蔣宗全，趙同生，朱 明，馬建林，朱浩波

(1.中國水電集團(tuán)，北京 100048;2.西南交通大學(xué)，成都 610081)

CFG樁復(fù)合地基由CFG樁體、樁間土和褥墊層三部分組成。目前，國內(nèi)對(duì)于剛性基礎(chǔ)下CFG樁復(fù)合地基的承載力、變形、樁土應(yīng)力比、荷載傳遞規(guī)律、墊層效應(yīng)、動(dòng)力特性以及可靠度等方面進(jìn)行了研究，取得了豐富的成果［1-3］，但關(guān)于柔性基礎(chǔ)下復(fù)合地基工作性狀的研究工作較少［4-6］。鑒于柔性荷載下CFG樁復(fù)合地基的作用機(jī)理、計(jì)算理論等尚未成熟，也沒有相關(guān)經(jīng)驗(yàn)可供參考，從我國新建鐵路的發(fā)展現(xiàn)狀來看，開展CFG樁的相關(guān)試驗(yàn)工作十分必要。開展CFG樁相關(guān)試驗(yàn)工作，一方面可優(yōu)化CFG樁樁筏復(fù)合地基設(shè)計(jì)參數(shù)，指導(dǎo)CFG樁設(shè)計(jì)與施工;另一方面，可以通過試驗(yàn)工點(diǎn)的測(cè)試，研究分析提出柔性荷載作用下的CFG樁復(fù)合地基的計(jì)算方法和設(shè)計(jì)原則，驗(yàn)證目前采用設(shè)計(jì)計(jì)算方法的合理性，為編制相關(guān)規(guī)范提供依據(jù)，更好地為我國鐵路建設(shè)事業(yè)在新時(shí)代的進(jìn)一步跨越式發(fā)展作出貢獻(xiàn)。

1 工程概況

新建鐵路曲阜東站為全線CFG樁比較集中的區(qū)段，地形平坦，地勢(shì)開闊，線路以填方通過，路堤填高為6.8～7.2 m。填方上預(yù)壓土高度為3.5 m，分層填筑。自上而下主要地層情況見表1。

試驗(yàn)所選擇的CFG樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)參數(shù)為:樁徑0.5 m，間距1.8 m，正方形布置，每排18根樁，共27排。樁頂高程 3.95 m，樁底高程 －19.4 m，樁頂設(shè)0.15 m厚碎石墊層，其上在中心23.9 m范圍內(nèi)設(shè)0.5 m厚鋼筋混凝土板，鋼筋混凝土板兩側(cè)各設(shè)置4.5 m寬、0.6 m厚的碎石墊層夾兩層土工格柵。

本次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究采用液位沉降計(jì)、單點(diǎn)沉降計(jì)，沉降板監(jiān)測(cè)CFG樁的沉降變形。

路基填筑及預(yù)壓土施工期間荷載—時(shí)間曲線如圖1和圖2所示。

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成果分析

2.1 液位沉降計(jì)

液位沉降計(jì)分別安裝在路堤邊坡、路肩、線路中心、路基中心左側(cè)(兩樁間)、路基中心右側(cè)(四樁中心)、路基中心樁頂和路基中心樁間土處。根據(jù)各液位沉降計(jì)的測(cè)試數(shù)據(jù)，可得沉降曲線如圖3所示。

表1 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)土層地質(zhì)條件

圖1 填筑期間荷載—時(shí)間曲線

圖2 靜置期間荷載—時(shí)間曲線

圖3 液位沉降計(jì)測(cè)試結(jié)果

圖3所示試驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果表明:

1)路基中心、左路肩和坡腳樁土沉降差依次增大，坡腳的沉降差遠(yuǎn)大于前兩者。由于路堤結(jié)構(gòu)所致，路基中心的填筑荷載最大，線路中心、路肩、邊坡處依次遞減。同時(shí)，坡腳處CFG樁身受力不均勻，樁頂處承受水平推力，所以邊坡處樁土沉降差大，而路基中心處，樁土沉降差較小。

2)路基中心左側(cè)樁頂與左路肩樁頂至卸載26 d時(shí)發(fā)生的沉降只有2.2 mm的差異?？梢酝茢嘣阡摻罨炷涟遄饔梅秶鷥?nèi)，由于鋼筋混凝土板的調(diào)整，樁頂發(fā)生的位移差別不大，鋼筋混凝土板范圍內(nèi)CFG樁受力均勻。

