路堤荷載下擠密螺紋樁復(fù)合地基沉降現(xiàn)場試驗(yàn)

鄭軍鋒

(中鐵二十四局集團(tuán)福建鐵路建設(shè)有限公司，福建 福州 350000)

引言

在軟土地基處理工程中，樁+土工格柵或土工格室的樁-網(wǎng)復(fù)合地基得到廣泛應(yīng)用[1]，常見樁網(wǎng)復(fù)合地基樁體有水泥土攪拌樁[2]、碎石樁[3-4]、CFG樁[5]等。近年來，螺紋樁得到快速發(fā)展，擠密螺紋樁[6]樁-網(wǎng)復(fù)合地基成為一種新型的軟土地基處理方式，在鐵路工程中已得到實(shí)際應(yīng)用。早期的復(fù)合地基一般屬于單一型的復(fù)合地基，即水平向增強(qiáng)體型或豎直向增強(qiáng)體型[7]。新建興泉鐵路黃塘車站采用的擠密螺紋樁+土工格室+碎石墊層的樁網(wǎng)復(fù)合地基屬于聯(lián)合形式的復(fù)合地基。其中土工格室+碎石墊層組成了上部水平方向增強(qiáng)體；擠密螺紋樁組成了下部豎直方向增強(qiáng)體。復(fù)合地基使樁-網(wǎng)-土協(xié)調(diào)作用，共同承擔(dān)上部荷載，能夠有效地提高地基承載力，減小地基沉降[8]。許多學(xué)者從加固機(jī)理、沉降計(jì)算[9-10]等方面對樁網(wǎng)復(fù)合地基的承載特性及工后沉降進(jìn)行了大量研究。閆林棟[11]等通過現(xiàn)場監(jiān)測得出CFG樁復(fù)合地基樁、土之間存在差異沉降，其差異沉降隨著施工進(jìn)程及樁土應(yīng)力的不斷調(diào)整逐漸趨于穩(wěn)定。通過室內(nèi)模型試驗(yàn)，李善珍[12]等認(rèn)為樁(帽)網(wǎng)復(fù)合地基和樁筏復(fù)合地基在路堤荷載作用下的沉降及荷載傳遞表現(xiàn)出相似的規(guī)律，其中樁筏復(fù)合地基中樁分擔(dān)的荷載最大，樁帽網(wǎng)復(fù)合地基次之。袁江雅[13]、章定文[14]等對樁網(wǎng)(筏)復(fù)合地基的承載機(jī)理及變形特性做了研究，為工程應(yīng)用提供了參考。針對樁網(wǎng)復(fù)合地的探討大多針對傳統(tǒng)直樁樁網(wǎng)復(fù)合地基。由于擠密螺紋樁在樁身構(gòu)造及成樁工藝上與傳統(tǒng)直樁有明顯差別，其樁網(wǎng)復(fù)合地基在承載特性和沉降規(guī)律也會(huì)有一定的差別。本研究主要通過現(xiàn)場測試，探討擠密螺紋樁樁網(wǎng)復(fù)合地基樁土沉降變形規(guī)律，研究樁土應(yīng)力比與樁土差異沉降的關(guān)系，為完善軟土地區(qū)擠密螺紋樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)理論提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 工程概況

興泉鐵路黃塘車站屬丘陵地貌，地形起伏較大，場內(nèi)上覆地層為第四系全新統(tǒng)人工填土、坡洪積層松軟土、粉質(zhì)黏土、沖洪積層軟土、粉質(zhì)粘土、中砂，下伏基巖為志留紀(jì)西溪超單元花崗巖。

試驗(yàn)場地位于擠密螺紋樁復(fù)合地基加固A區(qū)和加固D區(qū)。擠密螺紋樁樁徑為0.5 m(其中螺牙外徑為0.5 m，螺桿直徑為0.4 m)，采用正三角形布置。A區(qū)樁長4.0～8.5 m，D區(qū)樁長4.2～7.0 m。復(fù)合地基采用擠密螺紋樁樁+土工格室+碎石墊層的結(jié)構(gòu)形式，具體鋪設(shè)方案：(1)樁頂首先鋪設(shè)0.25 m厚碎石墊層；(2)在第一層碎石墊層上鋪設(shè)土工格室(0.05 m)并填充碎石于土工格室內(nèi)；(3)最后鋪設(shè)0.3 m厚的碎石?，F(xiàn)場實(shí)際施工時(shí)發(fā)現(xiàn)，擠密螺紋樁成樁完成后，樁頭附近一定范圍內(nèi)有浮漿涌出。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，A區(qū)和D區(qū)擠密螺紋樁成樁完成并達(dá)到強(qiáng)度后進(jìn)行了砍樁處理，除去了樁頭的浮漿，然后鋪設(shè)碎石墊層。為了對比研究砍除樁頭和不對樁頭進(jìn)行處理的復(fù)合地基沉降特性，特意在D區(qū)選擇局部區(qū)域不做砍樁處理，直接鋪設(shè)碎石墊層。圖1(a)和(b)分別為A區(qū)和D區(qū)局部區(qū)域復(fù)合地基加固示意圖。

