郭堅(jiān)鴿

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430063)

高速鐵路路基要求一般地段的工后沉降不大于15 mm［1］。實(shí)踐證明［2］，采用高黏結(jié)強(qiáng)度剛性樁復(fù)合地基，可有效減少地基總沉降并控制地基工后沉降。但對(duì)于低矮軟土路基，其填高小于基床厚，實(shí)測(cè)資料表明［3，4］，列車動(dòng)載的影響度可達(dá)樁頂墊層以下，由于樁－土的剛度差異，采用樁網(wǎng)復(fù)合地基，易產(chǎn)生樁土不均勻沉降和累計(jì)塑性變形，形成路基病害，俗稱“蘑菇式”路基，無(wú)法保證路基長(zhǎng)期使用性能。

因此，為充分發(fā)揮剛性樁樁身豎向承載，有效控制工后沉降并保證路基長(zhǎng)期動(dòng)力穩(wěn)定性［5］，參照工民建專業(yè)“減沉復(fù)合樁基”的研究成果［6］，在某低矮軟土路基設(shè)計(jì)中采用了樁筏基礎(chǔ)方案。結(jié)合工程建設(shè)，開(kāi)展了典型工點(diǎn)樁土受力測(cè)試，分析樁土受力特征，揭示樁土相互作用機(jī)理，以期提出適用于高速鐵路路基荷載特點(diǎn)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，為工程設(shè)計(jì)和推廣應(yīng)用提供依據(jù)。

1 工程方案與測(cè)試方案［7］

1.1 地基條件

試驗(yàn)工點(diǎn)位于某高速鐵路長(zhǎng)江高階地坳谷區(qū)，地形略有起伏。地基土表層為粉質(zhì)黏土硬殼層，可塑狀;下為第四系全新統(tǒng)沖積淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，軟—流塑，屬“軟土地基”;其下為第四系上更新統(tǒng)沖積黏土層，硬塑，中－低壓縮性;下伏花崗閃長(zhǎng)巖。地下水位埋深0.5m，地基土主要物理力學(xué)參數(shù)平均值見(jiàn)表1。

表1 地基土物理力學(xué)指標(biāo)

1.2 樁筏基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案

路基填高2.2～3.4m，動(dòng)荷載影響區(qū)采用CFG樁筏基礎(chǔ)，見(jiàn)圖1。CFG樁樁體軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值11.9 MPa，樁徑0.5m，樁長(zhǎng)9～17m，穿透軟土至硬塑土不小于1.5m;CFG樁正方形布置，筏板下方樁間距2.4m，筏板外側(cè)樁間距1.8m。C30鋼筋混凝土筏板厚度0.5m，縱向單元板長(zhǎng)度16.8m;板底鋪設(shè)0.2m厚碎石墊層;筏板外側(cè)CFG樁頂鋪設(shè)0.7m厚碎石褥墊層，內(nèi)鋪一層高強(qiáng)土工格柵。為消除縱向差異沉降，在基床底層表面進(jìn)行堆載預(yù)壓，預(yù)壓填土高于基床表層表面3.0m，預(yù)壓期不少于6個(gè)月。

圖1 CFG樁筏基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)示意

1.3 測(cè)試方案

為測(cè)試樁土受力特性，在筏板頂部和底部埋設(shè)土壓力盒。頂部土壓力盒埋設(shè)于筏板上方和筏板外側(cè)碎石墊層頂部，底部土壓力盒分別埋設(shè)于樁頂、樁間土處。

2 樁土受力測(cè)試分析

2.1 樁頂填土荷載

CFG樁采用長(zhǎng)螺旋鉆孔內(nèi)泵壓法施工，養(yǎng)護(hù)28 d后，在樁頂鋪設(shè)碎石墊層并澆筑筏板，筏板養(yǎng)護(hù)至大于設(shè)計(jì)強(qiáng)度70%后，開(kāi)始逐層填土至路肩高程，施加預(yù)壓荷載后總荷載達(dá)121.2 kPa。

測(cè)試數(shù)據(jù)表明，測(cè)試斷面筏板頂部土壓力均呈階梯式增長(zhǎng)，在路基填筑與超載預(yù)壓過(guò)程中，測(cè)試曲線與理論計(jì)算土壓力增減趨勢(shì)一致，路基填筑、超載預(yù)壓完畢后，曲線趨于平緩。預(yù)壓期間筏板頂部土壓力值在40 kPa至95 kPa之間，略小于理論計(jì)算填土荷載。分析認(rèn)為，主要是由于路堤本體和預(yù)壓土雙層結(jié)構(gòu)，路堤本體壓實(shí)度很高，可視為預(yù)壓土基礎(chǔ)對(duì)預(yù)壓土荷載有擴(kuò)散作用所致。

