基坑降水施工引起高速鐵路復(fù)合地基沉降的計算分析

馮江波

中鐵十八局集團有限公司 天津 300222

近些年來，我國的高鐵建設(shè)技術(shù)取得了飛躍式的進步，為推動區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展提供了新的活力。高鐵站作為綜合交通運輸樞紐，其建設(shè)通常具有滯后性，往往與城市軌道交通等建筑物同時施工，造成了高速鐵路復(fù)合地基的復(fù)雜性。

當?shù)罔F基坑進行降水施工時，一般會引起鄰近復(fù)合地基的沉降變形，而對于沉降變形的計算往往落后于工程實踐需要。因此，需要對基坑降水施工引起的高速鐵路復(fù)合地基沉降機理進行專項討論，才能更好地指導工程設(shè)計與施工[1-5]。

基坑降水過程是比較復(fù)雜的流固耦合作用過程。在不同的地質(zhì)條件下，其沉降變形特性將表現(xiàn)出差異性，如地層是堅硬還是軟弱、是否含有承壓水、地層的透水性如何，等等，均會對沉降變形產(chǎn)生影響[6-7]，降水引起的基坑沉降變形機理目前也尚未成熟。

李巍[8]通過分析認為，將地下水位下降深度處的有效應(yīng)力增量作為附加應(yīng)力進行沉降計算可以得到較為理想的預(yù)測效果。

邱平[9]利用數(shù)值分析軟件，基于滲流-應(yīng)力耦合理論，分析了基坑降水引起的地面變形。

張光宗等[10]對基坑降水引起的CFG樁-筏復(fù)合地基沉降進行了探討，為復(fù)合沉降計算提供了方法。

本文在總結(jié)前人研究理論、經(jīng)驗和方法的基礎(chǔ)上，針對深厚松軟土地基，進行了預(yù)應(yīng)力高強度混凝土預(yù)制管樁（PHC）和水泥粉煤灰碎石樁（CFG）的復(fù)合地基處理的沉降變形計算分析，可為類似工程施工建設(shè)時的變形預(yù)測、監(jiān)測提供借鑒。

1 樁端刺入量法

水位下降引起剛性樁體發(fā)生壓縮變形之前，由于上部路基填筑和堆載預(yù)壓等使得樁體軸力顯著增大，導致樁體壓縮量明顯增大。在水位下降過程中，雖然樁體軸力繼續(xù)增加，但此時壓縮量可忽略不計；當基坑水位下降時，會引起復(fù)合地基中孔隙水壓力降低、土體壓縮模量增大、樁-土之間的相對位移量變大，同時樁體的負側(cè)摩阻力也會相應(yīng)增加。

此時，復(fù)合地基加固區(qū)域的壓縮量S1可用如式（1）進行表示：

式中：S1——加固區(qū)的壓縮量；

SP——樁體的壓縮量；

V——樁底刺入下臥層中的長度。

其中，SP可以通過現(xiàn)場測量所得，刺入量可通過樁端處應(yīng)力比的大小變化求取，根據(jù)工程經(jīng)驗，有如式（2）所示的經(jīng)驗公式[12]：

式中：n′——樁端處的樁土應(yīng)力比。

當水位下降時，會引起下臥層壓縮變形，此時下臥層的壓縮模量、置換率、樁徑和內(nèi)摩擦角等為定值，但水位下降會引起上部荷載重新分配，樁間土體的有效應(yīng)力降低。采用分層總和法計算下臥層壓縮量S2〔式（3）〕：

式中：S2——下臥層的壓縮量；

Vpi——第i分層土壓力；

Esi——第i分層壓縮模量；

Hi——第i分層的厚度。

加固區(qū)壓縮量S1和下臥層沉降量S2的總和即為降水施工期間復(fù)合地基的總沉降量S〔式（4）〕：

2 案例分析

2.1 工程背景

興泉鐵路寧泉段XQNQ－6標段二分部線路起于洋田車站三線大橋大里程臺尾（DK356＋136.5），終于戴云山二號隧道出口（D1K384＋422），位于福建省泉州市德化縣、永春縣境內(nèi)，正線長28 319.6 m，設(shè)計速度160 km/h。其中，德化車站位于德化縣蓋德鎮(zhèn)，車站按2臺4線布置，為客貨運辦理站，站場范圍內(nèi)分布著深厚的軟土地基層（從上往下依次為素填土、粉質(zhì)黏土、細中砂、細砂、卵石等地層）。

工程采用PHC樁和CFG樁分別對正線和輔線進行地基加固處理。正線PHC樁長為35 m，管徑為0.5 m，正方形布置，間距為2 m；輔線CFG樁管徑為0.5 m，縱向間距1.5 m，橫向間距1.6 m，長度分別為15、20和25 m。原地下水位平均深度為－2.5 m，施工時基坑降水最大降深為－26 m。車站的典型斷面設(shè)計如圖1所示。

