陳哲光

（中國(guó)土木工程集團(tuán)有限公司，北京100038）

1 引言

鐵路軌道的平順性和安全性是保證高速鐵路列車(chē)行車(chē)的重要保證。因此，高速鐵路對(duì)路基的工后沉降和穩(wěn)定有著極為嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于無(wú)砟軌道而言，根據(jù)TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》，在一般路基地段工后沉降不能超過(guò)15mm。一般在滲透系數(shù)小的軟土地基，工后沉降難以控制，因此出現(xiàn)不同地基處理方式改善軟土物理力學(xué)性質(zhì)。其中，長(zhǎng)短樁復(fù)合地基就是一種新型地基處理方式，很多學(xué)者也對(duì)其展開(kāi)研究，林志強(qiáng)等【1】根據(jù)在柔性基礎(chǔ)下長(zhǎng)短樁復(fù)合地基荷載傳遞機(jī)理，對(duì)工程質(zhì)量事故的原因進(jìn)行分析，找出工程質(zhì)量事故的主要原因并提出避免類(lèi)似工程質(zhì)量事故的預(yù)防措施；李善珍等【2，3】對(duì)黃土地區(qū)的長(zhǎng)短樁復(fù)合地基通過(guò)數(shù)值模擬方法分析，建議了合理的樁長(zhǎng)和樁間距；馬學(xué)寧等【4】基于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法，分析了長(zhǎng)短樁復(fù)合地基的沉降特性和長(zhǎng)短樁的受力規(guī)律；王曉光【5】對(duì)濕陷性黃土地區(qū)的長(zhǎng)短樁復(fù)合地基沉降進(jìn)行理論分析。周同和等【6】、陸華等【7】和陳陽(yáng)【8】也進(jìn)行了長(zhǎng)短樁復(fù)合地基的室內(nèi)模型試驗(yàn)，研究長(zhǎng)短樁復(fù)合地基的沉降特性和長(zhǎng)短樁受力規(guī)律。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方面，李波等【9】對(duì)上海軟土地區(qū)的長(zhǎng)短樁復(fù)合地基的沉降規(guī)律和樁土應(yīng)力比進(jìn)行了分析研究。

以上學(xué)者通過(guò)數(shù)值模擬、室內(nèi)模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法分析了長(zhǎng)短樁沉降規(guī)律和樁土應(yīng)力比等，但以上學(xué)者研究長(zhǎng)短樁加固對(duì)象多為沿海地區(qū)軟土和西北地區(qū)濕陷性黃土，對(duì)于黃淮沖積平原地區(qū)軟土研究較少，且對(duì)于長(zhǎng)短樁+筏板加固地基方式研究也較少。

因此，本文通過(guò)對(duì)黃淮平原地區(qū)軟土采用素混凝土長(zhǎng)樁+CFG 短樁+筏板方式進(jìn)行加固，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)沉降、樁土應(yīng)力、側(cè)向變形、基底應(yīng)力分布和孔隙水壓力變化，分析長(zhǎng)短樁在軟弱土層的加固效果，為長(zhǎng)短樁+筏板地基處理方式提供參考和借鑒。

2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

2.1 工程概況

試驗(yàn)段為某高速鐵路里程路基全長(zhǎng)1 455.31m。地處黃淮沖積平原區(qū)，本段全新統(tǒng)地層以軟塑～可塑的粉質(zhì)黏土、黏土層為主，分布厚度大，地層軟弱、力學(xué)性質(zhì)較差、地基承載力低、壓縮性大，砂性土分布少，排水條件差，施工后在路堤荷載作用下，土體固結(jié)沉降完成過(guò)程長(zhǎng)，工后沉降控制困難。表層為第四系全新統(tǒng)沖積層黏性土、粉土偶夾薄層砂類(lèi)土；其下為上更新統(tǒng)沖積層黏性土、粉土地層。

各地層自上而下分布厚度及其主要力學(xué)特性如下：

1）粉土：褐黃色、褐灰色，飽和，稍密，局部夾有薄層粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂，層厚1.5m。Es100～200=7.83MPa，N=5.49 擊/30cm。

2）粉質(zhì)黏土：黃褐色、灰褐色，局部為褐黃色，軟塑，局部夾有薄層粉土、粉細(xì)砂及少量姜石，層厚6.68m。Es100～200=3.73MPa，N=5.41 擊/30cm。

