張光宗，王連俊，朱孝笑

(北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京 100044)

在工程中，當(dāng)天然地基達(dá)不到建筑物對(duì)地基的要求時(shí)，為了保證建筑物的安全和正常使用，就需要對(duì)地基進(jìn)行處理形成人工地基來(lái)滿(mǎn)足建筑物對(duì)地基的要求。經(jīng)過(guò)地基處理后形成的人工地基可以分為均質(zhì)地基、多層地基和復(fù)合地基。

復(fù)合地基［1］是指天然地基在地基處理過(guò)程中部分土體得到增強(qiáng)，或被置換，或在天然地基中設(shè)置加筋材料的地基?；w和增強(qiáng)體兩部分組成了加固區(qū)，加固區(qū)是由基體(天然地基土體或被改良的天然地基土體)和增強(qiáng)體兩部分組成的人工地基。

樁-筏復(fù)合地基體系由樁、土、褥墊層和鋼筋混凝土板組成，具有承載力高、穩(wěn)定性好、地基總沉降及差異沉降小等優(yōu)點(diǎn)。因此，京滬高速鐵路部分路段也將采用以CFG樁一筏復(fù)合地基為主的地基處理技術(shù)，以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

京滬高速鐵路濟(jì)南西站范圍內(nèi)為深厚松軟土地基，為了減少工后沉降，設(shè)計(jì)采用CFG樁基礎(chǔ)加固處理和路基預(yù)壓的措施，平均填土高5 m，預(yù)壓堆載3.5 m。

為了保持站房施工環(huán)境干燥，并且為了提高土體的固結(jié)程度，增加地基的抗剪強(qiáng)度，濟(jì)南西站在2009年9月15日進(jìn)行了基坑降水。但是，隨著站房基坑降水的進(jìn)行，原本沉降已經(jīng)趨于穩(wěn)定的高速鐵路路基又產(chǎn)生了二次加速沉降，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)沉降板、路基深層沉降的數(shù)據(jù)，分析濟(jì)南西站站房基坑降水對(duì)京滬高速鐵路路基沉降的影響。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)和水文地質(zhì)

京滬高速鐵路濟(jì)南西站試驗(yàn)段(DK418+300～DK419+575)位于濟(jì)南市西部。

地形地貌:濟(jì)南市位于黃河以南的沖積平原、丘陵及丘間平原，南部的丘陵區(qū)是以剝蝕為主山區(qū)向平原的過(guò)渡地帶，殘丘大多分布在丘間沖洪積平原，由于風(fēng)化剝蝕使得山頂呈渾圓狀。

地層巖性:沿線的丘陵區(qū)前緣和丘間平原分布了第四系上更新統(tǒng)、中更新統(tǒng)沖洪積、坡洪積及殘坡積層;殘丘區(qū)出露灰?guī)r;居民區(qū)附近和既有鐵路、公路表覆第四系全新統(tǒng)人工堆積層。

地質(zhì)構(gòu)造:濟(jì)南地區(qū)位于中朝準(zhǔn)地臺(tái)次級(jí)構(gòu)造單元魯西斷塊上，魯西斷塊位于沂沭斷裂帶西，齊河－廣饒斷裂南和聊考斷裂東地區(qū)。中生代斷塊主要以差異運(yùn)動(dòng)為主，形成了泰山，并伴隨著巖漿巖侵入，北西向、北東是區(qū)內(nèi)主要斷裂。工程沿線新生代由于河流搬運(yùn)的物質(zhì)堆積，形成第四系的覆蓋層，其斷裂構(gòu)造對(duì)鐵路和建筑物沒(méi)有明顯的影響。

水文地質(zhì):勘察范圍內(nèi)勘察期間，從鉆孔內(nèi)測(cè)得地下水靜止水位埋深3.50～7.50 m，水位高程為25.96～27.61 m。根據(jù)鉆孔水位情況，結(jié)合區(qū)域調(diào)查，確定該場(chǎng)地水位西南高，東北低，總體由西南向東北排泄，鉆探無(wú)漏漿情況，地下水量較豐富。場(chǎng)地地下水屬第四系孔隙潛水，補(bǔ)給來(lái)源為大氣降水和地下徑流。該地下水位年變化幅度不大，豐水期水位高程可按30.00 m考慮。水質(zhì)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)不具腐蝕性，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具弱腐蝕性。長(zhǎng)期浸水作用下，水質(zhì)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋不具腐蝕性，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具弱腐蝕性。