圖1 車站典型斷面設(shè)計

2.2 基坑土層參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場勘察和室內(nèi)土工試驗結(jié)果，按照相關(guān)設(shè)計規(guī)范，分別確定出加固區(qū)土層、下臥層土體及基坑設(shè)計的相關(guān)參數(shù)。

2.3 沉降計算

首先計算不同長度樁體的樁土應(yīng)力比，樁土應(yīng)力比為樁端應(yīng)力P端與樁端土中應(yīng)力P中的比值〔式（5）〕。

將相關(guān)巖土力學參數(shù)和支護參數(shù)代入求解（求解過程較為復(fù)雜，不再贅述），分別得到樁端應(yīng)力和樁土應(yīng)力值，同時計算得到了樁土應(yīng)力比，見表1。從表1中數(shù)據(jù)可以看到：PHC樁每延米的樁土應(yīng)力比值大于CFG的樁土應(yīng)力比值，同種樁情況下，樁土應(yīng)力比與樁長相關(guān)，樁越長，樁土應(yīng)力比越大。

表1 樁端、樁端土中應(yīng)力及樁土應(yīng)力比

將表1中的樁土應(yīng)力比值代入公式（2），計算樁端刺入量，即有：35 m的PHC樁V＝151.0 mm，25 m的CFG樁V＝75.0 mm，20 m的CFG樁V＝62.8 mm，15 m的CFG樁 V＝51.6 mm。按照分層總和法分別計算得到不同樁型的復(fù)合地基下臥層沉降值，見表2。

表2 下臥層沉降量

從表2中可以看到：下臥層沉降值與樁長有關(guān)，樁越長，對下臥層地基沉降的抑制作用越明顯，下臥層的沉降量越小。

將樁端刺入量與對應(yīng)的下臥層沉降量相加，即可得到每種樁型的沉降值：35 m的PHC樁S＝201.3 mm，25 m的CFG樁S＝127.2 mm，20 m的CFG樁S＝140.8 mm，15 m的CFG樁S＝171.1 mm。

由于在樁端刺入量法推算沉降量過程中，將降水疏干過后土體的重度認為是飽和重度，這實際上增加了有效應(yīng)力增量（較實際值偏大），因此導致下臥層的沉降值較實際值偏大。而在計算樁側(cè)阻力時，往往取值是按偏安全的系數(shù)進行計算的，也會造成樁體刺入量的增大，導致復(fù)合地基沉降量明顯大于實際值。因此，為了準確預(yù)測和分析車站地基降水施工過程中的沉降量變化情況，需對樁端刺入量法計算值進行修正。

對不同樁長下的地基沉降值進行現(xiàn)場監(jiān)測，得到35 m的PHC樁、25 m的CFG樁、20 m的CFG樁、15 m的CFG樁的實測沉降變形值分別為58.8、43.7、61.2和61.4 mm。將樁端刺入量法計算得到的實測值與計算值相除，得到復(fù)合地基沉降修正系數(shù)k〔式（6）〕：

將計算值與實測值通過式（6）分別計算得到相應(yīng)的修正系數(shù)k為0.292、0.344、0.435和0.359。樁徑一定時，沉降量主要與樁長有關(guān)（暫不考慮樁種類影響），故考慮樁長與修正系數(shù)k的關(guān)系，如圖2所示。

圖2 樁長與修正系數(shù)k關(guān)系

從圖2中可以得知：修正系數(shù)k與樁長L之間呈現(xiàn)出較好的線性關(guān)系。因此，可用公式（7）對復(fù)合地基的沉降量進行修正：

將樁長反代入公式（7），分別得到各自的擬合修正系數(shù)值，分別為0.293、0.347、0.372和0.400，將其分別乘以樁端刺入量法計算沉降值，即可得到預(yù)測的復(fù)合地基實際沉降量，其值分別為59.8、44.2、52.9和68.4 mm，修正前后與實測沉降量對比如圖3所示。

從圖3中可以看到：經(jīng)復(fù)合地基沉降系數(shù)調(diào)整后的沉降量與現(xiàn)場實測沉降值基本吻合，兩者相差的平均值為4.2 mm，平均相對誤差小于10%，表明修正后的樁端刺入量法計算復(fù)合地基的沉降效果較佳。該方法可運用于類似地基降水工程沉降變形的預(yù)測。

圖3 修正前后與實測沉降量對比

3 結(jié)語

基坑降水施工是現(xiàn)代交通工程領(lǐng)域最為常見的施工工序之一，做好基坑降水期間周圍地基的沉降變形預(yù)測、監(jiān)測和控制對于工程安全具有重要意義。文章基于實際工程，提出利用修正的樁端刺入量法預(yù)測不同樁型處理時復(fù)合地基降水施工期間的沉降變形，對類似基坑降水施工具有一定的指導意義。由于案例工程僅具有1種長度的PHC樁和3種長度的CFG樁，樁型偏少，因此筆者計算時將2種樁型做統(tǒng)一分析，必將會帶來一定的誤差。

可以預(yù)見的是，若實際工程樁型足夠，將PHC樁和CFG樁分別擬合，將得到更加精確的預(yù)測效果，該理論方法可借鑒運用于實際工程之中。