王 凱 馮傳煌 杜文山 周先才

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055)

1 概述

長(zhǎng)短組合樁復(fù)合地基作為一種新型地基處理方案正被越來(lái)越多地應(yīng)用于工業(yè)、民用建筑中,且在高等級(jí)公路軟土路基處理中得到廣泛應(yīng)用[1-2]。該類型復(fù)合地基是利用剛性長(zhǎng)樁與柔性、半剛性或者剛性短樁相結(jié)合的方式對(duì)地基進(jìn)行加固處理,可較好發(fā)揮各自力學(xué)特性[3]。長(zhǎng)短組合樁復(fù)合地基具有傳統(tǒng)樁承式路基施工速度快、沉降易控制且適用范圍廣的優(yōu)點(diǎn),相較于等長(zhǎng)樁,可在滿足沉降控制與承載力要求的前提下降低樁體工程造價(jià),并縮短工期。

長(zhǎng)短組合樁沉降分析可拆分為2個(gè)部分。其中,一部分為路基土拱效應(yīng)分析,另一部分為長(zhǎng)短組合樁復(fù)合地基沉降分析。早期,TERZAGHI研究樁土荷載分擔(dān)比,并將其定義為“土拱效應(yīng)”。隨后,國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)其形成機(jī)理與影響因素進(jìn)行理論分析、有限元模擬計(jì)算、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)以及室內(nèi)模型試驗(yàn),對(duì)加筋與非加筋的樁承式路堤的土拱形成機(jī)制與影響因素進(jìn)行研究,并改進(jìn)傳統(tǒng)的HEWLETT極限狀態(tài)空間土拱效應(yīng)分析法,以解析解形式求得樁體荷載分擔(dān)比[4-11];RUSSELL等對(duì)比分析不同的土拱計(jì)算方法[12-14]。但是,上述研究均針對(duì)等長(zhǎng)樁進(jìn)行。

長(zhǎng)短樁研究方面,多基于剛性基礎(chǔ)、公路路基或高速鐵路復(fù)合地基的研究,對(duì)于重載鐵路大荷載下長(zhǎng)短組合樁復(fù)合地基的研究較少。為深入分析長(zhǎng)短組合樁復(fù)合地基加固重載鐵路軟土路基的機(jī)理,對(duì)試驗(yàn)段進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè),包括路基填筑過(guò)程、靜置和鋪軌過(guò)程中地基表面沉降、分層沉降、剖面沉降與加固層壓縮量;此外,基于工程實(shí)際參數(shù)建立三維有限元模型,進(jìn)一步研究長(zhǎng)短組合樁復(fù)合地基沉降變形與樁間距的變化規(guī)律。

2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

2.1 工程背景

某重載鐵路試驗(yàn)段位于湖北省荊州市君山區(qū),屬洞庭湖沖積平原,地勢(shì)平坦開(kāi)闊,植被發(fā)育,屬北亞熱帶季風(fēng)氣候,雨季集中在4～8月,無(wú)凍土分布。試驗(yàn)段全長(zhǎng)380m,為線間距5m的雙線有砟軌道,設(shè)計(jì)運(yùn)營(yíng)速度120km/h,軸重30t。地質(zhì)資料表明,試驗(yàn)段內(nèi)分布地層由上到下分別為:粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉砂和細(xì)砂,見(jiàn)圖1(a);該段屬典型深厚軟土路基,具體地層土體參數(shù)見(jiàn)表1。地下水埋深0.5～1.0m,地表水發(fā)育,多分布于池塘、河流以及人工溝渠。路基范圍內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單,無(wú)深大、活動(dòng)性斷裂。

表1 地層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)