1.2 地基處理設(shè)計(jì)

濟(jì)南西站內(nèi)，地形比較平坦，路基采用填方形式。正線無(wú)砟軌道板基礎(chǔ)按1∶1放坡至地面范圍以?xún)?nèi)部分。路堤基底設(shè)置0.5 m厚C30鋼筋混凝土板，板下設(shè)置0.15 m厚碎石墊層，其他部分設(shè)置0.6 m厚碎石墊層，中間鋪設(shè)2次高強(qiáng)度的土工格柵。

濟(jì)南西站均是深厚松軟土地基，為了減少工后沉降，地基采用管樁(PHC樁)、CFG樁(約282萬(wàn)m)基礎(chǔ)進(jìn)行加固處理和路基預(yù)壓措施。管樁(PHC樁)的直徑為0.4 m，CFG樁的直徑為0.5 m，沿線路方向間距為1.5 m，鋼筋混凝土板下管樁的橫向間距為2 m，板以外CFG樁的橫向間距為1.6 m。

板下管樁長(zhǎng)35 m，咽喉區(qū)(DIK419+002)板外樁長(zhǎng)25 m;站場(chǎng)(DIK419+251)板外側(cè)1～5排樁長(zhǎng)25 m，再外側(cè)5～10排樁長(zhǎng)20 m，最外側(cè)11～57排樁長(zhǎng)15 m。設(shè)計(jì)單樁承載力是800 kN，在填筑基床表面以前路堤采用堆載預(yù)壓，咽喉區(qū)(DIK419+002)范圍內(nèi)為堆載預(yù)壓，時(shí)間不少于12個(gè)月，預(yù)壓土高為3.5 m，站場(chǎng)(DIK419+251)范圍內(nèi)為(正線兩側(cè)的站臺(tái)之間)堆載預(yù)壓，時(shí)間不少于12個(gè)月，預(yù)壓土高為3.5 m。預(yù)壓觀測(cè)期暫定12個(gè)月，預(yù)壓土與基床底層表面鋪1層經(jīng)編復(fù)合土工膜。

1.3 基坑開(kāi)挖實(shí)施方案

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，基坑的總體施工順序，先期開(kāi)挖國(guó)鐵范圍內(nèi)的第一級(jí)基坑土方，根據(jù)市政配套工程整體進(jìn)度安排，確定第一級(jí)基坑開(kāi)挖范圍。由上至下開(kāi)挖基坑土體，按需降水，邊開(kāi)挖邊支護(hù)。濟(jì)南西站站房基坑平面布置如圖1所示。

圖1 濟(jì)南西站站房基坑平面布置

開(kāi)挖深度要求如下:高鐵大通廊處基坑底高程為－7.770 m(22.590 m);主站房處基坑底高程為－10.80 m(19.560 m)，1號(hào)線基坑底高程為－18.21 m(12.150 m)。降水井設(shè)計(jì)按照開(kāi)挖要求分為3個(gè)設(shè)計(jì)區(qū)域。

1.4 降水設(shè)計(jì)方案

降水施工順序應(yīng)先施工高鐵站臺(tái)處，然后再施工1號(hào)線處基坑。本工程基坑降水計(jì)劃分2個(gè)降深:第一步基坑降水至降深8.10 m，開(kāi)挖至7.60 m(第一步開(kāi)挖基坑底)，采用周邊降水井(73眼:降水井編號(hào)J－1—J－21、J－42—J－93)進(jìn)行降水，中間降水井(46眼:編號(hào)為J－22—J－41、S－1—S－18、J－94－J－101)做疏干井。第二步，全部降水井和疏干井均同時(shí)工作，基坑開(kāi)挖至地鐵1號(hào)線設(shè)計(jì)高程(－18.21 m)，降深至設(shè)計(jì)基坑底(－18.21 m)以下1.0 m。第三步，降水滿(mǎn)足要求，經(jīng)設(shè)計(jì)人員同意分階段、分批次停用疏干井。