3）粉質(zhì)黏土：褐黃色、黃褐色，局部為褐灰色，可塑，局部夾有薄層粉土、粉細(xì)砂及少量姜石，層厚9.42m。Es100～200=4.78MPa，Es300～400=9.86MPa，N=9.54 擊/30cm。

4）粉土：褐黃色、褐灰色，飽和，中密，局部夾有薄層粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂及少量姜石，層厚6.10m，Es300～400=11.6MPa，N=11.8 擊/30cm。

5）粉質(zhì)黏土：褐黃色、黃褐色，局部為褐灰色，可塑，局部夾有薄層粉土、粉細(xì)砂及少量姜石，層厚9.56m。Es100～200=5.14MPa，Es300～400=10.98MPa，N=14 擊/30cm。

6）粉質(zhì)黏土：褐黃色、黃褐色，局部為褐灰色，可塑，局部夾有薄層粉土、粉細(xì)砂及少量姜石，含少量的鐵錳質(zhì)結(jié)核、鐵錳質(zhì)氧化物斑塊，層厚12.86m，推薦承載力基本值=170kPa。

7）粉質(zhì)黏土：黃褐色、灰褐色，硬塑，局部夾有薄層粉土及少量姜石。層底埋深39.00～46.40m。Es600～800=18.75MPa，N=31.77擊/30cm。

地下水主要為孔隙潛水，局部略具承壓性，地下水受大氣降水、地表水補(bǔ)給，水量較豐富。地下水具明顯的動(dòng)態(tài)變化特征，隨季節(jié)、降水量變化而變化，測(cè)時(shí)地下水埋深2.9～4.2m，標(biāo)高34.36～35.87m。地下水主要以地下徑流及人工開(kāi)采為主要排泄方式。

2.2 測(cè)試元件布置

長(zhǎng)短組合樁地基中，長(zhǎng)樁為素混凝土樁，樁徑0.6m、長(zhǎng)31～37m；短樁為CFG 樁，樁徑0.5m、長(zhǎng)25m；樁間距2.5m，按正方形間隔布設(shè)。樁頂設(shè)C45 鋼筋混凝土筏板，筏板厚0.6m，板下設(shè)0.2m 厚墊層。路基填高6～7m，路基本體采用A、B 組填料填筑，上部預(yù)壓土高度3m，設(shè)計(jì)預(yù)壓期12 個(gè)月。主斷面監(jiān)測(cè)及元件布置圖如圖1 所示，3 個(gè)單點(diǎn)沉降計(jì)；1 個(gè)分層沉降計(jì)；1 個(gè)孔隙水壓力計(jì)；土壓力盒：樁頂7 個(gè)，樁間土7 個(gè)，筏板以上3 個(gè)；1 個(gè)測(cè)斜管；1 個(gè)水位觀測(cè)孔。

圖1 主斷面監(jiān)測(cè)及元件布置圖

2.3 測(cè)試元件埋設(shè)

監(jiān)測(cè)剖面元件埋設(shè)工作如圖2～圖4 所示。為保證元件能得到科學(xué)合理的數(shù)據(jù)，元件的埋設(shè)過(guò)程也十分重要，各個(gè)元件現(xiàn)場(chǎng)埋設(shè)過(guò)程參考文獻(xiàn)【10】進(jìn)行埋設(shè)。

圖2 單點(diǎn)沉降計(jì)

圖3 分層沉降計(jì)

圖4 孔隙水壓力計(jì)

2.4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試頻率

監(jiān)測(cè)元件埋設(shè)到位后，監(jiān)測(cè)頻次，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)展開(kāi)始了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的收集。具體監(jiān)測(cè)工作要求如下：

1）在路堤正式填筑前，對(duì)所有埋設(shè)元件設(shè)備進(jìn)行復(fù)測(cè)，作為初始讀數(shù)。

2）在路堤填筑施工期間，各元件設(shè)備一般情況每天（上午）測(cè)試1 次，各種原因暫時(shí)停工期間，前2d 每天（上午）測(cè)試1 次，以后每3d 測(cè)試1 次。

3）路堤填筑施工完成后，前15d 內(nèi)每3d 觀測(cè)1 次，第15～30d 每星期觀測(cè)1 次，第30～90d 每15d 觀測(cè)1 次，以后的每個(gè)月觀測(cè)1 次。

在實(shí)際監(jiān)測(cè)工作中，觀測(cè)時(shí)間間隔還考慮地基沉降值與沉降速率影響，當(dāng)2 次連續(xù)觀測(cè)的沉降差值大于4mm 時(shí)加密觀測(cè)頻次；當(dāng)出現(xiàn)沉降突變、地下水變化及降雨等外部環(huán)境變化時(shí)也增加觀測(cè)頻次。