圖1 擠密螺紋樁復(fù)合地基示意圖Fig.1 Schematic diagram of compacted threaded pile composite foundation

1.2 試驗(yàn)方案

現(xiàn)場試驗(yàn)內(nèi)容主要包括路堤填土過程中樁頂及樁間土沉降監(jiān)測和應(yīng)力監(jiān)測。監(jiān)測儀器包括沉降板和土壓力盒，分別用于監(jiān)測樁土沉降變化和應(yīng)力變化。現(xiàn)場沉降板和土壓力盒布置示意圖如圖2所示。A區(qū)具體布置方式為：57-16號樁樁頂布置樁頂沉降板，57-17和57-18號樁之間布置樁間沉降板，59-17、60-17和60-18號樁樁頂布置3個(gè)土壓力盒，編號P1、P2、P3，樁間土布置3個(gè)土壓力盒，編號S1、S2、S3；D區(qū)具體布置方式為：87-14號樁樁頂布置樁頂沉降板，86-12和86-13號樁之間布置樁間沉降板。

圖2 沉降板及土壓力盒布置示意圖Fig.2 Layout of settlement board and soil pressure cell

沉降板布置時(shí)，樁頂測點(diǎn)使用水泥澆筑找平，樁間土測點(diǎn)開挖深50 cm × 50 cm × 20 cm左右的土坑，坑內(nèi)用厚3～5 cm厚的黃砂墊平壓實(shí)，沉降板放置于測點(diǎn)后，用水準(zhǔn)尺校正水平，再填土壓實(shí)，并用PVC塑料套管保護(hù)測桿。土壓力盒布置時(shí)，先將測點(diǎn)整平，再鋪設(shè)一層經(jīng)過篩選的細(xì)砂，厚度為10～15 cm，夯實(shí)找平，再安裝土壓力盒就位。

現(xiàn)場樁土沉降監(jiān)測、應(yīng)力監(jiān)測及路堤填土高度監(jiān)測頻率均為1 次/d。

2 結(jié)果分析

2.1 路堤荷載下樁、土沉降規(guī)律

圖3為實(shí)測樁、土沉降及填土高度隨填土?xí)r長變化曲線，可以看出，路堤填筑過程中，樁頂和樁間土沉降隨時(shí)填土?xí)r長及填土高度的增加而增大，樁間土沉降大于樁頂沉降。監(jiān)測期末，A區(qū)樁、土沉降穩(wěn)定在46 mm和101 mm，D區(qū)樁、土沉降穩(wěn)定在63 mm和78 mm。路堤填筑過程中，由于施工工期及天氣影響，部分填土層之間較長時(shí)間未施工，靜載恒定期較長。從靜載恒定段(填土高度保持不變)沉降曲線可以看出，靜載恒定期間樁頂及樁間土沉降曲線較為平緩，表現(xiàn)為沉降先緩慢增加，后趨于穩(wěn)定的變化趨勢，說明路堤荷載作用下，樁網(wǎng)復(fù)合地基最終會(huì)達(dá)到變形協(xié)調(diào)狀態(tài)，共同承擔(dān)上部荷載。

圖3 樁、土沉降及填土高度隨填土?xí)r長變化曲線Fig.3 Variation curves of pile and soil settlement and height of embankment with the time of embankment

由圖3(a)、3(b)可見，A區(qū)第5層(靜載恒定段Ⅰ)和最后一層填土(靜載恒定段Ⅱ)及D區(qū)最后一層填土(靜載恒定段Ⅲ)靜載恒定時(shí)間持續(xù)較長，靜載恒定期間樁、土沉降量如表1所示，由表可見，靜載恒定期間內(nèi)樁頂及樁間土都會(huì)發(fā)生少量沉降，樁、土沉降量都隨當(dāng)層填土厚度的增大而增大，且樁間土沉降大于樁頂沉降，說明靜載作用對樁間土沉降的影響更大。

