陳 麟

(中鐵五局集團(tuán)有限公司,貴陽 550002)

1 概況

哈大鐵路客運(yùn)專線新營口站位于營口大石橋市東南部老邊區(qū)柳樹鎮(zhèn)附近,緊鄰渤海灣及遼河入?？?系典型的濱海相沉積地層。站場內(nèi)地層廣泛分布有黏土(人工種植土)、粉質(zhì)黏土、粉土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土等,松軟土及軟土富含有機(jī)質(zhì)及腐殖質(zhì),見貝殼碎片,流塑、局部軟塑。僅在站場南端西海特大橋橋臺的鉆探中揭示有全風(fēng)化的元古代遼河群(Ptlh)及太古界鞍山群(Aran)片麻巖,其層頂厚度55 m。新營口站設(shè)計(jì)里程為DK217+241.6～DK219+500,其中DK217+241.6～DK219+005.68段為路堤,長度約1.76 km。路堤平均填土高度約7 m,地面高程1.810～7.025 m,地形平坦,地表主要為稻田、蔬菜大棚、魚塘等。場地內(nèi)淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土及飽和粉土互層,重度γ0=18.1～20.0 kN/m3,含水量w=24.9%～40.4%,黏聚力Cq=11.8～67.5 kPa,內(nèi)摩擦角φq=4.5～29.2°,各土層特征值fk=80～200 kPa,如圖1所示。

復(fù)合地基加固采用“樁(CFG樁、水泥攪拌樁)+0.1 m厚碎石墊層+0.5 m厚鋼筋混凝土板(板兩側(cè)為0.5 m厚褥墊層)”的結(jié)構(gòu)形式。CFG樁樁徑0.5 m,樁長30 m(站臺范圍樁長25 m),間距1.5 m,呈梅花形布置；CFG樁中間插打水泥攪拌樁(以下簡稱MIP樁,與CFG樁錯排布置),樁徑0.5 m,樁長12 m,試驗(yàn)段測試元件布置見圖2。

圖1 新營口站平面及試驗(yàn)段地質(zhì)剖面示意

圖2 部分測試元件布置示意(單位：m)

2 復(fù)合地基施工及試驗(yàn)段實(shí)測

2.1 復(fù)合地基施工簡要

2007年10月開始進(jìn)行CFG樁的施工,完成第1根樁混凝土澆筑后,發(fā)現(xiàn)混凝土充盈系數(shù)達(dá)到1.53,之后按“隔一打一”方式進(jìn)行第2根樁施工,當(dāng)鉆進(jìn)約20 m深時(shí),第1根已經(jīng)灌注的樁頭突然發(fā)生下沉,下沉量約2.4 m。經(jīng)分析認(rèn)為地層中、上部流塑狀態(tài)的軟土層是造成擴(kuò)、竄孔的主要因素,隨后又按“隔二打一”方式施工,充盈系數(shù)仍然維持在1.36～1.44水平上,而樁頭下沉為0.5～1.2 m,有一定回落趨勢。最后按“隔三打一”并調(diào)整混凝土坍落度、撥管速度等工藝參數(shù)進(jìn)行施工,平均混凝土充盈系數(shù)為1.4,樁頭下沉在0～0.3 m,基本解決了樁頭下沉問題,見圖3(a)～3(c)所示。由于采取“隔三打一”措施,同一排CFG樁(沿路基橫斷面)需要13個(gè)回合才能施工完畢,加上清理余土、鉆機(jī)轉(zhuǎn)移(并避讓已成樁)等因素后,實(shí)際CFG樁施工效率降低約2/3,至2009年3月才完成復(fù)合地基的施工,扣除兩個(gè)冬休期6個(gè)月,有效施工時(shí)間約12個(gè)月。如按正?！案粢淮蛞弧狈绞絼t約需5個(gè)月的有效施工時(shí)間即可完成。

圖3 各施工階段圖片

從現(xiàn)場CFG樁施工所鉆出的軟土來看,基本呈青灰色軟塑～流塑狀,個(gè)別地段軟土、松軟土與飽和粉土互層,極個(gè)別情況下的軟土與流塑狀泥沼接近。