3 測(cè)試結(jié)果分析

3.1 沉降變形分析

第587d 為預(yù)壓土卸載完成日，卸載后測(cè)試沉降，沉降有所減小，即發(fā)生回彈現(xiàn)象，回彈量是1.09mm, 且沉降變形趨于穩(wěn)定。截至637d，地基面沉降為14.6mm。

由圖5 可知：長(zhǎng)短樁加固區(qū)段各監(jiān)測(cè)斷面的地基面、加固區(qū)和下臥層的沉降均隨著上部填土高度的增大而增大，第44d填筑開(kāi)始至第166d 填筑（含預(yù)壓土）完成期間，沉降量及沉降速率均為較快速增長(zhǎng)階段；恒載擺放期，沉降仍在發(fā)展，但沉降速率明顯變緩；至第271d，加固區(qū)沉降已趨穩(wěn)定，地基面和下臥層沉降仍在緩慢發(fā)展。

圖5 地基沉降隨時(shí)間變化圖

從圖6 中可知，地基土各分層的沉降量隨路基填土和預(yù)壓填土荷載的增大而增大，尤其在加載初期，沉降變化很明顯。當(dāng)上部荷載恒定后，地基各土層沉降均逐漸趨于收斂。當(dāng)卸載完成后測(cè)試沉降，沉降有所減小，即發(fā)生回彈現(xiàn)象，且沉降變形很快趨于穩(wěn)定。

3.2 側(cè)向位移分析

試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)主測(cè)斷面右側(cè)設(shè)置了1 個(gè)測(cè)斜管，但受元件自身或埋設(shè)效果等影響，該測(cè)斜孔僅0～23.0m 工作正常，23.0m以下監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常。該測(cè)點(diǎn)處側(cè)向位移沿深度變化曲線(xiàn)如圖7所示，由圖7 可知：

圖6 路基分層沉降隨時(shí)間變化圖

圖7 路基側(cè)向位移隨時(shí)間變化圖

1）填土高度達(dá)6.6m，開(kāi)始首次觀測(cè)，至70d 第二次測(cè)試時(shí)填土高度為9.6m（填筑完成），此時(shí)已產(chǎn)生明顯的側(cè)向位移；此后的填土高度不變，處于恒載擺放期，路堤側(cè)向位移逐漸增大，但增加幅度相對(duì)較小，并趨于穩(wěn)定。

2）地基土側(cè)向位移隨著深度的增加明顯呈減小的趨勢(shì)，截至125d 地表最大側(cè)向相對(duì)位移達(dá)到了6.00mm，深度20m以下地基土側(cè)向位移最大值一般小于1mm?？梢?jiàn)，采用長(zhǎng)短樁樁筏結(jié)構(gòu)時(shí)，在約束側(cè)向位移及其影響深度方面作用明顯。地基土側(cè)向位移隨著深度的增加明顯呈減小的趨勢(shì)，截至449d地表最大側(cè)向相對(duì)位移達(dá)到了6mm，深度20m 以下地基土側(cè)向位移最大值一般小于1mm。

3）從發(fā)展階段看，填筑期的側(cè)向位移量、沉降速率均較大，期間側(cè)向位移速率為1.84～3.05mm/月；填筑完成后的恒載擺放期側(cè)向位移量明顯減小，平均位移速率為0.85mm/月，并基本趨于穩(wěn)定。

3.3 長(zhǎng)短樁+筏板體系基底應(yīng)力分布

為研究長(zhǎng)短樁樁筏復(fù)合地基路基基底應(yīng)力的分布規(guī)律，于基底樁頂、樁間土不同位置處埋設(shè)土壓力盒進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試，量測(cè)施工和預(yù)壓期內(nèi)基底應(yīng)力變化。路基面下基底壓力均值與路基填筑高度的時(shí)程曲線(xiàn)如圖8 所示，路堤基底壓力隨路堤荷載的增加而逐漸增大，相同荷載作用下墊層的結(jié)構(gòu)性越強(qiáng)，路基面下基底壓力越小。