深厚軟土路基加固段處理方式為交叉式長(zhǎng)短樁復(fù)合地基,該類復(fù)合地基中柔性短樁與剛性長(zhǎng)樁相間布設(shè),見(jiàn)圖1(b)。長(zhǎng)樁與短樁的加固作用不同,其中柔性短樁主要加固淺層土體,提高其橫向約束作用;剛性長(zhǎng)樁主要加固深部軟土地層,提高地基承載力和剛度。同時(shí),短樁可有效提高長(zhǎng)樁所承受的橫向約束,從而增加軟土地基的穩(wěn)定性。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)段采用交叉式長(zhǎng)短組合樁復(fù)合地基進(jìn)行加固處理,以提高其承載力。試驗(yàn)段周圍為大量農(nóng)田及民房,地勢(shì)平坦,高程27.2～28.4m,相對(duì)高差0～1.2m。路基填土高9.41m,路基底面寬47.66m,頂面寬13.91m,一級(jí)坡坡率1∶1.75,二級(jí)坡坡率1∶1.5,中間設(shè)置寬2m的平臺(tái)。樁體布置見(jiàn)圖1。

圖1 長(zhǎng)短組合樁布置(單位:m)

加固方案中,長(zhǎng)樁選用剛性螺桿樁,樁長(zhǎng)24m,?40cm,樁間距5.432m,正方形布置;短樁選用柔性多向攪拌樁,樁長(zhǎng)17m,?50cm,樁間距1.358m,正方形布置。兩種樁型交叉布設(shè),樁頂設(shè)置40cm厚的碎石墊層。通過(guò)單軸試驗(yàn)測(cè)試兩種樁的變形參數(shù),其物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 樁體物理力學(xué)參數(shù)

試驗(yàn)段內(nèi)各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目監(jiān)測(cè)點(diǎn)的橫斷面布置見(jiàn)圖2,地基中心和兩側(cè)坡腳的沉降位移監(jiān)測(cè)采用沉降板,地基表面橫坡面沉降監(jiān)測(cè)采用橫剖管,地基不同深度沉降監(jiān)測(cè)采用磁環(huán)套管。

圖2 儀器布置橫斷面

由圖2可知,沉降板分別位于路基中心、兩側(cè)邊坡坡腳對(duì)應(yīng)的地基表面,布置于40cm厚碎石墊層之上;單點(diǎn)沉降計(jì)布置于路基中心對(duì)應(yīng)的地基內(nèi),下端錨頭位于長(zhǎng)樁下端,以便測(cè)量加固層的壓縮量;分層沉降采用磁環(huán)沉降監(jiān)測(cè)方案,布置于地基中心位置,磁環(huán)管下端位于地面以下30m。監(jiān)測(cè)設(shè)備型號(hào)見(jiàn)表3。

表3 主要監(jiān)測(cè)儀器參數(shù)

監(jiān)測(cè)設(shè)備于2017年2月3日開(kāi)始埋設(shè),并隨施工進(jìn)度進(jìn)行后續(xù)安裝與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)讀取,路基填土于2017年4月1日開(kāi)始填筑, 2017年9月5日填筑結(jié)束并進(jìn)入靜置期,隨后進(jìn)入鋪軌期,現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)于2018年6月結(jié)束。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

(1)地基表面沉降

路堤中心對(duì)應(yīng)地基表面與左側(cè)邊坡坡腳處地基表面沉降變形隨時(shí)間變化的曲線見(jiàn)圖3?？梢园l(fā)現(xiàn),整個(gè)監(jiān)測(cè)周期內(nèi)沉降變形曲線始終處于小幅波動(dòng)狀態(tài),推測(cè)該現(xiàn)象由施工車輛荷載變化以及測(cè)量誤差引起。此外,兩條曲線的宏觀變化趨勢(shì)明顯不同,這是由于兩個(gè)部位的受力特點(diǎn)不同導(dǎo)致。

由圖3(a)可知,根據(jù)路基中心對(duì)應(yīng)的地基表面豎向變形趨勢(shì)曲線斜率與施工階段,可將整個(gè)變形過(guò)程分為4個(gè)階段。其中,豎向變形在填筑初期呈現(xiàn)緩慢沉降;隨著填筑進(jìn)度加快,沉降變形進(jìn)入到快速沉降期;當(dāng)填筑完成后進(jìn)入靜置期和鋪軌期后,沉降依然緩慢增加,直到鋪軌完成后一定時(shí)間才達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。上述變形特點(diǎn)的原因可解釋為:首先,填筑初期過(guò)程比較緩慢,路基中心對(duì)應(yīng)地表位置沉降也呈緩慢增加趨勢(shì);然后,當(dāng)填筑速度明顯加快,地表沉降顯著快速增大;填筑完成后,地基內(nèi)各地層土體的固結(jié)并未結(jié)束,隨著孔隙水壓力的消散,固結(jié)緩慢完成,對(duì)應(yīng)的地基沉降緩慢增加。需要注意的是,鋪軌施工并未引起地基出現(xiàn)明顯沉降;鋪軌施工結(jié)束后一段時(shí)間,地基土體的固結(jié)完成,地基隨即進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài),其沉降變形不再繼續(xù)發(fā)展。