3)兩樁與四樁中心樁間土，由于樁體的約束作用，兩樁中心土所受影響要比四樁中心大，故兩樁中心能夠承受較大的荷載，即兩樁中心處應(yīng)力應(yīng)大于四樁中心，沉降要小于四樁中心樁間土。

4)主要沉降發(fā)生在加載期間，并且卸載后沒有發(fā)生明顯回彈。在填筑加載和靜置期間樁頂與樁間土的沉降差基本保持不變。

5)根據(jù)圖3，從路基中心線處沉降的發(fā)展可將上述沉降曲線發(fā)展過程分為3個(gè)階段，如表2所示。

在第3階段的平均沉降速率為0.019 m/d≤0.088 mm/d，滿足高速鐵路無砟軌道鋪設(shè)的條件。

表2 沉降發(fā)展階段表

2.2 單點(diǎn)沉降計(jì)

單點(diǎn)沉降計(jì)安裝說明如表3所示。單點(diǎn)沉降計(jì)測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

從圖4可見，樁端處和樁端下1 m處沉降差很小。除了可能的、施工帶來的技術(shù)原因外，樁端持力層為細(xì)砂層，便于CFG樁灌注時(shí)水泥漿的浸透、傳輸和固化加固也是其重要原因。加固區(qū)及以下樁間土的壓縮變形量情況見表4。

表4 加固區(qū)及以下樁間土的壓縮變形量

將液位沉降計(jì)與單點(diǎn)沉降計(jì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較得出:路基中心處，卸載26 d后，加固區(qū)樁間土沉降為10.23 mm，下臥層沉降為30.61 mm，CFG樁加固區(qū)的壓縮沉降占最大沉降的23.7%，下臥層沉降占76.3%。

2.3 磁環(huán)式分層沉降管

磁環(huán)式分層沉降管測(cè)試結(jié)果如圖5所示。當(dāng)完成路堤及超載土層填筑后，上部磁環(huán)沉降量較大，下部沉降量較小。在靜置時(shí)間2～3月以后，沉降量基本不再增加，趨于穩(wěn)定，曲線呈重合狀。預(yù)壓土卸載后，沉降曲線無明顯變化，基本保持原狀。頂部磁環(huán)最大沉降量達(dá)50.3 mm，最底部磁環(huán)沉降量為14.4 mm。對(duì)于頂部最終沉降，填筑結(jié)束時(shí)的沉降為最終沉降的51%，靜置兩個(gè)月后達(dá)到88%。

圖5 磁環(huán)式分層沉降管測(cè)試結(jié)果

預(yù)壓土卸載結(jié)束后加固區(qū)與下臥層沉降百分比如圖6所示。在卸載后，下臥層沉降量占到總沉降量的78.55%，幾乎是加固區(qū)沉降量的4倍，可見樁將荷載傳遞至樁端較深的承載力較好的土層，在減少和控制沉降方面發(fā)揮了明顯作用。

圖6 預(yù)壓土卸載結(jié)束后加固區(qū)與下臥層沉降百分比

2.4 沉降板

沉降板測(cè)試靜置期間路基頂部的沉降變形如圖7所示，可以看出路基面沉降曲線成鍋形分布，中間沉降量較大，兩側(cè)較小。

路基本體260 d沉降值如表5所示。路基本體靜置260 d時(shí)壓縮沉降量為14.77 mm，為路堤填高的2.1‰。

2.5 土壓力盒

平均樁土應(yīng)力比和樁分擔(dān)荷載百分比如圖8和圖9所示?？梢钥闯?，樁土應(yīng)力比隨著加載施工進(jìn)展而增大，當(dāng)加載結(jié)束后，樁土應(yīng)力比趨于平緩。路堤填筑結(jié)束時(shí)，平均樁土應(yīng)力比為55，樁荷載分擔(dān)比為75%，即樁承擔(dān)了3/4的荷載。此后，分擔(dān)比基本保持穩(wěn)定，略有增加，到卸載后26 d增加至78%。