表1 靜載恒定期間樁、土沉降Tab.1 Pile and soil settlement during constant static load

圖4所示為樁、土沉降隨填土高度變化曲線，由圖4可見，在觀測期間內(nèi)，隨著填土高度的增加，樁頂及樁間土沉降基本呈線性增加，且實(shí)測樁間土沉降大于樁頂沉降。由于路堤填筑采用同種填料，因此，填土高度即反映了路堤荷載的大小，可得：在路堤荷載不大時(shí)(填土高度 <6 m)，擠密螺紋樁復(fù)合地基樁、土沉降隨路堤荷載的增大基本呈線性增加，且樁間土沉降大于樁頂沉降。

圖4 樁、土沉降隨填土高度變化曲線Fig.4 Variation curves of pile and soil settlement with the height of embankment

2.2 樁土差異沉降分析

圖5給出了兩個(gè)監(jiān)測區(qū)域?qū)崪y樁、土差異沉降隨填土高度變化曲線，由圖5可知：樁、土差異沉降隨填土高度的增加基本呈線性增加。同時(shí)可以看出加固D區(qū)的樁土差異沉降遠(yuǎn)小于加固A區(qū)，分析發(fā)現(xiàn)：兩個(gè)加固區(qū)域地理位置很近，工況幾乎相同，不同之處在于加固A區(qū)進(jìn)行了砍樁處理，切除了樁頂以下0.5 m的樁頭，樁頂附近較為平整且無浮漿(如圖1(a)所示)，D區(qū)試驗(yàn)區(qū)域特意進(jìn)行不砍樁處理，樁頂附近有大量浮漿(如圖1(b)所示)。因此推測樁頂表面浮漿是造成D區(qū)差異沉降小于A區(qū)的主要原因。分析表明：加固D區(qū)樁頂表面浮漿承擔(dān)了部分路堤荷載，并將其傳遞到樁體中，重新調(diào)節(jié)了樁土荷載分擔(dān)比重，使樁頂荷載增加，樁間土荷載減小，造成樁頂沉降增大，樁間土沉降減小，從而使樁、土差異沉降減小。由圖4也可以看出：A區(qū)樁頂沉降小于D區(qū)，而樁間土沉降則大于D區(qū)，這也驗(yàn)證了上述結(jié)論。樁頂附近表面浮漿硬化后具有一定的強(qiáng)度，在一定程度上相當(dāng)于形成了一個(gè)不規(guī)則的樁帽，因此可以提高樁體分擔(dān)荷載，降低差異沉降，這與郭帥杰[15]采用楔形土拱模型和荷載傳遞理論分析得出的結(jié)論相一致。監(jiān)測期末，A區(qū)樁、土沉降穩(wěn)定在46 mm和101 mm，D區(qū)樁、土沉降穩(wěn)定在63 mm和78 mm，說明D區(qū)整體沉降比A區(qū)小。因此，在樁網(wǎng)復(fù)合地基的設(shè)計(jì)中，合理設(shè)置樁帽可以減小樁、土差異沉降及復(fù)合地基整體沉降。

圖5 樁、土差異沉降隨填土高度變化曲線Fig.5 Variation curves of pile-soil differential settlement with the height of embankment

2.3 樁土差異沉降與樁土應(yīng)力比關(guān)系

圖6給出了加固A區(qū)土壓力盒實(shí)測數(shù)據(jù)，由圖6可以看出，路堤填土過程中，樁頂和樁間土應(yīng)力均不斷增大，且樁頂應(yīng)力大于樁間土應(yīng)力。路堤荷載下樁網(wǎng)復(fù)合地基各點(diǎn)的沉降量并不相同，樁間土的沉降要大于樁頂沉降，原因在于路堤填土基礎(chǔ)是區(qū)別于剛性基礎(chǔ)的柔性基礎(chǔ)。由于樁土差異沉降的存在，使得路堤填土在豎直方向產(chǎn)生的應(yīng)力發(fā)生了應(yīng)力重分布現(xiàn)象，最終導(dǎo)致樁頂豎向應(yīng)力增加而樁間土豎向應(yīng)力減小的現(xiàn)象，即發(fā)生了“土拱效應(yīng)”。

圖6 實(shí)測土壓力隨填土?xí)r長變化曲線Fig.6 Variation curves of measured earth pressure with the time of embankment

Terzaghi在1943年通過“活動(dòng)門試驗(yàn)”對土工效應(yīng)進(jìn)行了驗(yàn)證[16]，土拱存在兩個(gè)特點(diǎn)：(1)土體中存在差異沉降；(2)出現(xiàn)了明顯的拱腳。為了驗(yàn)證施工現(xiàn)場柔性基礎(chǔ)下復(fù)合地基是否存在“土拱效應(yīng)”，結(jié)合樁土應(yīng)力比[17]與樁土差異沉降進(jìn)行分析。