由圖3(b)可知,路基邊坡坡腳處的地基表面沉降變形整體上要顯著小于路基中心位置,這是由于邊坡坡腳位置處填筑的路基荷載遠(yuǎn)小于路基中心。首先,填筑初期,沉降緩慢增加;隨著路基填筑進(jìn)度加快,坡腳處地基豎向變形呈現(xiàn)隆起狀態(tài);填筑結(jié)束后,豎向變形也進(jìn)入穩(wěn)定期,不再改變,最終表現(xiàn)為沉降變形。這說(shuō)明樁土復(fù)合地基可有效增加加固區(qū)的剛度,很大程度抵擋地基土體中傳遞的側(cè)向土壓力,避免產(chǎn)生隆起大變形;但同時(shí)也表明路基填筑區(qū)域的拉拽作用明顯。上述變形發(fā)展特點(diǎn)的原因可解釋為:填筑初期,坡腳處雖有填筑路基,但是厚度極小,同時(shí)受施工機(jī)械的碾壓影響,造成該位置發(fā)生輕微沉降;當(dāng)路基填筑速度明顯加快時(shí),坡腳位置不再進(jìn)行填筑,同時(shí)受到路肩范圍內(nèi)路基填筑的影響而發(fā)生輕微隆起變形;當(dāng)路基填筑完成后,路肩內(nèi)荷載不再增加,對(duì)兩側(cè)地層的擠壓作用不再增大,坡腳處豎向變形不再變化。需要注意的是,鋪軌施工并未對(duì)坡腳處變形產(chǎn)生影響。

圖3 路堤中心與坡腳處地基表層沉降曲線

對(duì)比發(fā)現(xiàn),路基中心下方表面沉降大于兩側(cè)坡腳下方表面沉降:路基中心下方表面沉降最終穩(wěn)定值為6.5cm,邊坡坡腳位置地基表面沉降最終穩(wěn)定值為4.5cm。

(2)地基橫斷面沉降

地基表面橫斷面方向的沉降變形隨時(shí)間的變化曲線見(jiàn)圖4。

圖4 地基表層橫斷面沉降曲線

由圖4可知,不同時(shí)間對(duì)應(yīng)的地基表面沉降曲線形狀,均為近似“U”形,路基中心沉降顯著大于其他位置,且以路基中心為對(duì)稱軸,沉降變形向兩側(cè)逐漸減小,隨著時(shí)間的推移,路基填筑高度逐漸增加,曲線逐漸向下移動(dòng),即地基表層全橫斷面的沉降均逐漸增加,且地基中心與路肩、坡腳處的差異沉降逐漸增加。隨著填筑時(shí)間的推移,坡腳和地基中心位置的沉降從開(kāi)始填筑時(shí)期的0.0,2.4cm增加到填筑結(jié)束時(shí)期的4.5,6.5cm。路基兩側(cè)坡腳的地基沉降與路基中心對(duì)應(yīng)的地基表面沉降僅相差2cm,路基中心距離坡腳的間距為23.26m,故沉降坡率僅為0.86%,可推測(cè)樁土復(fù)合地基有效提高加固區(qū)剛度,增強(qiáng)其抵抗變形的能力。

