樁板結(jié)構(gòu)在高速鐵路深厚軟土地層中的應(yīng)用

周 凱

(中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300308)

1 概述

軟土具有天然含水量大、壓縮性高、承載力低和抗剪強(qiáng)度低等特點(diǎn)。 為保證軟土地基的穩(wěn)定性，國(guó)內(nèi)許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究，楊得萍等針對(duì)一般復(fù)合地基(如水泥攪拌樁、旋噴樁、CFG 樁等)的簡(jiǎn)算原理和應(yīng)用條件開(kāi)展了大量的分析研究工作[1-4]。 李杰依托滬寧城際鐵路軟土地基工點(diǎn)，比較了樁板結(jié)構(gòu)與一般復(fù)合地基的區(qū)別[5]。 劉家兵結(jié)合新建上海至杭州客專樁板結(jié)構(gòu)的應(yīng)用實(shí)例，探討了樁板結(jié)構(gòu)的施工要點(diǎn)[6]。 王業(yè)順等認(rèn)為，樁板結(jié)構(gòu)可以提高地基的剛度和承載力，減少路基沉降[7]。

2 沉降計(jì)算

如果地基沉降過(guò)大，會(huì)引起上部結(jié)構(gòu)物的變形和破壞，在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，必須預(yù)先計(jì)算地基沉降，使其滿足使用要求。 主要從總沉降、沉降差和基礎(chǔ)傾斜三方面考慮[8]。

在相同荷載作用下產(chǎn)生的地基沉降，會(huì)隨著地基土的性質(zhì)不同而有所差異，其差異不僅僅體現(xiàn)在總沉降上，還體現(xiàn)在沉降速度上。 總沉降主要分為荷載作用在土層上的瞬時(shí)沉降、主固結(jié)沉降、次固結(jié)沉降。 對(duì)于砂性土和非飽和黏性土而言，其沉降以瞬時(shí)沉降為主;飽和的黏性土瞬時(shí)沉降量較小，主要為主固結(jié)沉降和次固結(jié)沉降，當(dāng)黏性土中有機(jī)質(zhì)含量較多時(shí)，次固結(jié)沉降起主要作用[9]。

2.1 天然地基沉降計(jì)算

(1)瞬時(shí)沉降

瞬時(shí)沉降可按彈性理論公式計(jì)算，即

式中 P——路堤底面垂直荷載/kPa;

B——基礎(chǔ)寬度/m;

E——彈性模量，可由無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)得到，取其分層厚度的加權(quán)平均值;

F——中線沉降系數(shù)。

計(jì)算的準(zhǔn)確度主要取決于土體的彈性模量和泊松比。

(2)主固結(jié)沉降

主固結(jié)沉降采用分層總和法計(jì)算，天然地基土一般都是不均勻的，即使同一土層，隨著深度的變化，其物理參數(shù)也隨之變化，在計(jì)算地基沉降時(shí)，將土層分成若干薄層，分別計(jì)算各層的壓縮變形量，其計(jì)算中的相關(guān)壓縮資料采用e-p 曲線、e-lgp 曲線或地基壓縮模量，其中，e-p 曲線公式為

式中 Sc——主固結(jié)沉降;

n——地基變形計(jì)算深度范圍內(nèi)所劃分的土層數(shù);

Δhi——第i 層土厚度/m;

e0i——第i 層土中自重應(yīng)力對(duì)應(yīng)的孔隙比;

e1i——第i 層土中自重應(yīng)力與附加應(yīng)力之和對(duì)應(yīng)的孔隙比。

2.2 地基沉降計(jì)算

復(fù)合地基沉降量由兩部分組成，即復(fù)合地基加固區(qū)沉降量和下臥層沉降量[10]。 應(yīng)根據(jù)不同的地基加固措施采用相應(yīng)的計(jì)算理論，其主要的計(jì)算理論如下。

(1)復(fù)合模量法

加固區(qū)的壓縮量計(jì)算

式中 Δpi——第i 層復(fù)合土以上的附加應(yīng)力增量/kPa;

hi——第i 層土復(fù)合土層厚度/m;

Ecsi——第i 層樁土復(fù)合壓縮模量/MPa。

(2)承載應(yīng)力比法

根據(jù)加固區(qū)的模量提高系數(shù)ζ，采用下式計(jì)算，即

式中 σ0——天然地基承載力/kPa;

σsp——復(fù)合地基允許承載力/kPa;

ζ——承載力與壓縮模量提高系數(shù)。

(3)鐵路橋規(guī)法

其計(jì)算方法主要為分層總和法，樁基的沉降計(jì)算可按下式計(jì)算

式中 S——基礎(chǔ)的總沉降量/m;

n——土層分層數(shù)目;

σz(0)——基礎(chǔ)底面附加應(yīng)力;