樁土應(yīng)力比表達(dá)式：

(1)

式中:σcol表示作用在樁頂?shù)穆返毯奢d；σsoil表示作用在樁間土的路堤荷載。

為了更直觀地探究樁土應(yīng)力比隨樁土差異沉降變化規(guī)律，繪制出加固A區(qū)樁土差異沉降與樁土應(yīng)力比關(guān)系曲線如圖7所示，可以看出，隨著樁土差異沉降的增加，樁土應(yīng)力比先增加，達(dá)到峰值后有所減小，并最終趨于穩(wěn)定。這與曹衛(wèi)平[18]等通過設(shè)計(jì)室內(nèi)試驗(yàn)對土拱效應(yīng)進(jìn)行研究得到的規(guī)律相一致。在路堤荷載作用下，樁土差異沉降小于25 mm時(shí)，4組樁土應(yīng)力比均隨樁土差異沉降增加而增大，且在樁土差異沉降為25 mm附近達(dá)到峰值2.29～3.35，隨著差異沉降繼續(xù)增加，樁土應(yīng)力比有所減小并最終趨于穩(wěn)定，實(shí)測A區(qū)樁土沉降比穩(wěn)定在1.80～2.65之間，對比剛性基礎(chǔ)，比值較小，說明樁間土在荷載承擔(dān)上發(fā)揮了較大的作用。

圖7 樁、土應(yīng)力比隨填土高度變化曲線Fig.7 Variation curves of pile-soil stress ratio with the height of embankment

由于現(xiàn)場試驗(yàn)受到諸多環(huán)境的干擾，試驗(yàn)數(shù)據(jù)存在一定的偏差。

目前關(guān)于樁土應(yīng)力比的相關(guān)研究較多，國內(nèi)外學(xué)者在不同的工況條件下，通過提出不同的假設(shè)條件，對樁土應(yīng)力比的解析解進(jìn)行建立，并與實(shí)際工況進(jìn)行對比驗(yàn)證解析解的準(zhǔn)確性。饒為國[19]在復(fù)合地基樁土應(yīng)力比進(jìn)行研究時(shí)，考慮到網(wǎng)與墊層具有的“拉膜效應(yīng)”，對墊層與網(wǎng)組成的“復(fù)合網(wǎng)墊”單元進(jìn)行受力分析，如圖8所示。

圖8 網(wǎng)單元受力平衡狀態(tài)Fig.8 Net unit stress balance state

復(fù)合網(wǎng)墊單元的受力分析如式(2)：

W=2Psinθ+Pp+Ps

(2)

為了對夾角θ進(jìn)行計(jì)算，將網(wǎng)與墊層組合“復(fù)合網(wǎng)墊”的變形近似假設(shè)為拋物線，其中將拋物線的最低點(diǎn)假設(shè)為最大差異沉降S∞。通過分析正三角形布樁形式下簡化樁周土所承擔(dān)的上部土柱面積，求出在正三角形布樁形式下的樁土應(yīng)力比解析式[19]。

(3)

式中：l為上覆土的容重，通過環(huán)刀法測得數(shù)據(jù)為23.5 kN/m3；H為路堤填土高度，m；f為樁土承載力標(biāo)準(zhǔn)值，其值為100 kPa；λ為樁間土體承載力發(fā)揮系數(shù)，當(dāng)Hγ≤f時(shí)，系數(shù)取值范圍在0.3～0.8之間，當(dāng)Hγ>f時(shí)，系數(shù)取值為1.0；ε為土工格柵工作下應(yīng)變，其值為9.5%；Eg為土工格柵抗拉模量，其值為102 kN/m。

在進(jìn)行計(jì)算時(shí)，樁徑d取值0.5 m。將參數(shù)數(shù)值與樁土差異沉降代入等式(3)，繪制樁土應(yīng)力比隨樁土差異沉降變化曲線如圖9所示。

圖9 應(yīng)力比與差異沉降的關(guān)系曲線Fig.9 Relationship curve between stress ratio and differential settlement

結(jié)合圖7與圖9可以看出，理論分析與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)反映的規(guī)律相近，因此在現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)與求解得到的解析解基礎(chǔ)上，結(jié)合修正的Terzaghi土拱理論提出簡化樁土應(yīng)力比隨樁土差異沉降變化曲線如圖10所示。