降水井降水時(shí)，將產(chǎn)生降水曲線漏斗，對(duì)周邊建筑物(構(gòu)筑物)有一定影響，為了確保止水帷幕外側(cè)已施工高鐵基礎(chǔ)(CFG樁)的安全，在止水帷幕外側(cè)設(shè)置回灌井，降水時(shí)進(jìn)行回灌，確保地下水位高度，減少基坑降水對(duì)高鐵基礎(chǔ)的影響。

2 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)共設(shè)置4個(gè)路基沉降觀測(cè)斷面，分別為:DIK418+298.8(正線)、DIK418+900(咽喉區(qū))、DIK419+250(站場(chǎng)北側(cè))、DIK419+650(站場(chǎng)南側(cè))，監(jiān)測(cè)斷面布置見(jiàn)圖2。分別在斷面處布置觀測(cè)元器件，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)路堤填土期、堆載預(yù)壓期以及基坑降水期內(nèi)的CFG樁樁-筏復(fù)合地基樁、板的沉降變形進(jìn)行觀測(cè)。在文中只取咽喉區(qū)、站場(chǎng)北側(cè)斷面進(jìn)行分析，見(jiàn)圖3、圖4。

圖2 京滬高速鐵路濟(jì)南西站站場(chǎng)斷面布置

圖3 咽喉區(qū)(DIK419+002)元器件平面布置(單位:m)

圖4 站場(chǎng)北側(cè)(DIK419+251)元器件平面布置

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 咽喉區(qū)地基表面沉降變化特征

咽喉區(qū)(DIK419+002)位于濟(jì)南西站北京方向的咽喉部位，由于對(duì)稱(chēng)性采用半斷面觀測(cè)模式，并選取西側(cè)半幅作為試驗(yàn)斷面。咽喉區(qū)的半幅寬58.8 m，設(shè)置5排35 m PHC樁和33排25 m CFG樁。咽喉區(qū)沉降板的位置見(jiàn)圖3。

從圖5和表1中可以看出，其中對(duì)離基坑降水中心最近的35 m管樁影響最大，原本沉降趨于穩(wěn)定的路基降水后108 d與降水前的沉降差BS1和BS2的沉降差分別為13.25 mm和13.30 mm;其次為BS3，其沉降差為12.69 mm;對(duì)處于路基邊緣的BS4影響最小，沉降差為6.66 mm。分析主要原因?yàn)?，隨著與降水位置距離的增加，路基表面沉降所受影響減小，其中BS1距離降水位置最近，故表面沉降量最大。

圖5 咽喉區(qū)(DK419+002)沉降板變化趨勢(shì)

表1 咽喉區(qū)降水階段沉降板的沉降量 mm

3.2 站場(chǎng)地基表面沉降變化特征

站場(chǎng)北側(cè)(DIK419+251)位于濟(jì)南西站站房北側(cè)，由于對(duì)稱(chēng)性斷面采用半斷面觀測(cè)模式，選取西側(cè)半幅作為試驗(yàn)斷面。站場(chǎng)北側(cè)半幅寬100 m，設(shè)置5排35 m PHC樁和55排不同樁長(zhǎng)的CFG樁，其中筏板外1～5排25 m CFG樁，再往外6～10排20 m CFG樁，其余均為15 m CFG樁。圖4可知站場(chǎng)北側(cè)沉降板的位置。