2.2 筏底樁頂與樁間土應(yīng)力測(cè)試分析

不同部位樁頂應(yīng)力隨路基填筑的變化曲線見(jiàn)圖2。由圖2可知，土壓力隨著筏板澆筑、路基填筑與超載預(yù)壓等上部荷載施加，呈相同的增長(zhǎng)規(guī)律，加荷速率較大時(shí)，土壓力增長(zhǎng)亦較快，荷載穩(wěn)定后土壓力逐步趨于平緩。測(cè)試期間，筏板邊緣處T1－5土壓力最大，卸載前高達(dá)1 650 kPa。

圖2 樁頂應(yīng)力—時(shí)間—荷載變化曲線

樁間土壓力隨路基填筑的變化曲線如圖3所示。由圖3可知，樁間土土壓力增長(zhǎng)趨勢(shì)與樁頂類似，隨著路基填筑，土壓力均逐漸增加;但荷載穩(wěn)定后，土壓力逐步減少至平穩(wěn)，分析認(rèn)為主要是地基土固結(jié)變形與筏板－墊層應(yīng)力調(diào)整所致。卸載后樁間土壓力明顯減小，卸載前路基中心位置處樁間土壓力最大，為54 kPa;筏板外側(cè)的樁間土壓力最小，為22 kPa;橫向上表現(xiàn)為中間大、邊緣小的特征。橫向?qū)?yīng)位置，四樁之間形心土壓力大于兩樁之間土壓力，平均比值約為1.4倍。

2.3 樁土應(yīng)力比分析

由樁頂應(yīng)力和樁間土應(yīng)力可求得筏板以下樁土應(yīng)力比。測(cè)試數(shù)據(jù)表明:筏底各處樁土應(yīng)力比隨荷載的增加而增大，加荷速率大時(shí)樁土應(yīng)力比增長(zhǎng)較快，在荷載穩(wěn)定后仍有所增長(zhǎng)，表明荷載穩(wěn)定后，樁土之間的應(yīng)力調(diào)整要滯后一段時(shí)間。荷載穩(wěn)定后平均樁土應(yīng)力比為32。超載期間，筏板邊緣處樁土應(yīng)力比最大達(dá)58，中樁處為26，樁的承載能力發(fā)揮效果與樁所在位置密切相關(guān)。

卸載期間，樁土應(yīng)力比隨之減小，筏板下再次發(fā)生應(yīng)力重新分配。從全過(guò)程看，樁土應(yīng)力存在反復(fù)調(diào)整、協(xié)調(diào)過(guò)程，卸載后樁土應(yīng)力比平均約為23。樁土應(yīng)力比沿路基橫向呈現(xiàn)明顯的“駝峰形”特征，與剛性板載荷試驗(yàn)中塑性區(qū)出現(xiàn)前的應(yīng)力分布曲線一致。

3 樁筏結(jié)構(gòu)整體受力分析

3.1 樁土應(yīng)力比與地基沉降的關(guān)系

樁土應(yīng)力比與樁間土沉降的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)圖4。由圖4可知，樁土應(yīng)力比隨沉降的增大而增加。路堤填筑期間，沉降曲線較陡，此階段樁及樁間土在荷載作用下，均有向下變形的趨勢(shì)，而由于樁與樁間土因支撐剛度不同產(chǎn)生相對(duì)變形，樁側(cè)摩阻力迅速增大，樁產(chǎn)生的變形量遠(yuǎn)小于樁間土，樁土應(yīng)力比迅速增大。

超載預(yù)壓期間，在樁與樁間土共同支撐作用下，因綜合剛度進(jìn)一步提高，樁土沉降差緩慢增大，樁土應(yīng)力比也略有增長(zhǎng)，表明對(duì)應(yīng)上部荷載，基礎(chǔ)綜合剛度已足夠大，抗變形能力較高，這種結(jié)構(gòu)形式，預(yù)壓對(duì)消除工后沉降貢獻(xiàn)有限;卸載后，沉降有微小反彈，樁土應(yīng)力比減小幅度較大，這是因?yàn)楹奢d減小后，處于“準(zhǔn)彈性”狀態(tài)的樁間土應(yīng)力解除后樁頂應(yīng)力減少幅度大于樁間土應(yīng)力。卸載一段時(shí)間后，沉降趨于穩(wěn)定，樁土應(yīng)力比亦趨于穩(wěn)定。