(3)地基分層沉降

不同填筑期路堤中心對(duì)應(yīng)地基不同深度處的沉降曲線見(jiàn)圖5。

圖5 分層沉降變化曲線

由圖5可知,隨著時(shí)間的推移,監(jiān)測(cè)深度范圍內(nèi)地層對(duì)應(yīng)曲線均逐漸向右發(fā)生偏移,說(shuō)明其沉降均隨時(shí)間逐漸增加,但其沉降速率卻隨時(shí)間推移逐漸減小;各地層土體的沉降均隨深度的增加而減小,地層上部的最大沉降量為6.5cm,該值與沉降板測(cè)試數(shù)據(jù)一致。長(zhǎng)短樁共同加固的深度范圍內(nèi),沉降隨深度變化較緩,但是在短樁以下長(zhǎng)樁以上的深度范圍內(nèi)沉降隨深度的變化速率顯著增加。該現(xiàn)象可解釋為:短樁樁端位于深度17m處,其樁端土為強(qiáng)度較小的粉質(zhì)黏土,故16～24m范圍內(nèi)沉降較大;長(zhǎng)樁樁端位于深度24m處,其樁端土為強(qiáng)度較高的中密細(xì)砂,故深度大于25m時(shí)沉降較小。

(4)地基加固層壓縮變形

路基中心對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)樁加固范圍內(nèi)地層壓縮變形量隨時(shí)間的變化曲線見(jiàn)圖6,單點(diǎn)沉降計(jì)的上端位于地基表面,底端的錨頭位于螺桿樁的下端同一水平位置,即地基表面以下24m處,監(jiān)測(cè)地基表面與螺桿樁底之間的加固層隨路堤填筑施工的壓縮量變化關(guān)系。

圖6 加固層壓縮量隨時(shí)間變化曲線

時(shí)間關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)加固層壓縮變形量完成比見(jiàn)表4(以監(jiān)測(cè)結(jié)束時(shí)的壓縮變形量為基準(zhǔn))。

由表4、圖6可知,從填筑施工開(kāi)始,加固層壓縮量隨時(shí)間的增加而增大,直至監(jiān)測(cè)結(jié)束,壓縮變形仍在增大。路基填筑開(kāi)始后,長(zhǎng)樁與短樁加固層均開(kāi)始發(fā)生壓縮變形,且壓縮變形的發(fā)展速率顯著大于后期的靜置期,壓縮量主要發(fā)生在填筑期,截止填筑施工完成時(shí),長(zhǎng)樁加固層壓縮變形已完成監(jiān)測(cè)結(jié)束時(shí)總壓縮量的65%以上,截止靜置期滿,鋪軌之前,該比例進(jìn)一步提升至約84%,所以設(shè)置靜置期很有必要。

表4 加固層壓縮量完成比統(tǒng)計(jì)

3 有限元數(shù)值分析

3.1 模型建立

基于試驗(yàn)段典型斷面的設(shè)計(jì)參數(shù)與地層物理力學(xué)性質(zhì),采用三維有限元方法建立軟土區(qū)長(zhǎng)短組合樁交叉布置的復(fù)合地基上填筑路堤的施工仿真計(jì)算模型,分析地基沉降的時(shí)空規(guī)律,并與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。進(jìn)一步進(jìn)行多工況分析,研究樁間距對(duì)復(fù)合地基沉降的影響規(guī)律。有限元計(jì)算工況見(jiàn)表5。

表5 有限元計(jì)算工況 m

采用Midas GTS有限元程序建立完整的三維路基模型,采用標(biāo)準(zhǔn)六面體實(shí)體單元構(gòu)建路基和各個(gè)地層,采用梁?jiǎn)卧M樁體單元,Goodman單元模擬樁土接觸面。根據(jù)試算,減小邊界效應(yīng)的影響,確定模型的底面所有自由度均被約束,模型4個(gè)側(cè)面均采用法向約束,允許其發(fā)生豎向位移和各向轉(zhuǎn)動(dòng),模型的上表面為自由面,不進(jìn)行任何約束。軌道及重載列車荷載按均布荷載處理,分布寬度為3.8m,考慮ZH特種荷載,荷載大小取78.2kN/m2。

參考試驗(yàn)段中典型斷面,建立三維有限元模型,模型尺寸與網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖7。

圖7 有限元模型與樁體布置型式

其中,模型縱向長(zhǎng)50m,寬120m,高59.41m,其中路堤高9.41m,地基厚50m。螺桿樁與攪拌樁以矩形呈交叉形式布置。路基填料、各地層土體與道砟均采用Mohr-Coulomb彈塑性材料,兩種樁體則采用彈性材料,樁土之間的相互作用采用基于Coulomb摩擦理論的Goodman單元進(jìn)行模擬,各地層與樁體計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表6。計(jì)算過(guò)程中,參照實(shí)際施工過(guò)程,擬定單元在計(jì)算過(guò)程中的激活和鈍化狀態(tài),以表征單元施工。