2.2 試驗(yàn)段測試布置

經(jīng)過對車站地質(zhì)縱斷面及現(xiàn)場實(shí)際調(diào)查,考慮試驗(yàn)斷面的代表性及無砟軌道施工時(shí)便于持續(xù)觀測等因素后,選取DK217+680、DK217+700兩處作為試驗(yàn)斷面。所埋設(shè)的測試元件以觀測CFG樁、MIP樁、樁間土、鋼筋混凝土板、土工格柵、孔隙水壓力、路基的垂直、水平位移等受力、變形情況為主,所用測試元件主要為受力和變形兩大類,其中土壓力盒、孔隙水壓計(jì)、鋼筋應(yīng)變計(jì)為受力類測試元件,柔性傳感器、單點(diǎn)沉降計(jì)、液位計(jì)、剖面沉降管、測斜管、磁環(huán)沉降管、沉降板及應(yīng)變計(jì)為變形類測試元件,其布置如圖2所示。

圖4 樁及樁間土應(yīng)力

2.3 測試結(jié)果

2.3.1 樁、土應(yīng)力

表1為試驗(yàn)段路基實(shí)際施工時(shí)序,由圖4可知,在路基本體施工期間,隨著填土荷載的增加,CFG樁樁頂應(yīng)力在0.25～1.75 MPa變化,路基中心處的樁頂應(yīng)力為填土荷載自重壓力的13.9倍,且離路基中心越遠(yuǎn)CFG樁樁頂應(yīng)力越小。MIP樁樁頂應(yīng)力則在39～210 kPa變化,從路基橫斷面來看,應(yīng)力變化較小,如圖4(a)、(b)所示；在填土→預(yù)壓→卸載→無砟軌道施工過程中,路肩以內(nèi)的CFG樁和MIP樁樁頂應(yīng)力變化反映了荷載加載歷史的變化。從圖4(d)可知,地表處CFG樁樁-土應(yīng)力比在15～281變化,而CFG樁與MIP樁樁頂應(yīng)力比則在1.5～11.2變化,至2010年7月30日其比值分別維持在161.7、9.3；而MIP樁與樁間土的應(yīng)力比則變化較小,平均為17.7。這充分說明,復(fù)合地基中的CFG樁是主要的承載構(gòu)件,其樁土應(yīng)力比隨荷載的變化而呈正相關(guān)變化,MIP樁則主要對樁間土體起局部加固作用,加固區(qū)的樁間土承受的荷載非常小,從實(shí)測來看,樁頂下0～4 m范圍實(shí)測的樁間土壓在整個(gè)加載歷史中均在4.5～11.0 kPa變化,至2010年7月30日地表處樁間土附加應(yīng)力維持在9.4 kPa左右。

表1 試驗(yàn)段路基施工時(shí)序

2.3.2 孔隙水壓

測試結(jié)果表明,加固區(qū)內(nèi)孔隙水壓與土體深度呈近似線性關(guān)系。各深度位置的孔隙水壓力隨著填土荷載的增加而增加,在堆載預(yù)壓期間則有消散趨勢,在整個(gè)施工期間孔隙水壓則會隨環(huán)境降水強(qiáng)弱而有所波動。而超孔隙水壓基本為負(fù)值,最小值為-50 kPa。

2.3.3 變形及沉降

(1)地基沉降

圖5 各類沉降時(shí)程

圖5(a)、(b)為CFG樁樁頂及地表樁間土剖面沉降管的實(shí)測沉降時(shí)程曲線,從圖中可知,樁頂最大沉降值為41.7 mm,發(fā)生最大沉降的測試日期為2010年7月24日；在鋼筋混凝土板范圍內(nèi)沉降值波動很小,沉降曲線較板以外均勻；而樁間土的最大沉降值為44.6 mm,發(fā)生最大沉降的測試日期為2010年7月24日。圖5(c)則系根據(jù)剖面沉降管路基中心處地表沉降記錄整理出來的沉降曲線,可知復(fù)合地基沉降已經(jīng)趨于收斂。

(2)分層沉降

根據(jù)單點(diǎn)沉降計(jì)的測試,圖5(d)系地表以下0～30 m、0～40 m的分層壓縮情況。至2010年7月30日,0～30 m復(fù)合地基加固范圍壓縮量6.5 mm,而地表以下0～40 m范圍土體壓縮量32.6 mm?？芍獜?fù)合地基的沉降主要來自下臥層,而下臥層的沉降約占總沉降的80%。