Esi——基礎(chǔ)底面以下受壓土層第i 層壓縮模量;

zi，zi-1——自基底至第i 和第i-1 層距離;

Ci，Ci-1——自基底至第i 底面范圍和至第i-1 層底面范圍內(nèi)平均附加應(yīng)力系數(shù);

ms——沉降經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù)。

2.3 壓縮層計(jì)算深度

地基壓縮層的計(jì)算深度應(yīng)考慮路堤高度、地層結(jié)構(gòu)及地基土特性等因素，可采用應(yīng)力法或應(yīng)變比法。

(1)應(yīng)力比法

根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)類型，其壓縮層的計(jì)算深度應(yīng)滿足

式中 σz——沉降計(jì)算深度Z 處的地基垂直附加應(yīng)力/kPa;

σt——沉降計(jì)算深度Z 處的地基自重應(yīng)力/kPa。

(2)應(yīng)變比法

地基變形的計(jì)算深度zn應(yīng)符合以下規(guī)定，當(dāng)計(jì)算土層仍有較軟土層時(shí)，應(yīng)繼續(xù)計(jì)算，有

式中 Δsi——在計(jì)算深度范圍內(nèi)，第i 層土的變形值/mm;

Δsn——厚度為Δz 的土層計(jì)算變形值/mm。

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

某高速鐵路位于我國(guó)西南地區(qū)，該工點(diǎn)以低填的方式通過(guò)，地形平坦。 該高速鐵路為雙線鐵路，線間距為5.0 m，單側(cè)路基半寬為4.3 m，路基填高3.6 m。 地表為第四系全新統(tǒng)坡殘積層粉質(zhì)黏土、黏土、含礫粉質(zhì)黏土，覆蓋層厚度大于30 m，下伏三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組粉砂巖。 測(cè)區(qū)位于綱紀(jì)向斜東翼，距綱紀(jì)向斜核部82 ～115 m，單斜構(gòu)造，層面產(chǎn)狀穩(wěn)定，近似水平，巖層產(chǎn)狀95°∠5°，發(fā)育2 組節(jié)理，節(jié)理產(chǎn)狀120°∠80°、60°∠85°，節(jié)理間距2～20 cm。 各層巖土物理參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巖土物理參數(shù)

各層巖土的e-p 曲線見(jiàn)表2。

表2 e-p 數(shù)據(jù)

地下水類型為第四系孔隙潛水、基巖裂隙水，埋深3.5～7.8 m，主要由大氣降水和地下徑流補(bǔ)給。 地下水的排泄主要通過(guò)潛流、蒸發(fā)兩種形式排泄。 地下水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)不具侵蝕性。

3.2 工程難點(diǎn)和對(duì)策

(1)工程難點(diǎn)

①鐵路等級(jí)高，對(duì)工后沉降要求較為嚴(yán)格(不大于15 mm)。 ②下部主要地層為軟土，具孔隙率大、承載力低、高壓縮性等特點(diǎn)。 施加路基填土和鐵路荷載后，其沉降量較大。

(2)對(duì)策

根據(jù)地層特點(diǎn)，分別采用碎石樁、旋噴樁、CFG 樁帽網(wǎng)結(jié)構(gòu)和樁板結(jié)構(gòu)四種工程措施，并對(duì)各方案的可行性進(jìn)行比較。

①碎石樁、水泥攪拌樁

碎石樁廣泛適用于松散的砂土、粉土、黏性土、素填土和雜填土地基。 在處理沙土和塑性指數(shù)不高的非飽和黏性土地基時(shí)，具有較好的擠密效果，可以提高地基的承載力，減少工后沉降。 但本線的地層以深厚軟土為主，碎石樁和水泥攪拌樁的樁身強(qiáng)度低，對(duì)提高加固區(qū)地基土體的復(fù)合模量作用較小，工后沉降量較大，故不建議采用這兩種工程措施。

②CFG 樁帽網(wǎng)結(jié)構(gòu)

CFG 樁帽網(wǎng)結(jié)構(gòu)屬于低強(qiáng)度樁體，適用于黏性土、粉土、人工填土、淤泥質(zhì)黏土和黃土等地層。 其樁身具有較高的強(qiáng)度和剛度，可以充分發(fā)揮樁的側(cè)摩阻力，將荷載傳遞至較深的土層，大幅度提高地基承載力，減少沉降量。 在處理深厚土層時(shí)，為保證成樁質(zhì)量，其樁長(zhǎng)不宜過(guò)大。

③樁板結(jié)構(gòu)

樁板結(jié)構(gòu)由鋼筋混凝土樁基、托梁及托板組成[11]，其樁身和托梁板可以提供足夠的剛度，在處理深厚軟弱地基時(shí)具有較為突出的優(yōu)點(diǎn)。

