(山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院 山東 青島 266590)

前言

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，城市化趨勢(shì)日益增強(qiáng)，高層建筑也日益增多，基礎(chǔ)埋深也隨之增大。由于基礎(chǔ)所在的地區(qū)的地質(zhì)條件呈現(xiàn)多樣性，部分天然地基不可避免無(wú)法滿足工程建設(shè)時(shí)對(duì)地基承載力及其抵抗變成能力的要求時(shí)，為保證施工安全避免對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)造成的損失，必須采取一定的人工措施對(duì)天然地基進(jìn)行處理。尤其是在高速鐵路這一龐大的系統(tǒng)工程地基中[1]，高速鐵路是人民出行的命脈，也是一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)水平的體現(xiàn)，必須保證其高平整性、高精度性、高穩(wěn)定性，所以要從奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)做起，才能將影響因素的不穩(wěn)定性降到最低。

一、CFG樁復(fù)合地基特點(diǎn)

目前在設(shè)計(jì)高速鐵路地基中，一些軟土地基進(jìn)行加固時(shí)已經(jīng)廣泛應(yīng)用了CFG樁復(fù)合地基。其中以京滬高鐵為例，地基處理部分長(zhǎng)為83.9km，占到路段路基總長(zhǎng)的36.9%[2]。CFG樁是水泥粉煤灰碎石樁的簡(jiǎn)稱，它是基于傳統(tǒng)建筑工程中采用的碎石樁摻入水泥、粉煤灰等材料進(jìn)行改進(jìn)來(lái)的[3]，從而改善了碎石樁承載能力特性，同時(shí)減小了地基的沉降。樁頂處鋪設(shè)具有一定厚度的沙石褥墊層與基礎(chǔ)相連，合理分配樁土荷載，使樁間土一直參與工作，保證了樁和樁間土共同作用，形成樁、樁間土和褥墊層共同構(gòu)成的CFG樁復(fù)合地基。CFG樁與傳統(tǒng)的樁基對(duì)比，不僅大大減少了樁的使用數(shù)量，而且樁通體不用配筋、材料為粉煤灰，在消耗大量工業(yè)廢料的同時(shí)，又能節(jié)約成本、保護(hù)環(huán)境。

二、CFG樁復(fù)合地基沉降形式及機(jī)理

在土木工程設(shè)計(jì)中，計(jì)算地基沉降的方法不勝枚舉，我們目前在工程中廣泛應(yīng)用的多數(shù)方法都是基于太沙基經(jīng)典土力學(xué)理論進(jìn)行修改的，通過(guò)加入許多假設(shè)對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化，使其更簡(jiǎn)便、直觀、計(jì)算參數(shù)更少。軟土地基的總沉降量包括瞬時(shí)沉降和主固結(jié)沉降，此外在一些泥灰土、有機(jī)質(zhì)粘土和高塑性粘土中，還應(yīng)考慮次固結(jié)沉降[4]。

(一)瞬時(shí)沉降

地基在荷載作用下，土體尚未排水，由于地基的變形而立即產(chǎn)生的沉降，稱為瞬時(shí)沉降，同時(shí)也可以稱為初始沉降或者不排水沉降。目前，學(xué)者多研究主固結(jié)沉降和次固結(jié)沉降，對(duì)瞬時(shí)沉降卻鮮有研究。土體若以一維變形為主，則瞬時(shí)沉降所占地基總沉降比重極小，可以忽略不計(jì)，但是土體若以二維或三維變形為主，則瞬時(shí)沉降所占比重相當(dāng)大，需要單獨(dú)考慮。目前，瞬時(shí)沉降計(jì)算方法主要包括利用線彈性理論法(利用土體不排水變形量來(lái)計(jì)算沉降量)，應(yīng)力路徑法，以及試驗(yàn)曲線法(利用三軸不排水試驗(yàn)結(jié)果曲線進(jìn)行歸一化來(lái)計(jì)算沉降量)[5]。以上方法中可以考慮加載方式和加載速度的只有應(yīng)力路徑法，但該方法多數(shù)需要進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)工程應(yīng)用造成不便。在國(guó)內(nèi)工程設(shè)計(jì)中，瞬時(shí)沉降的取值來(lái)自主固結(jié)沉降乘以經(jīng)驗(yàn)系數(shù)修正。由于各地區(qū)軟土地質(zhì)條件千差萬(wàn)別，施工方法也不盡相同，修正系數(shù)取值也只能依靠經(jīng)驗(yàn)過(guò)于籠統(tǒng)，設(shè)計(jì)具有較大的不確定性。