(3)鄰近施工觀測斷面

圖6則為鄰近施工斷面的沉降板觀測情況,觀測期內(nèi)最大沉降值在40.2～44.4 mm。

根據(jù)評估單位審批的新營口站路基沉降評估報(bào)告顯示,48個(gè)沉降板觀測斷面在堆載預(yù)壓6個(gè)月后的累計(jì)沉降量在24.8～45.4 mm,其中最小值發(fā)生在DK217+310斷面,最大值發(fā)生在DK217+950斷面。

3 數(shù)值模擬分析

根據(jù)地勘報(bào)告提供的各土層參數(shù)并結(jié)合現(xiàn)場復(fù)合地基載荷試驗(yàn)結(jié)果以及加載強(qiáng)度(填土、預(yù)壓、運(yùn)梁荷載、無砟軌道施工等)、加荷速率情況,采用目前土工結(jié)構(gòu)較流行的FLAC3D和Plaxis軟件建模分析,以便在數(shù)值分析中用有限差分和有限元相互對照比較[2]。

圖7(a)、(b)分別是兩個(gè)軟件的網(wǎng)格模型。由于對稱關(guān)系,以路基中心為對稱軸,取對稱斷面進(jìn)行分析。模型的橫向?qū)挾热“雮€(gè)路基寬度的3倍,深度按土體豎向附加應(yīng)力小于0.1倍的自重應(yīng)力來確定。模型底部采用固定邊界,側(cè)表面限制其水平向位移,將CFG樁和MIP樁結(jié)構(gòu)單元與土體單元進(jìn)行耦合,地基土體視為摩爾-庫倫理想彈塑性材料,路基填料、CFG樁、混凝土板等視為線彈性材料。為更好地模擬各單元之間的耦合情況,在有限元分析(Plaxis)中引入接觸單元(Interface Element),用以模擬鋼筋混凝土板、土工格柵、CFG樁、MIP樁等結(jié)構(gòu)單元與土體之間的接觸狀況。

圖7(c)為路基中心處CFG樁樁身附加應(yīng)力分布情況(FLAC3D),其值在1.30～1.49 MPa變化,呈上下端大而中部略小的分布形態(tài)；圖7(d)則是FLAC3D和Plaxis分別給出的樁間土附加應(yīng)力的分布情況,由圖可見,加固區(qū)內(nèi)樁間土附加應(yīng)力很小,在樁上部約28 m范圍的附加應(yīng)力值在1.54～12.17 kPa,平均約3.5 kPa。樁下部28～30 m段則突變至110～140 kPa,然后再隨深度遞減,正是由于樁板復(fù)合地基在深厚軟土層中的這種荷載傳遞特性,說明其沉降主要來自下臥層,表2中Plaxis分析結(jié)果表明下臥層的沉降占總沉降的78.5%,與實(shí)測基本一致；圖7(e)則為數(shù)值分析給出的施工階段固結(jié)沉降曲線,從圖中可知,堆載預(yù)壓結(jié)束時(shí)的理論沉降量為59 mm,理論最終沉降量約為69 mm,可以滿足工后沉降小于15 mm的要求。

圖7 數(shù)值分析結(jié)果

4 現(xiàn)場實(shí)測與數(shù)值模擬比較

根據(jù)表2給出的現(xiàn)場實(shí)測與數(shù)值模擬結(jié)果,比較分析如下：

(1)CFG樁、MIP樁的樁頂應(yīng)力實(shí)測值與理論分析結(jié)果在1.46～1.52 MPa,符合性較好。

表2 現(xiàn)場實(shí)測與數(shù)值分析部分結(jié)果對比

注：1.“鄰近施工斷面觀測值”系DK217+950斷面2010-6-25觀測值,擬合后預(yù)測最終沉降為48.1 mm；

2.“試驗(yàn)段測試值”欄內(nèi)復(fù)合地基總沉降值系0～40 m范圍地層壓縮值,而剖面管測試的地表總沉降值為44.6 mm,測試時(shí)間為2010-07-30,見圖6(c)。

(2)實(shí)測樁頂0～4 m范圍的樁間土附加應(yīng)力分布與數(shù)值模擬基本一致。

(3)在分層沉降中：①數(shù)值分析復(fù)合地基加固區(qū)壓縮量較單點(diǎn)沉降計(jì)實(shí)測值大8.33 mm。②數(shù)值分析表明,至2010年7月24日的沉降值為60.4 mm,最終沉降為68.8 mm。2010年7月24現(xiàn)場剖面管測試值為44.5 mm,而根據(jù)DK217+710斷面實(shí)測系列擬合后最終沉降預(yù)測值為47.6 mm。理論分析與現(xiàn)場實(shí)測二者分別相差15.9、21.2 mm。③盡管實(shí)測與理論分析有一定差距,但理論分析所揭示的規(guī)律則與實(shí)測是一致的,如荷載傳遞規(guī)律、下臥層的沉降是總沉降的主要部分等。