圖9a、圖9b 分別為路基填筑預(yù)壓的過(guò)程中，長(zhǎng)短樁樁筏復(fù)合地基路基基底應(yīng)力的分布規(guī)律。從圖9 中可知，在預(yù)壓荷載較小時(shí)，基底壓力在路堤荷載較小時(shí)分布較為均勻，隨著預(yù)壓荷載的增大，路基面下基底壓力呈拋物線(xiàn)型分布，即兩路肩下小中心處大，且中心處壓力隨路堤填高而增加的幅度最大，但隨著預(yù)壓荷載的進(jìn)一步增大，路基面下基底壓力隨路堤荷載的增加呈馬鞍型分布，即兩側(cè)大中間小，而后基底中心壓力快速增加。路基預(yù)壓荷載結(jié)束后，基底壓力呈明顯的馬鞍型分布。此外，長(zhǎng)短樁復(fù)合地基中，由于素混凝土與周?chē)馏w的剛度差異較大，比CFG 短樁承擔(dān)較大的荷載。

圖8 樁筏結(jié)構(gòu)路基基底土壓力隨時(shí)間變化圖

圖9 樁筏結(jié)構(gòu)路基基底應(yīng)力分布模式

3.4 樁土應(yīng)力分析

從圖10 中可知，當(dāng)路基填土高度在3.0m 以下時(shí)，素混凝土樁和CFG 樁的樁土應(yīng)力比在填土初期快速增大；當(dāng)路基填土高度達(dá)到6.0m 時(shí)，素混凝土樁和CFG 樁的樁土應(yīng)力比迅速增大，隨后趨于穩(wěn)定；當(dāng)路基填土高度達(dá)到9.0m 后，素混凝土樁和CFG 樁的樁土應(yīng)力比都在一定的區(qū)間波動(dòng)，但隨著加載時(shí)間的增長(zhǎng)，素混凝土樁樁土應(yīng)力比有一定的增大，而CFG 樁樁土應(yīng)力比有一定的減小。路基中心處和路肩下素混凝土樁樁土應(yīng)力比基本一致，CFG 樁的樁土應(yīng)力比也基本一致，坡腳附近樁土應(yīng)力比都比較小，但素混凝土樁樁土應(yīng)力比大于CFG 樁樁土應(yīng)力比。路基中心處和路肩素混凝土樁樁土應(yīng)力比為10.9～13.0，路基中心處和路肩下CFG樁樁土應(yīng)力比為5.9～7.1，素混凝土樁的樁土應(yīng)力約為CFG樁的2 倍；坡腳附近素混凝土樁樁土應(yīng)力比為2.4～3.4，坡腳附近的CFG 樁樁土應(yīng)力比為1.9～2.5，素混凝土樁的樁土應(yīng)力約為CFG 樁的1.3 倍。說(shuō)明素混凝土樁分擔(dān)的荷載比CFG 樁分擔(dān)的荷載大。

圖10 樁土應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線(xiàn)圖

在預(yù)壓期間，隨著預(yù)壓時(shí)間的增大，路基中心處、路基下和最靠近坡腳處的素混凝土樁和CFG 樁樁土應(yīng)力比均呈緩慢增大規(guī)律，但增幅較小，表明長(zhǎng)短樁樁筏結(jié)構(gòu)復(fù)合地基受力與變形狀態(tài)逐漸趨于協(xié)調(diào)。素混凝土樁樁土應(yīng)力比隨著填土荷載的增大到穩(wěn)定呈增大—穩(wěn)定—再增大的趨勢(shì)；CFG 樁的樁土應(yīng)力比隨著填土荷載的增大到穩(wěn)定呈增大—穩(wěn)定—有一定減小的趨勢(shì)。

卸載后樁與樁間土都發(fā)生明顯回彈，且樁土應(yīng)力比也略減小，之后很快保持穩(wěn)定。

3.5 孔隙水壓力分析

孔隙水壓力測(cè)試設(shè)置部分主監(jiān)測(cè)斷面線(xiàn)路中線(xiàn)附近，有1孔，設(shè)6 個(gè)孔隙水壓力計(jì)，分別埋設(shè)于各黏性土層的中部。在路基填土施工期間，對(duì)不同深度處的孔隙水壓力計(jì)進(jìn)行測(cè)試，得到不同深度處孔隙水壓力在路基施工和預(yù)壓期間的變化規(guī)律，如圖11 所示。