由圖6和表2可以看出，基坑降水對(duì)路基沉降有較大影響。其中對(duì)15 m CFG樁影響最大，CS10處在基坑降水階段沉降量占預(yù)壓土加載階段沉降量的91.88%，主要因?yàn)轭A(yù)壓土對(duì)豎向投影范圍內(nèi)的復(fù)合地基的影響大于對(duì)45°擴(kuò)散角范圍的復(fù)合地基的影響，所以基坑降水成為該處沉降的主要影響因素;20 m CFG樁影響次之，CS6處基坑降水階段沉降量占預(yù)壓土加載階段沉降量的86.12%;25 m CFG樁影響再次之，CS5處基坑降水階段沉降量占預(yù)壓土加載階段沉降量的71.49%;對(duì)35 m PHC樁影響最小，CS1處基坑降水階段沉降量占預(yù)壓土加載階段沉降量的65.66%。分析其主要原因?yàn)?，填筑預(yù)壓土是在基坑降水之前進(jìn)行的，且預(yù)壓土對(duì)豎向投影范圍內(nèi)的復(fù)合地基的影響大于對(duì)45°擴(kuò)散角范圍的復(fù)合地基的影響，所以35 m PHC樁在基坑降水前在預(yù)壓土的直接影響下，已經(jīng)產(chǎn)生了很大固結(jié)。

但是值得注意的是CS2、CS4處受基坑降水的影響也比較大。分析其主要原因CS2處為樁間土處，由于樁的上刺入效應(yīng)CS1處的沉降量小于CS2，故產(chǎn)生了較大沉降;CS4處沉降板下部處于35 m管樁和25 mCFG樁變樁長(zhǎng)區(qū)域，也產(chǎn)生了較大影響。

圖6 站場(chǎng)北側(cè)(DK419+251)沉降板變化趨勢(shì)

表2 站場(chǎng)北側(cè)沉降板的沉降量 mm

4 結(jié)論

根據(jù)以上分析可以看出基坑降水對(duì)路基的沉降有很大影響，其對(duì)路基表面沉降的影響可以歸納為以下幾點(diǎn)。

(1)基坑降水對(duì)復(fù)合地基的影響程度因觀測(cè)斷面縱向的位置而有所不同。隨著與降水位置距離的增加，路基表面沉降所受影響減小，咽喉區(qū)路基所受降水影響小于站場(chǎng)路基。

(2)基坑降水對(duì)復(fù)合地基同一觀測(cè)斷面不同樁長(zhǎng)處地基的影響程度不同。樁長(zhǎng)越長(zhǎng)所受影響越小。35 m管樁(PHC樁)所受影響小于25 m CFG樁，25 m CFG樁所受影響小于15 m CFG樁。

(3)基坑降水對(duì)復(fù)合地基的影響程度還與其上部預(yù)壓土的加載有關(guān)。復(fù)合地基受預(yù)壓土影響越大，受基坑降水的影響就越小，反之越大。35 m管樁(PHC樁)所受預(yù)壓土影響最大，故其所受基坑降水的影響最小。

(4)基坑降水對(duì)復(fù)合地基中變樁長(zhǎng)處影響程度較大，其影響程度遠(yuǎn)大于復(fù)合地基中其他樁長(zhǎng)區(qū)。

(5)基坑降水對(duì)復(fù)合地基中樁間土的影響較對(duì)加固樁的影響大，樁的上刺入效應(yīng)比較嚴(yán)重。

(6)停止基坑降水也會(huì)對(duì)復(fù)合地基產(chǎn)生影響，原本沉降趨于穩(wěn)定的復(fù)合地基會(huì)產(chǎn)生回彈現(xiàn)象。

［1］龔曉南編著.復(fù)合地基［M］.杭州:浙江大學(xué)出版社，1992.

［2］龔曉南編著.復(fù)合地基理論及工程應(yīng)用［M］.2版.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007.

［3］姜 龍.京滬高速鐵路鳳陽(yáng)段樁板復(fù)合地基沉降時(shí)效特性研究［D］.北京:北京交通大學(xué)博士學(xué)位論文，2009.

［4］丁銘績(jī).高速鐵路CFG樁樁板復(fù)合地基工后沉降數(shù)值模擬［J］.中國(guó)鐵道科學(xué)，2008，29(3):1-6.

［5］周全能，姜領(lǐng)發(fā).客運(yùn)專(zhuān)線路基沉降特征及其影響因素分析［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2010(2):15-18.

［6］李廣信，劉早云，溫慶博.滲透對(duì)基坑水土壓力的影響［J］.水利學(xué)報(bào)，2002，5(5):75-80.