(4)有關(guān)研究顯示[4～5],營口地區(qū)淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土隨應(yīng)力水平增加表現(xiàn)出非線性流變特性,如圖8所示。當(dāng)復(fù)合地基加固區(qū)土的附加應(yīng)力(有效應(yīng)力)很小時(shí),如本案例加固區(qū)僅在1.54～12.17 kPa之間,此時(shí)軟土的非線性黏塑性黏滯系數(shù)變化很小且隨時(shí)間增加近于水平直線。而土的附加應(yīng)力在CFG樁底端則達(dá)到110～140 kPa。由圖8可知,當(dāng)土的有效應(yīng)力為118 kPa時(shí),塑性黏滯系數(shù)則呈明顯的非線性變化。由此可見,正是由于樁板復(fù)合地基的這種以樁為主要傳力構(gòu)件的特性,使得加固區(qū)內(nèi)盡管有軟土存在,但因其有效應(yīng)力很小,所以樁間土的固結(jié)變形亦很小,加固區(qū)的壓縮變形則以復(fù)合地基壓縮變形為主,但由于CFG樁的存在,加固區(qū)的壓縮變形量有限,這也從理論上證明了樁板復(fù)合地基的沉降主要來自下臥層這一結(jié)論。

圖8 營口地區(qū)軟土黏塑性黏滯系數(shù)

盡管常用的本構(gòu)關(guān)系(如摩爾-庫倫模型等)尚不能全面描述軟土的流變特性,但仍然可以對實(shí)測參數(shù)進(jìn)行擬合,并與特定現(xiàn)場條件建立對應(yīng)關(guān)系。所以,盡管理論分析與現(xiàn)場實(shí)測在量值上始終有所差異,但理論分析所揭示的規(guī)律性則是可信的。

(5)秦沈客運(yùn)專線是我國最早修建的準(zhǔn)高速鐵路,為探索、研究軟土地基加固的可靠性采用了當(dāng)時(shí)主流的軟土加固手段。以A-14標(biāo)段為例[3],從DK271+040到DK280+600,路基長約9.6 km,軟土地基加固形式有換填砂墊層、袋裝砂井、粉噴樁、碎石樁、塑料排水板等。從62個(gè)觀測斷面實(shí)測沉降值來看,除個(gè)別將淺層軟土挖除換填地段外,路堤施工2年后的沉降為120～380 mm,平均沉降量為200 mm。雖然其中也有粉噴樁、碎石樁等樁基加固形式,但主要還是以排水固結(jié)方式為主,況且粉噴樁、碎石樁等單一加固手段的荷載傳遞效率遠(yuǎn)不能和現(xiàn)在廣泛采用的CFG復(fù)合地基相比,所以這一段路基在觀測期內(nèi)沉降量平均達(dá)到了200 mm,預(yù)測年均沉降速率達(dá)到了5.6～16.4 mm(指2002年6月后5年內(nèi)的年均沉降速率)。由此可見,CFG復(fù)合地基技術(shù)具有較短施工周期、最終沉降和工后沉降很小的優(yōu)勢，是其他軟土加固技術(shù)所無法比擬的。

與哈大客運(yùn)專線先后開工建設(shè)的還有武廣客運(yùn)專線、京滬高速等也采用了CFG復(fù)合地基加固軟土路基的案例。如武廣客運(yùn)專線清源境內(nèi)某軟土路基采用CFG樁(樁長20 m)+褥墊層的形式,由于樁基置于較可靠的(上古生界泥盆系上統(tǒng)天子嶺組)灰?guī)r層上[7],雖然達(dá)到了軟土地基加固效果,但其樁-土應(yīng)力比很小,樁的潛力尚未得到充分發(fā)揮。京滬高速某試驗(yàn)段的工程地質(zhì)與新營口站類似,可作為持力層的粉砂層的層頂厚度達(dá)到33.6 m,經(jīng)試驗(yàn)研究后[8],提出樁板結(jié)構(gòu)具有較明顯優(yōu)勢,并指出如采用樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)則宜增加樁帽的建議。

