京滬高速鐵路鳳陽試驗段載荷試驗研究

高 峰

京滬高速鐵路采用無砟軌道技術,對軌下路基的要求非常嚴格,因此常常采用CFG樁復合地基進行基底處理,使工后沉降能滿足無砟軌道后期運營要求。而CFG樁質量和復合地基的承載能力將是保證這種地基處理方式正常工作的保障。論文以京滬高速鐵路鳳陽試驗段載荷試驗為研究對象,進行了不同地基處理方式下的對比分析。

1 工程基本條件

1.1 工程地質條件

試驗工點區上覆風化土屬第四系全新統沖積層,下伏基巖為元古界五河群峰山李組角閃巖,地層巖性敘述如下:①-1黏土(Qa13),厚5.4 m～7.6 m,w=25.44%,γ=19.1 kN/m3,e=0.82,Cu=37.3 kPa,φu=20.44°,av=0.35,Es0.1-0.2=6.02 MPa,Ps=0.4 MPa～3.2MPa,σ=160 kPa;①-2黏土(Qa13),厚4.9 m～8.95m,w=22.67%,γ=20.1 kN/m3,e=0.67,Cu=75.6 kPa,φu=27.3°,av=0.19,Es0.1-0.2=9.69 MPa,Ps=2.2MPa～6.6MPa,σ=200 kPa;②-1全風化角閃巖(Pt1z),厚2.5 m～6.5m;②-2強風化角閃巖(Pt1z),厚0m～3.6m。試驗工點地下水較發育,埋深約0.1 m～0.8m,屬孔隙潛水,無侵蝕性,主要受大氣降水及地表水補給。

1.2 試驗段設計方案

為比較不同設計參數條件下復合地基的優劣性,復合地基分成四個區(A～D區),A,B和C區為CFG樁帽結構,D區CFG樁筏結構;工點設計方案見表1。

表1 鳳陽試驗段復合地基設計方案m

2 現場試驗研究

現場采用單樁承載力試驗和單樁復合地基載荷試驗,確定復合地基的承載力狀況。通過對載荷試驗過程中在樁頂與樁間土埋設土壓力盒應力的分析,確定復合地基中樁土荷載分擔特性。

單樁和單樁復合地基載荷均采用慢速維持荷載法。由千斤頂、油泵、反力大梁、配重鐵塊組成反力系統。試驗儀器設備包括武漢巖海公司研制生產的RS-JYC樁基靜載荷測試分析系統、電子數顯位移傳感器(精度0.01mm)、QY500-20C試驗專用千斤頂(雙油路)、靜載試驗反力裝置和高壓油泵加壓系統等。

1)單樁試驗加載方式。在受檢樁上安放荷載板,將液壓千斤頂置于荷載板上,千斤頂中心、荷載板中心與受檢樁中心三者處于同一縱軸上,通過高壓油泵和壓力表控制加載,壓重平臺提供反力,由固定在基準梁上的百分表量測受檢樁的沉降量。

2)單樁承載力確定標準。單樁豎向抗壓靜載試驗主要依據JGJ 106-2003建筑基樁檢測技術規范要求進行,采用慢速維持荷載方法。

3)單樁復合地基載荷試驗加荷方式。試驗主要依據JGJ 79-2002建筑地基處理技術規范要求進行。

4)單樁復合地基承載力特征值確定標準:a.當壓力—沉降曲線上極限荷載能確定,而其值不小于對應比例界限的2倍時,可取比例界限;當其值小于對應比例界限的2倍時,可取極限荷載的一半;b.當壓力—沉降曲線是平緩的光滑曲線時,可按相對變形值確定:對水泥粉煤灰碎石或夯實水泥土樁復合地基,當以卵石、圓礫、密實粗中砂為主的地基,可取s/b或s/d等于0.008所對應的壓力;當以黏性土、粉土為主的地基,可取s/b或s/d等于0.01對應的壓力。對有經驗的地區,也可按當地經驗確定相對變形值。按相對變形值確定的承載力特征值不應大于最大加載壓力的一半。