本工點(diǎn)軟弱土層較厚，一般的碎石樁和水泥攪拌樁無(wú)法滿足沉降控制要求。 以下對(duì)CFG 樁帽網(wǎng)結(jié)構(gòu)和樁板結(jié)構(gòu)做進(jìn)一步對(duì)比。

4 計(jì)算成果分析

高速鐵路的上部軌道結(jié)構(gòu)為整體道床，雙線鐵路荷載為50.5 kN/m2，單線荷載寬度為3.4 m，線間荷載為15.1 kN/m2，無(wú)砟軌道沉降限值按《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》[12]控制，其沉降限值為15 mm。

4.1 CFG 復(fù)合地基

(1)工程措施

考慮成樁質(zhì)量，CFG 樁帽網(wǎng)結(jié)構(gòu)的樁長(zhǎng)設(shè)為30 m，正方形布置，樁間距2.0 m，樁徑0.5 m。 CFG 樁樁頂設(shè)鋼筋混凝土板和0.15 m 厚碎石墊層，墊層頂部設(shè)C35 鋼筋混凝土板，樁帽厚0.5 m，樁帽長(zhǎng)寬均為1 m(見(jiàn)圖1)。

圖1 CFG 樁總沉降量盆形曲線(單位：m)

(2)沉降分析

采用承載應(yīng)力比法進(jìn)行沉降計(jì)算，其樁間土允許承載力取50 kPa，復(fù)合地基承載力取242.22 kPa。 根據(jù)式(5)，求得壓縮模量提高系數(shù)為4.84。 根據(jù)e-p曲線，當(dāng)層厚為33.5 m 時(shí)，最下面的分層附加應(yīng)力與自重應(yīng)力之比為9.981% (滿足其計(jì)算深度要求)，地基總沉降量為113 mm。 根據(jù)《鐵路工程地基處理技術(shù)規(guī)程》[8]

的相關(guān)規(guī)定，并結(jié)合鐵路等級(jí)對(duì)總沉降量進(jìn)行修正(總沉降量乘以1.2 倍的修正系數(shù))。 根據(jù)式(3)，總沉降量修正為135 mm，(其中施工期間的沉降量為81 mm，工后沉降量為54 mm)，不滿足無(wú)砟軌道的沉降要求。

4.2 樁板結(jié)構(gòu)

(1)工程措施

根據(jù)樁板結(jié)構(gòu)承載板的埋入深度，可將其分為埋入式樁板結(jié)構(gòu)及非埋式樁板結(jié)構(gòu)兩類[13]。 本工程采用埋入式樁板結(jié)構(gòu)，樁和板梁均為C35 鋼筋混凝土。樁身為鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)50 m，樁徑1 m，正方形布置，縱、橫間距5 m(滿足樁間距橫向小于6 倍樁徑的條件)[14]，樁頂鋪設(shè)板梁，板梁間設(shè)伸縮縫，縫寬2 cm，板梁厚0.8 m，板梁長(zhǎng)24.2～25 m。 板梁底部平鋪0.2 m厚的碎石墊層(見(jiàn)圖2)。

(2)沉降分析

檢算時(shí)，不考慮沉降變形，僅對(duì)影響深度范圍內(nèi)的下臥層進(jìn)行計(jì)算。 考慮樁基壓應(yīng)力的擴(kuò)散作用。 擴(kuò)散角取平均摩擦角的1/4 倍(即擴(kuò)散角取2°)[15]。 當(dāng)樁長(zhǎng)取50 m，計(jì)算深度取53 m 時(shí)，最下面的分層附加應(yīng)力與自重應(yīng)力之比為9.93%(滿足其計(jì)算深度要求)。則該工點(diǎn)的樁基沉降量為14 mm。 考慮1.2 倍的沉降修正系數(shù)。 根據(jù)式(6)，其總沉降量修正為16 mm(其中施工期間的沉降量為5 mm，工后沉降量為11 mm)，滿足無(wú)砟軌道的沉降控制要求。

圖2 樁板結(jié)構(gòu)總沉降量盆形曲線(單位：m)

(3)檢算結(jié)論

由計(jì)算可知，兩種工程措施的沉降量相差65 mm。采用CFG 樁帽網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行地基加固后，其工后沉降量仍不滿足控制要求。 而樁板結(jié)構(gòu)可有效降低加固區(qū)的沉降量，在后期的運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，經(jīng)多頻次檢測(cè)，該工點(diǎn)實(shí)測(cè)的沉降為8 mm(小于11 mm)，從而驗(yàn)證了該工點(diǎn)的計(jì)算方法和結(jié)果符合實(shí)際情況。

5 結(jié)束語(yǔ)

樁板結(jié)構(gòu)可以有效控制路基沉降，適用于基礎(chǔ)變形控制嚴(yán)格的深厚軟弱地基、濕陷性黃土地基、橋隧間短路基過(guò)渡段、岔區(qū)路基，以及既有路基加固、巖溶及采空區(qū)地基處理等。