5 結(jié)語

結(jié)合新營口站工程地質(zhì)、水文、復(fù)合地基加固方式、階段施工特點(diǎn)等條件以及理論分析的情況,經(jīng)上述比較分析后可以得出如下結(jié)論。

(1)深厚軟土層樁板復(fù)合地基的承載特性

加固區(qū)土體附加應(yīng)力無論是從實(shí)測(樁頂以下0～4 m)還是數(shù)值模擬的情況來看,平均只有數(shù) kPa,分析表明在樁底端處土體附加應(yīng)力增大至110～140 kPa后呈遞減趨勢,說明樁板復(fù)合地基有效地改變了加固區(qū)土體的結(jié)構(gòu),起到了類似剛性基礎(chǔ)的作用,將上部荷載有效地傳遞至深層土體。

(2)深厚軟土層樁板復(fù)合地基的變形特性

從本案例的實(shí)測與分析來看,加固區(qū)的壓縮變形量主要由CFG樁板復(fù)合地基的設(shè)計(jì)參數(shù)決定,CFG樁在樁間土的側(cè)向約束下,其壓縮變形量有限。下臥層土體盡管仍然具有較大的可壓縮性,但其壓縮量則由其有效應(yīng)力水平?jīng)Q定,隨著深度的增加,土體自重應(yīng)力越來越大,由上部荷載影響而產(chǎn)生的附加應(yīng)力畢竟有限,因此最終沉降和工后沉降能夠較好地得到控制,而下臥層的附加應(yīng)力分布狀況及其土體流變特性則決定了復(fù)合地基的最終沉降量。

(3)新營口站CFG樁板復(fù)合地基特點(diǎn)

①鋼筋混凝土板主要起到將上部荷載較均勻地分配到CFG樁及MIP樁上,并對板范圍內(nèi)不均勻沉降有明顯的改善作用。

②雖然MIP樁相對CFG樁較柔,但其對CFG樁間土的加固作用不可小視。特別當(dāng)軟土厚度大、與松軟土互層時(shí),在CFG樁間插入MIP短樁是值得采用的一種方法。

③根據(jù)路堤等恒載及活載分布情況,沿路基橫向分區(qū)域設(shè)置長短CFG樁是明智的作法。

④根據(jù)調(diào)整后預(yù)壓土高度的沉降觀測擬合分析表明,當(dāng)預(yù)壓6個(gè)月后即可滿足無砟軌道鋪設(shè)評估技術(shù)條件要求。

從CFG復(fù)合地基加固技術(shù)發(fā)展來看,從單一樁到樁-網(wǎng)結(jié)構(gòu)到樁-帽結(jié)構(gòu)再到樁板(筏)結(jié)構(gòu),發(fā)展到插入MIP短樁、根據(jù)地基上部荷載特點(diǎn)進(jìn)行長短CFG樁布置,應(yīng)該說,新營口站復(fù)合地基正是這種多元復(fù)合地基的一種嘗試。

(4)加固效果

從現(xiàn)場48個(gè)施工觀測斷面的沉降評估結(jié)果來看,新營口站路基觀測期內(nèi)的沉降在27.6～48.1 mm,預(yù)測工后沉降為1.4～4.4 mm,相鄰斷面工后沉降差3.1～3.8 mm,路橋過渡段差異沉降、折角均遠(yuǎn)小于規(guī)范值,滿足無砟軌道鋪設(shè)評估技術(shù)條件要求。

(5)建議

①復(fù)合地基如采用樁帽結(jié)構(gòu),如哈大客運(yùn)專線新蓋州站即為樁帽結(jié)構(gòu)，因樁帽需投入大量一次性模板,其實(shí)際施工效率和成本并不比樁板結(jié)構(gòu)低。因此,對于工程量較大的深厚軟土層CFG復(fù)合地基,以采用樁板結(jié)構(gòu)為宜。

②深厚軟土層CFG復(fù)合地基工程量較大,僅新營口站CFG樁就達(dá)到110萬m,約合40 000余根,不僅充盈系數(shù)達(dá)到1.4、且鋸平樁頭工作量就達(dá)到約4萬個(gè),加上“隔三打一”的低效率,應(yīng)及時(shí)在概、預(yù)算定額中反映這些因素。

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