圖10 簡化差異沉降與樁土應(yīng)力比關(guān)系曲線Fig.10 Relationship curve between the simplified differential settlement and pile-soil stress ratio

利用簡化的關(guān)系曲線對柔性基礎(chǔ)下擠密螺紋樁復(fù)合地基工作機(jī)理進(jìn)行分析，在填土初期，當(dāng)樁與樁間土之間的差異沉降ΔS滿足ΔS≤ΔS1時(shí)，隨著ΔS的增加，樁土應(yīng)力比逐漸增大，在ΔS1時(shí)達(dá)到最大值，此時(shí)對應(yīng)的樁土應(yīng)力比為n極限，土拱效應(yīng)發(fā)揮到最大程度。當(dāng)ΔS繼續(xù)增加時(shí)，樁土應(yīng)力比開始減小，意味著樁間土荷載分擔(dān)比重開始增加。ΔS增加到ΔS2時(shí)，曲線進(jìn)入平穩(wěn)狀態(tài)，此時(shí)對應(yīng)的樁土應(yīng)力比為n穩(wěn)定，之后隨著ΔS的增加，n在n穩(wěn)定附近上下波動(dòng)。

3 受力、變形分析

樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)合包括樁、樁帽、網(wǎng)、土等四大組成部分，在荷載作用下，各部分將通過相互作用共同承載，保證整個(gè)復(fù)合地基有效運(yùn)行。

樁體剛度較大，上部路基荷載大部分由樁體承擔(dān)，并通過樁體將荷載傳遞給深層土體，樁間土所分擔(dān)的荷載相對于無樁的情形下將減小，這樣可使復(fù)合地基承載力提高，同時(shí)減小沉降量。

隨著路堤荷載的增加，墊層材料不斷調(diào)整并補(bǔ)充到樁間土上，保證在任意荷載下樁和樁間土始終參與工作。此外，還起到應(yīng)力擴(kuò)散作用，有利于減小土體沉降量，提高地基承載力。

在填土荷載作用下，路基土體會(huì)產(chǎn)生豎向位移及側(cè)向位移，樁體除了提高地基承載力外，還可以提高土體抗剪強(qiáng)度，增大路基的抗滑能力；同時(shí)在土體中加入人工合成材料，在外力作用下，由于筋土變形不一致導(dǎo)致兩者間產(chǎn)生相對位移趨勢，進(jìn)而調(diào)動(dòng)兩者間摩阻力，使得筋材受到拉力，限制了土體的側(cè)向擠出，有效地減小土體橫向變形，提高其穩(wěn)定性。

加入土工格柵等加筋材料的復(fù)合墊層受力時(shí)表現(xiàn)為盤形或膜形變形。由于樁間土的彎沉使土工格柵隨之被拉緊，從而調(diào)動(dòng)它的抗拉能力，起到張力膜效應(yīng)，同時(shí)將荷載均勻地傳遞、分布到地基土中。隨著土工格柵抗拉強(qiáng)度的增加，將部分作用在樁間土上的荷載傳遞給樁體，起到調(diào)節(jié)樁土應(yīng)力比的作用，并能提高復(fù)合地基承載力，降低樁、土沉降差。

4 結(jié)論

基于擠密螺紋樁復(fù)合地基在填土荷載作用下沉降及應(yīng)力現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，對擠密螺紋樁樁-網(wǎng)(土工格室+碎石墊層)復(fù)合地基的沉降規(guī)律及承載特性進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，當(dāng)路堤填筑高度小于6 m時(shí)：

1)樁、土沉降隨填土?xí)r長及填土高度的增加而增大，隨路堤荷載的增加而線性增大，樁間土沉降大于樁頂沉降。隨著時(shí)間的延續(xù)，樁網(wǎng)復(fù)合地基之間的沉降最終會(huì)達(dá)到變形協(xié)調(diào)狀態(tài)，共同承擔(dān)上部荷載。

2)樁、土差異沉降隨填土高度的增加基本呈線性增加。在樁網(wǎng)復(fù)合地基的設(shè)計(jì)中，合理設(shè)置樁帽可以減小樁、土差異沉降及復(fù)合地基整體沉降。

3)樁土應(yīng)力比隨著樁土差異沉降的增加，先增加，后減小，并最終趨于穩(wěn)定。樁土應(yīng)力比存在一個(gè)極限值，此時(shí)樁體荷載分擔(dān)比重最大，土拱效應(yīng)發(fā)揮到最大程度。實(shí)測A區(qū)樁土應(yīng)力比峰值在2.29～3.35之間，穩(wěn)定值在1.80～2.65之間。