(二)主固結(jié)沉降

由于外部荷載作用下，超孔隙水壓力逐漸消散而產(chǎn)生的水力梯度導(dǎo)致水從土體排除，應(yīng)力也隨之轉(zhuǎn)到土骨架上來(lái)，使得土體發(fā)生壓縮失水壓密，這一過(guò)程伴隨著土體的沉降，稱為主固結(jié)沉降。該變化過(guò)程與時(shí)間的關(guān)系密不可分，一般持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，發(fā)生的主要是體積的變化。土體的固結(jié)規(guī)律極其復(fù)雜，既受土體的類別和狀態(tài)的影響，也取決于土體的邊界條件、排水條件和荷載方式等因素的差異。主固結(jié)沉降理計(jì)算理論主要有太沙基固結(jié)理論、太沙基-倫杜列克固結(jié)理論和比奧固結(jié)理論。太沙基在1925年首次提出了飽和土體的一維固結(jié)理論,求得飽和土體在滲透固結(jié)過(guò)程中任意時(shí)間的變形量。后來(lái),倫杜列克在1936年將太沙基的一維固結(jié)理論進(jìn)行修改,保留太沙基固結(jié)理論的假設(shè)條件外,又假設(shè)滲透過(guò)程中土體的總應(yīng)力值不變,并將其運(yùn)用到二維和三維條件下,得到太沙基-倫杜列克固結(jié)理論。比奧在1941年改善了前者理論中未考慮應(yīng)力和應(yīng)變滿足的相容條件,從彈性理論推導(dǎo)入手,研究三向變形材料與孔隙壓力的相互作用,通過(guò)計(jì)算可得到了土體任意時(shí)刻的應(yīng)力和應(yīng)變,提出了比較完善的真三維固結(jié)理論[6]。

(三)次固結(jié)沉降

土體中主固結(jié)沉降完成，超孔隙水完全消散后，由于土體顆粒之間長(zhǎng)時(shí)間緩慢蠕變和位置重新排列而產(chǎn)生的沉降稱為次固結(jié)沉降，也稱為排水蠕變。根據(jù)土體類別不同，沉降特性也不盡相同，次固結(jié)沉降在總沉降中所占的比重也各有差異。對(duì)于有機(jī)粘土和高壓縮性粘土，次固結(jié)沉降所占比重較大，對(duì)于其他非飽和性粘土，空隙中存在大量氣體，產(chǎn)生的超孔隙水壓力較小，沒(méi)有孔隙水排出，導(dǎo)致次固結(jié)沉降很小。

(四)計(jì)算方法

現(xiàn)在很多工程對(duì)復(fù)合地基沉降的計(jì)算相較于承載力的計(jì)算，程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足，理論尚不成熟。于此背景下，通常把復(fù)合地基沉降量分為加固區(qū)的壓縮量S1和下臥層的壓縮量S2，由于復(fù)合地基和基礎(chǔ)之間的墊層壓縮變形量很小，且一般完成于施工過(guò)程中，可以省略。在實(shí)用的計(jì)算方法中，根據(jù)復(fù)合地基的特點(diǎn)可以參考規(guī)范計(jì)算或者用M-B(Mindlin-Boussinesq)聯(lián)合計(jì)算法。預(yù)測(cè)復(fù)合地基沉降的方法主要有雙曲線發(fā)、指數(shù)曲線法、星野法、泊松曲線法等，這些方法在通過(guò)大量的工程實(shí)例驗(yàn)證后，具有較高的可靠性和實(shí)用性[7]。

三、工程實(shí)例

(一)工程概況

本文所選高速鐵路沿線段所屬溫暖帶亞濕潤(rùn)氣候區(qū)，四季分明，沿線經(jīng)過(guò)海河、黃河兩大主要河流。地表水主要是河水和渠水，河水在雨季水量充沛，干季水量少甚至斷流，受季節(jié)影響較明顯。地下水類型按形成條件可分為孔隙潛水、巖石裂隙水和巖溶水，局部具有承壓性，地下水埋深一般在0.5-4.7m。地層多為第第四系全新統(tǒng)沖積層，厚度為6.1-11.4m，巖性為粘土、粉質(zhì)粘土和粉土，其中粘土和粉質(zhì)粘土的固結(jié)系數(shù)較小，粉土的固結(jié)系數(shù)較大。

