embankment settlement of soft soil of high-speed railway[J].Rock and Soil Mechanics,2010,31(8):2565-2574.

[15]趙偉,楊果林.路堤下樁-網(wǎng)復(fù)合地基樁土應(yīng)力現(xiàn)場試驗(yàn)研究[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2009(3):95-98.

ZHAO Wei,YANG Guolin.Field experimental study on pile-soil stress ratio of pile-net composite foundation under embankment[J].Hydrogeology & Engineering Geology,2009(3):95-98.