樁帽對載體樁復(fù)合地基沉降影響的現(xiàn)場試驗

裴生平

(中鐵隧道集團(tuán)三處有限公司，廣東深圳 518052)

1 概述

載體樁的承載力主要來自載體。它可將上部荷載有效地傳遞給下面的持力土層，以達(dá)到提高承載力的目的。隨著高速鐵路的發(fā)展，載體樁的應(yīng)用已經(jīng)從房屋建設(shè)的地基處理擴(kuò)展到路基的軟基處理方面。許多專家學(xué)者對其加固機(jī)理及變形規(guī)律等進(jìn)行了研究[1-5]。陳洪運(yùn)等[6]根據(jù)現(xiàn)場N63.5的試驗結(jié)果，分析得出樁體擴(kuò)大端的擠土效應(yīng)明顯的結(jié)論。閆雪峰等[7]對復(fù)合地基的設(shè)計與施工進(jìn)行了探討。周斌[8]根據(jù)現(xiàn)場試驗驗證了載體樁在高速鐵路路基中的適用性，并總結(jié)了其沉降特性。羅浩[9]、陳洪運(yùn)[10，11]進(jìn)行了載體樁施工工藝等方面的研究，并在試驗的基礎(chǔ)上進(jìn)行理論計算分析。張淑媛[12]采用現(xiàn)場試驗的方法對高速鐵路載體樁與CFG樁復(fù)合地基沉降特性進(jìn)行對比研究，得出載體樁復(fù)合地基樁土應(yīng)力比大于CFG樁復(fù)合地基樁土應(yīng)力比的結(jié)論。張健等[13]分析了影響載體樁承載力的因素以及載體樁受時間效應(yīng)的影響因素。雷金波等[14，15]采用足尺現(xiàn)場試驗，對帶帽剛性單樁復(fù)合地基的荷載分擔(dān)比進(jìn)行研究。楊啟安等[16]對復(fù)合地基中載體樁的側(cè)摩阻力進(jìn)行了研究，得出載體樁頂以下一定范圍內(nèi)存在負(fù)摩阻力，并且樁身的側(cè)摩阻力較小等結(jié)論。以下主要對筏板-碎石墊層-樁結(jié)構(gòu)中有樁帽與無樁帽時的試驗結(jié)果進(jìn)行比對，分析樁帽對沉降發(fā)生階段、發(fā)生深度及沉降值的影響。

2 試驗段概況

某試驗段地質(zhì)縱斷面如圖1，自上而下主要地層情況為：地面以下8.4 m主要粉質(zhì)黏土和黏土層，在8.4～12 m深度范圍內(nèi)有一層中密-密實的細(xì)砂層，其下主要為粉土、松軟土的粉質(zhì)黏土和黏土互層。采用正方形布置的載體樁(如表1)，分別選取有樁帽載體樁和無樁帽載體樁加固段進(jìn)行沉降觀測，每段選擇兩個觀測斷面(主斷面、附斷面)。路基填筑材料為AB組，高2.2 m；預(yù)壓土高3.5 m。無樁帽斷面預(yù)壓34 d，監(jiān)測時長275 d；有樁帽斷面預(yù)壓時長47 d，監(jiān)測時長283 d。

表1 試驗斷面載體樁布置情況 m

圖1 某試驗段地層剖面[17](高程單位：m；承載力單位：kPa)

圖2 各測試斷面液位沉降計及單點(diǎn)沉降計布置

為了判定壓縮層厚度，采用液位沉降計和單點(diǎn)沉降計的聯(lián)合監(jiān)測法。在復(fù)合地基樁頂及樁間土內(nèi)埋設(shè)單點(diǎn)沉降計和液位沉降計，監(jiān)測單點(diǎn)沉降計錨頭與沉降盤之間土體的壓縮變形和該點(diǎn)處的地基沉降。液位沉降計、單點(diǎn)沉降計平面布置見圖2。液位沉降計安裝于樁頂，其平面位置和單點(diǎn)沉降計安裝深度見表2(因YW-4-4和YW-4-5傳感器損壞，表中未列出)。

表2 單點(diǎn)沉降計和液位沉降計安裝位置 m

注：YW-代表液位計；DD-代表單點(diǎn)沉降計。

3 監(jiān)測結(jié)果與分析

3.1 無帽載體樁

對于主斷面，液位沉降計監(jiān)測得的樁頂平面沉降量及單點(diǎn)沉降計所測得的不同深度的壓縮量如圖3所示。

圖3 無帽載體樁主斷面荷載-時間-變形曲線

由圖3可知，監(jiān)測結(jié)束時，YW-3-2測得路基中心線附近樁頂?shù)某两盗繛?4.9 mm，樁間土最大沉降量為99.6 mm。樁頂與樁間土沉降差約為5 mm，即樁身上刺入量為5 mm。不同階段的沉降變形實測值見表3。