圖11 孔隙水壓力隨時(shí)間變化圖

1）長(zhǎng)短樁復(fù)合地基不同深度處孔隙水壓力在路基分層填筑期間產(chǎn)生驟然增大，出現(xiàn)峰值，而在施工停頓期則逐漸消散。

2）當(dāng)路基每層填筑停頓期間，由該填土層引起的超孔隙水壓力在未得到完全消散的條件下，緊接著填筑下一層路基填土，引起超孔隙水壓力疊加，至路基預(yù)壓填土完成時(shí)，長(zhǎng)短樁復(fù)合地基不同深度處的孔隙水壓力出現(xiàn)最大峰值，地基面以下12.0m（加固區(qū)）、20.0m（加固區(qū)）、25.0m（CFG 樁樁底）、38.0m（素混凝土樁樁底）和52.0m（下臥層底層）的孔隙水壓力分別為121.7kPa、200.1kPa、261.4kPa、392.6kPa 和439.0kPa，累積的超孔隙水壓力分別為110.3kPa、111.5kPa、123.4kPa、121.4kPa 和99.7kPa，結(jié)合圖11 中孔隙水壓力變化圖形，表明在上部路基填土荷載逐級(jí)增大的作用下，復(fù)合地基深度越大，超孔隙水壓力疊加作用越明顯。

3）在117d 上部路基填土荷載恒定后，隨著預(yù)壓時(shí)間的增大，復(fù)合地基不同深度處的超孔隙水壓力逐漸消散，至222d后，地基面以下12.0m、20.0m、25.0m、38.0m 和52.0m 超孔隙水壓力分別為32.5kPa、28.1kPa、54.8kPa、52.4kPa 和56.0kPa，相比預(yù)壓土填筑完成時(shí)，超孔隙水壓力分別減小70.5%、74.6%、55.5%、56.8%和43.9%。

4）預(yù)壓土卸載完成后，地基土已完成固結(jié)，沉降已經(jīng)平穩(wěn)。

4 結(jié)論

針對(duì)長(zhǎng)短樁樁筏結(jié)構(gòu)復(fù)合地基，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)埋設(shè)復(fù)合地基沉降變形和受力監(jiān)測(cè)傳感器，研究了長(zhǎng)短樁+樁筏結(jié)構(gòu)復(fù)合地基的沉降變形和荷載傳遞規(guī)律，得出以下主要結(jié)論：

1）從試驗(yàn)段長(zhǎng)短樁樁筏結(jié)構(gòu)復(fù)合地基的地基面沉降監(jiān)測(cè)看，自開(kāi)始路基填筑，至228d（約7.6 個(gè)月）地基總沉降量為10.57～14.56mm，平均沉降值12.6mm。

2）從地基土分層沉降看，加固區(qū)的壓縮沉降量和沉降速率明顯大于下臥土層。監(jiān)測(cè)表明，隨著路基擺放時(shí)間增加，下臥層的壓縮量增量大于加固區(qū)范圍內(nèi)的壓縮量增量，說(shuō)明在上部荷載恒定后，后期路基沉降主要由下臥土層壓縮沉降產(chǎn)生，但其剩余沉降量已較小。

3）長(zhǎng)短樁+樁筏結(jié)構(gòu)復(fù)合地基側(cè)向位移隨著深度的增加基本呈減小的趨勢(shì)，地基淺部水平位移較大，深部較小。隨著時(shí)間的推移，地基土側(cè)向位移速率逐漸減小，預(yù)壓土填筑完成穩(wěn)定后側(cè)向位移量明顯減小，側(cè)向位移速率趨于穩(wěn)定。

4）在預(yù)壓期間，素混凝土樁和CFG 樁樁土應(yīng)力比開(kāi)始比較穩(wěn)定，在預(yù)壓荷載穩(wěn)定后45d，素混凝土樁樁土應(yīng)力比有增大的趨勢(shì)，而CFG 樁樁土應(yīng)力比有減小的趨勢(shì)。

5）基底壓力在路堤荷載較小時(shí)分布較為均勻，隨著預(yù)壓荷載的增大，路基面下基底壓力呈拋物線(xiàn)型分布，但隨著預(yù)壓荷載的進(jìn)一步增大，路基面下基底壓力隨路堤荷載的增加呈馬鞍型分布，長(zhǎng)短樁復(fù)合地基中，剛度較大的長(zhǎng)樁承擔(dān)較多的荷載。

6）在上部路基填土荷載逐級(jí)增大的作用下，長(zhǎng)短樁復(fù)合地基超孔隙水壓力產(chǎn)生驟然增大然后逐漸消散的過(guò)程，由于路基每層填土間期過(guò)短，超孔隙水壓力未完全消散而產(chǎn)生疊加作用，且深度越大疊加作用越明顯。