(二)沉降值對(duì)比分析

本文選取JH1、JH2、JH3、JH4、JH5、JH6、JH7、JH8等8個(gè)典型斷面，將幾種常用的計(jì)算方法沉降值計(jì)算值，與沉降量實(shí)測(cè)值及預(yù)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析。計(jì)算方法文中采用了規(guī)范法和M-B聯(lián)合法，利用計(jì)算機(jī)輔助軟件Matlab求解，預(yù)測(cè)值采用雙曲線法和星野法預(yù)測(cè)沉降的最終值，由于規(guī)范法計(jì)算值都在遠(yuǎn)大于實(shí)測(cè)值，如表1所示，并便于對(duì)比將其他具體的結(jié)果作圖1所示：

表1 CFG樁復(fù)合地基典型斷面計(jì)算沉降值

圖1 CFG樁復(fù)合地基典型斷面計(jì)算及預(yù)測(cè)沉降值

從表1可以看出，CFG樁復(fù)合地基按建筑地基處理規(guī)范進(jìn)行理論計(jì)算得到的結(jié)果相較于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值普遍偏大，最大位置達(dá)到相差368.0mm，其余差值介于5.0-5.9倍之間，可見(jiàn)規(guī)范值，并不能直接應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)，過(guò)于保守。而M-B聯(lián)合法計(jì)算的總沉降值與實(shí)測(cè)值相對(duì)吻合，從圖1可以看出，曲線形式相近，最大差值為12.4mm，最小差值為6.4mm，可以廣泛應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)，但是計(jì)算方法相對(duì)復(fù)雜，需要計(jì)算輔助軟件。從圖1可以看出，雙曲線法和星野法兩種對(duì)CFG樁復(fù)合地基沉降值的預(yù)測(cè)都比較接近，兩種方法的預(yù)測(cè)值都略小于實(shí)際的沉降值，這是由于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的日期過(guò)短，沉降還沒(méi)有完全結(jié)束，存在一些工后沉降。以沉降量最大的JH7處為例，雙曲線法預(yù)測(cè)的總沉降量為83.2.2mm，與實(shí)測(cè)值73.5mm相比，相關(guān)系數(shù)達(dá)到了88.3%，其他位置的相關(guān)系數(shù)平均值為91.2%。星野法在該處的沉降值為80.8mm，相關(guān)系數(shù)為91.0%，較為接近，各斷面相關(guān)系數(shù)的平均值達(dá)到了90.0%，兩者的相關(guān)系數(shù)均滿足《鐵建設(shè)[2006]158號(hào)——客運(yùn)專線鐵路無(wú)柞軌道鋪設(shè)條件評(píng)估技術(shù)指南》的規(guī)定。

四、結(jié)語(yǔ)

(1)根據(jù)京滬高速某段地質(zhì)特點(diǎn)及其工程重要性入手，采用了CFG樁復(fù)合地基進(jìn)行加固，并簡(jiǎn)單介紹了，CFG樁復(fù)合地基的作用機(jī)理。

(2)詳細(xì)介紹了CFG樁復(fù)合地基沉降的瞬時(shí)沉降、主固結(jié)沉降和次固結(jié)沉降等三種沉降的機(jī)理及計(jì)算方法和預(yù)測(cè)方法。

(3)以京滬高鐵某段為例，分別采用規(guī)范法和M-B聯(lián)合法對(duì)8個(gè)不同斷面位置的沉降值進(jìn)行計(jì)算，規(guī)范法計(jì)算沉降值為實(shí)測(cè)值的6倍左右，M-B聯(lián)合法計(jì)算沉降值相接近。采用雙曲線法和星野法對(duì)沉降進(jìn)行了預(yù)測(cè)，兩種方法得到的最終沉降值整天偏大于實(shí)測(cè)值，這是由于實(shí)測(cè)時(shí)間短導(dǎo)致的，相關(guān)系數(shù)分別為91.2%和90.0%，均符合規(guī)定要求，在工程設(shè)計(jì)中可作為參考依據(jù)。

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[4]劉賀全.京津城際客運(yùn)專線CFG樁復(fù)合地基施工及沉降分析研究[D].成都:西南交通大學(xué),2009.

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