表3 無樁帽斷面沉降變形監(jiān)測結(jié)果 mm

根據(jù)表3的統(tǒng)計結(jié)果，預(yù)壓土堆載開始后，地基沉降變形迅速發(fā)展；沉降主要發(fā)生在預(yù)壓靜置期間。從路基中心向兩邊，沉降量呈減小趨勢(靠近中線位置沉降量達(dá)94.9 mm)，路堤邊緣沉降量為52.4 mm，由路堤荷載引起的沉降量為42.5 mm。填筑階段累積沉降量為總沉降量的21.3%；預(yù)壓土靜置30 d時，預(yù)壓范圍內(nèi)的累計沉降量達(dá)到了總沉降量的85%以上，靜壓階段的沉降量占總沉降量的64%以上；卸載后，沉降變形增長趨勢逐漸減緩，至監(jiān)測結(jié)束時，該試驗斷面的沉降變形趨于穩(wěn)定。

由DD-3-2監(jiān)測值可知，加固區(qū)壓縮量小于8.3 mm，僅占總沉降量的8.7%；由YW-3-1和DD-3-1聯(lián)合測得的數(shù)值知，距離樁頂面16 m以下土層的累計壓縮變形量為28 mm，占總沉降量的28.1%。由YW-3-2和DD-3-2聯(lián)合測得的數(shù)值知，距離樁頂面7.8 m以下土層的累計壓縮變形量為76.6 mm，占總沉降量的76.9%。由此可見，下臥層沉降量占相當(dāng)大的比例。參考附斷面的監(jiān)測數(shù)據(jù)，距離樁頂面30 m以下土層的累計壓縮變形量為9.65 mm，為總沉降量的12.1%。

3.2 有帽載體樁

對于有樁帽的載體樁復(fù)合地基斷面，液位沉降計監(jiān)測到的樁頂平面沉降量及單點(diǎn)沉降計所測不同深度的壓縮量隨時間變化的曲線如圖4所示。由圖4可知，隨著路堤的填筑，沉降量增加較快，在靜置期時沉降趨于平緩。受負(fù)荷施工車輛的影響，卸載后的沉降曲線有一定波動，但總體較為穩(wěn)定；單點(diǎn)沉降計的沉降曲線比較平緩。

圖4 有帽載體樁主斷面沉降變形-荷載-時程曲線

由圖4可知，監(jiān)測結(jié)束時，YW-4-2測得路基中心線附近樁頂?shù)某两盗繛?5.49 mm，樁間土實測最大沉降為88.11 mm，樁頂與樁間土沉降差約為3 mm。由此可見，有樁帽時樁的上刺入量明顯減小。不同階段的沉降變形實測值見表4。

表4 有帽斷面沉降變形監(jiān)測結(jié)果 mm

由表4知，填筑階段累積沉降量為總沉降量的55%以上；靜置30 d時累積沉降量為總沉降量的76%以上，預(yù)壓范圍內(nèi)的沉降量甚至達(dá)到了總沉降量的89%以上。經(jīng)對比，無樁帽的載體樁復(fù)合地基沉降量主要發(fā)生在預(yù)壓階段，而有樁帽的復(fù)合地基填筑結(jié)束時，就已發(fā)生了55%以上的沉降；兩者預(yù)壓固結(jié)30d后的沉降占總沉降量的比例相差不大。這說明，由于樁帽的存在，將更多的上部荷載傳遞到下臥層，使沉降提前發(fā)生，縮短了沉降的時程。

由聯(lián)合單點(diǎn)沉降計DD-4-1及液位沉降計YW-4-1的測值可知，距離樁頂40 m以下深度土層的累計壓縮變形量為3.05 mm，僅為樁頂面到40 m深度范圍內(nèi)土層總的壓縮變形量的3.6%；由單點(diǎn)沉降計DD-4-2得，本斷面復(fù)合地基加固區(qū)土體壓縮變形量為8.7 mm，占總沉降量的10.2%。由DD-4-3和YW-4-1知，樁頂平面以下30 m的壓縮量為16.6 mm，約為總沉降量的18.9%。經(jīng)比較，有樁帽的載體樁復(fù)合地基的沉降發(fā)生深度有所增加。

4 結(jié)論

(1)樁帽可以加速填筑階段復(fù)合地基的沉降，縮短其沉降時程。無樁帽時，填筑階段的沉降量占總沉降的21.3%；有樁帽時，填筑階段的沉降量占總沉降的55%以上。

(2)樁帽可以使沉降更均勻，使樁體刺入量減小。

(3)樁帽的存在擴(kuò)大了沉降發(fā)生的深度，更有利于將荷載向下部堅硬土層傳遞，使地基的總沉降量減小。

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