圖4 筏底平均樁土應(yīng)力比—沉降對(duì)比曲線

3.2 樁土荷載分擔(dān)比分析

通過(guò)面積置換率和樁土應(yīng)力比可分析樁筏結(jié)構(gòu)的荷載分擔(dān)情況，樁土荷載分擔(dān)比隨著路基填筑的變化曲線見(jiàn)圖5。

圖5 筏底樁土荷載分擔(dān)比—時(shí)間—荷載變化曲線

筏板澆筑期，荷載較小，因面積置換率僅有3.4%，樁間土承擔(dān)了絕大部分荷載。隨著荷載的增加，樁頂逐漸刺入褥墊層，樁承擔(dān)的荷載比例迅速增加，荷載逐漸向樁身轉(zhuǎn)移。在填土間歇期間，樁承擔(dān)荷載的增幅減小;卸除預(yù)壓土后，樁間土承擔(dān)的荷載比例有所增加，而樁承擔(dān)的荷載比例有所減小。預(yù)壓期間樁體荷載承擔(dān)比例最大為51%，卸載后降低至40%，表現(xiàn)出了樁土共同承擔(dān)荷載的特性。根據(jù)樁土荷載承擔(dān)比例，可以確定樁基設(shè)計(jì)方法，按試驗(yàn)工點(diǎn)條件筏板下CFG承擔(dān)荷載可取路堤荷載的50%左右，據(jù)此進(jìn)行樁基承載力設(shè)計(jì)。

4 結(jié)論

(1)無(wú)砟軌道高速鐵路低矮軟土路基采用樁筏基礎(chǔ)方案，可有效控制工后沉降并保證其長(zhǎng)期動(dòng)力穩(wěn)定性。

(2)樁筏基礎(chǔ)可充分發(fā)揮樁體豎向承載大的優(yōu)勢(shì)，樁土應(yīng)力比最高達(dá)58，最終穩(wěn)定在23～32左右，是較一般剛性樁復(fù)合地基更為經(jīng)濟(jì)的一種地基處理方案。

(3)由荷載分擔(dān)分析可知，盡管面積置換率僅為3.4%，樁承擔(dān)的荷載約占40%，考慮安全冗余，工程設(shè)計(jì)時(shí)，可按上部荷載標(biāo)準(zhǔn)組合的50%進(jìn)行樁基設(shè)計(jì)，且同時(shí)要滿足沉降控制驗(yàn)算的要求。

(4)從樁土相互作用機(jī)理分析，伴隨加荷全過(guò)程，有別于樁基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)內(nèi)部樁土應(yīng)力一直處于強(qiáng)烈調(diào)整狀態(tài)，至荷載穩(wěn)定后3個(gè)月，才逐漸趨于穩(wěn)定;對(duì)無(wú)砟軌道軟土路基，填筑至路基面放置3個(gè)月以上，從實(shí)現(xiàn)工后沉降控制的角度是必要的。

［1］TB10621—2009 高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)［S］

［2］閆明禮，張東剛．CFG樁復(fù)合地基技術(shù)及工程實(shí)踐［M］．北京:中國(guó)水利水電出版社，2006

［3］王炳龍，楊龍才，宮全美，等．高速鐵路路基工程［M］．北京:中國(guó)鐵道出版社，2007

［4］Jie Han，Ph．D．，Design Issues in Geosynthetic-Reinforced Column －Supported Embankmeats［R］．The University of Kansas，2007

［5］李小和．客運(yùn)專線路基地段鋪設(shè)無(wú)碴軌道有關(guān)問(wèn)題的探討［J］．鐵道工程學(xué)報(bào)，2005(5):20-24

［6］楊敏，侯學(xué)淵．軟土地基按沉降控制設(shè)計(jì)理論與實(shí)踐［M］．上海:同濟(jì)大學(xué)出版社，1996

［7］中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司．高速鐵路深厚軟土地段地基加固處理與路基填筑技術(shù)綜合試驗(yàn)研究報(bào)告［R］．武漢:中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，2011

［8］TB10012—2001 鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范［S］

［9］TB10102—2004 鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程［S］

［10］TB10013—2004 鐵路工程物理勘探規(guī)程［S］

［11］TB10049—2004 鐵路工程水文地質(zhì)勘察規(guī)程［S］