表6 有限元模型材料參數(shù)

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

復(fù)合地基表面沉降沿橫向水平分布曲線見(jiàn)圖8。分析圖中曲線可知,不同樁間距工況下沉降曲線的分布形式與天然地基類似,最大沉降均發(fā)生在路基中心處,并以路基中線為對(duì)稱軸向兩側(cè)呈非線性趨勢(shì)逐漸減小,沉降變形范圍主要集中在兩側(cè)坡腳外側(cè)10m范圍內(nèi)。

圖8 地基表面沿橫斷面的沉降曲線

計(jì)算工況中2號(hào)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工方案一致,故對(duì)比2號(hào)工況的計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),以驗(yàn)證有限元模型的正確性。對(duì)比發(fā)現(xiàn)施工結(jié)束時(shí),地基表面沉降計(jì)算值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試值分別為6.82cm和6.50cm,兩者相差4.7%,可見(jiàn)模型合理。

各種加固方案中,復(fù)合地基各關(guān)鍵部位沉降計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 各豎向位移指標(biāo)匯總

由表7可知,所有布樁方案均可顯著減小地基沉降,而且隨著樁間距的增加,地基的沉降位移隨之增加,天然地基最大沉降為24.275cm,隨著樁間距的增加,最大沉降從9.997cm增加到13.482cm。樁體兩端的樁土相對(duì)位移隨著樁間距的增加而增大。兩種樁型的樁端刺入長(zhǎng)度不同,相同樁間距條件下,螺桿樁上、下端刺入長(zhǎng)度均顯著大于攪拌樁,前者幾乎超過(guò)后者2倍,主要是因?yàn)槁輻U樁剛度遠(yuǎn)超過(guò)柔性的攪拌樁,在上部土壓力作用下,前者樁身壓縮變形遠(yuǎn)小于后者,表現(xiàn)為刺入長(zhǎng)度上的差異。任何樁型上段刺入量均顯著大于下端,主要由于樁頂所在地層為粉質(zhì)黏土,而樁底地層為細(xì)砂層,前者壓縮模量顯著先于后者,在上部土壓力作用下,樁頂樁間土的壓縮變形大于樁底樁間土。

4 結(jié)論

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)與有限元數(shù)值計(jì)算方法,對(duì)重載鐵路軟土地區(qū)交叉型剛?cè)衢L(zhǎng)短組合樁復(fù)合地基沉降變形進(jìn)行研究,結(jié)論如下。

(1)采用剛性長(zhǎng)樁與柔性短樁組合樁可顯著減小施工后地基沉降,加固效果良好;地基中心沉降在路堤填筑期發(fā)展劇烈,并在填筑完成后靜置半年趨于穩(wěn)定,坡腳隨路基填筑會(huì)出現(xiàn)輕微隆起變形;地基中心沉降遠(yuǎn)大于邊坡坡腳位置。

(2)不同深度處地基沉降均隨著時(shí)間推移而增加,但增加的速率卻隨時(shí)間減小;隨深度增加,地基沉降逐漸減小,但衰減梯度隨時(shí)間增加,且衰減梯度在豎向上以樁底為折點(diǎn),長(zhǎng)、短樁樁底之間的地層沉降衰減梯度顯著大于其他深度。

(3)長(zhǎng)樁加固層壓縮量在填筑期隨時(shí)間劇烈增加,接近填筑結(jié)束時(shí),逐漸趨于穩(wěn)定,填筑完成時(shí)與靜置半年后,其壓縮量完成比分別達(dá)到65%與84%,表明軟土路堤加固設(shè)置靜置期十分必要。

(4)地表沉降、樁土相對(duì)位移隨樁間距增加均顯著減小,樁體刺入下部持力層長(zhǎng)度遠(yuǎn)小于樁體上端刺入路基本體度,剛性長(zhǎng)樁兩端刺入長(zhǎng)度顯著大于柔性短樁。