圖7 沉降板測(cè)試結(jié)果

表5 路基本體260 d沉降值mm

圖8 平均樁土應(yīng)力比

圖9 樁分擔(dān)荷載百分比

B區(qū)樁土應(yīng)力比對(duì)比曲線如圖10所示?？梢钥闯?，在施工及靜置階段，樁土應(yīng)力比:路基中心處>路肩處>坡腳處。

2.6 孔壓計(jì)

圖10 樁土應(yīng)力比對(duì)比曲線

孔壓計(jì)測(cè)試包括地下水位和孔隙水壓，為土層中超靜水壓的計(jì)算提供基礎(chǔ)實(shí)測(cè)資料。在2008年春季，地下水位基本保持不變，位于2.0 m高程處。在雨季期間，降雨較多，使水位升高至3.1 m高程處，以后又逐漸減低。測(cè)點(diǎn)處孔隙水壓變化情況實(shí)測(cè)曲線見圖11。

通過上述孔隙水壓實(shí)測(cè)值計(jì)算的超孔隙水壓值較小，多數(shù)為負(fù)值，其原因可能有以下幾點(diǎn):

1)本試驗(yàn)段地層多數(shù)為粉砂、細(xì)砂、粉土、粉質(zhì)黏土互層的“千層狀”土層，富含透鏡體，使得固結(jié)過程不明顯;

2)加固區(qū)土層受CFG樁施工擾動(dòng)，土體結(jié)構(gòu)、滲透性等性質(zhì)受到不同程度的改變，使得固結(jié)過程受到影響;

3)地下水位的季節(jié)性變化對(duì)孔隙水壓測(cè)試有影響，而靜水壓力在這種“千層土”中的傳遞規(guī)律還是土力學(xué)理論未解決的難題。

由于上述原因的影響，加之超孔隙水壓測(cè)試值較小，使得對(duì)超靜水壓的進(jìn)一步分析無理論基礎(chǔ)和實(shí)際意義，不便開展下一步討論。

圖11 孔壓計(jì)測(cè)試結(jié)果

2.7 斜測(cè)管

測(cè)斜管測(cè)試該點(diǎn)處土水平位移隨深度的變化情況如圖12所示。在填筑路堤期間，測(cè)斜管管口水平位移迅速增加，到填筑結(jié)束時(shí)達(dá)到5.55 mm。隨著路堤靜置時(shí)間的推移至沉降基本穩(wěn)定時(shí)，該水平位移增大至9.50 mm。此后再無明顯變化。

圖12 測(cè)斜管測(cè)試結(jié)果

總體來講，由于CFG樁和樁頂碎石墊層的作用，使路堤填筑荷載大部分轉(zhuǎn)至CFG樁承受，并傳遞至深層，使加固區(qū)土體受力明顯減小，因而其水平位移也不大。

3 結(jié)論

通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料，可以很好地了解CFG樁樁筏復(fù)合地基的工作性能，并得到以下成果:

1)液位沉降計(jì)測(cè)試結(jié)果得出，在路堤和預(yù)壓土填筑期間，發(fā)生較大沉降，靜置期間沉降速率逐漸降低，趨于穩(wěn)定。其沉降曲線發(fā)展過程分為3個(gè)階段，即:沉降快速發(fā)展階段、沉降發(fā)展階段和沉降基本穩(wěn)定階段。

2)樁頂最大沉降的56.6%在填筑期間發(fā)生，43.4%在靜置開始至卸載后26 d發(fā)生。樁間土最大沉降的62.7%在填筑期間發(fā)生，37.3%在靜置開始至卸載后26 d發(fā)生。

3)加固區(qū)壓縮變形為10.23 mm，其中78.1%在填筑期間發(fā)生，21.9%在靜置開始至卸載后26 d發(fā)生。加固區(qū)底面至底面下4 m范圍內(nèi)的壓縮變形為5.72 mm，其中29%在填筑期間發(fā)生，71%在靜置開始至卸載后26 d發(fā)生。

4)路堤中心沉降板靜置260 d的沉降量為35.65 mm，同期同垂直軸線處 CFG樁樁頂沉降為 20.88 mm，即在預(yù)壓土作用下，路堤填料的壓縮變形等于14.77 mm，為路堤填高的2.1‰。

5)平均樁土應(yīng)力比(樁/土)為66.29;荷載分擔(dān)比(樁/土)為 3.76。

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