5)樁土荷載分擔和承載力發揮系數試驗。載荷試驗同時對樁土分擔情況進行分析,研究載荷過程中樁土應力比和樁土荷載分擔情況,分別在樁頂和樁間土中埋設土壓力盒。數據采集用振弦式頻率測試儀進行記錄,采集時間、頻率與載荷試驗過程中變形觀測記錄一致。

3 現場檢測試驗成果分析

3.1 單樁載荷試驗

本次單樁靜載荷試驗完成四根樁,分別為1號,4號,6號,10號的CFG試樁。選取代表性樁繪制出試驗樁的Q—s曲線,如圖1所示。

從圖1可見,試驗樁的Q—s曲線加載至1 540 kN時基本呈緩變形狀;Q—s曲線加載至1 680 kN時出現明顯下降趨勢。依據規范規定,單樁極限承載力可取為1 540 kN,對應的沉降量為5.87mm;則單樁的承載力特征值為770 kN,對應的沉降量為1.88mm。

經對試驗樁數據進行整理和計算,將其極限承載力和相應的承載力特征值匯總,如表2所示。

表2 試驗段單樁載荷試驗承載力取值表

從表2可見,樁徑為0.5 m樁長分別為12m和10m時單樁極限承載力分別為1 820 kN,1 540 kN,樁徑為0.4m樁長分別為12 m和9m時單樁極限承載力分別為1 260 kN,1 120 kN。同一直徑的承載力特征值隨著樁長增大而增大;同一樁長,隨著樁徑增大而增大。

最大加載量所對應的沉降量較大,最小值也達到46mm以上;極限承載力所對應的沉降量都在15mm以內,最大值接近14mm;承載力特征值所對應的沉降量更小,最大值才接近4mm。這說明設計單樁承載力控制在試驗樁的承載力特征值范圍內,可滿足高速鐵路所要求的沉降控制要求。

3.2 復合地基載荷試驗

試驗段共完成單樁復合地基載荷試驗13處,A區樁號分別為34-M,41-M和49-M,B區分別為57-M,65-M,C區分別為178-L,185-L和193-L,D區分別為219-K,225-M和233-K。選取代表性樁233-K的復合地基載荷試驗數據曲線,繪制如圖2所示。

從圖2可見,233-K樁復合地基的最終沉降量分別為19.15mm,289 kPa時對應的沉降量分別為1.58mm,對應的s/b值均小于0.01。故復合地基承載力特征值不小于最終加荷值的一半,按曲線延伸變化趨勢,最終確定233-K樁復合地基的承載力特征值應為340 kPa。其值大于相應復合地基承載力設計值,說明承載力特征值滿足施工設計承載要求,并存在提高承載力、控制沉降變形的發揮潛力。

經對復合地基載荷數據進行整理分析,將其復合地基載荷試驗數據匯總,將各區進行數據比較分析,如圖3所示。

從圖3可見,隨著施加荷載增加,沉降變形增大。荷載300 kPa之前,A區和B區的沉降變形量的差異性不明顯,C區和D區的沉降變形量的差異性不明顯;荷載300 kPa～400 kPa范圍內時,A區,B區和C區的結構形式對沉降控制較好,D區結構形式對沉降控制較差;荷載400 kPa之后,各種結構形式對沉降控制都較差,但B區對沉降控制相對較好些。從A,B,C和D區綜合來看,在以沉降變形控制為主的CFG樁復合地基設計過程中,單純依靠加長CFG樁樁長,并不是提高CFG樁復合地基承載力的最有效的辦法。要考慮到樁徑、樁身強度對復合地基承載力的影響,以及復合地基載荷試驗承壓板影響深度的有限性。在承載力沒有充分發揮的情況下,可適當增加樁間距或減小樁徑,即為減小復合地基置換率。

4 結語

1)同一直徑的單樁承載力特征值隨著樁長增大而增大,同時,在同一樁長的條件下,單樁承載力隨著樁徑增大而增大。2)通過現場的抽樣試驗,設計CFG樁都在承載力特征值范圍內,可滿足高速鐵路所要求的承載力要求。3)復合地基承載力特征值能滿足施工設計要求,并存在承載力發揮的潛力。

[1] 姜 龍.京滬高速鐵路CFG樁復合地基剛性與柔性靜載荷試驗對比分析研究[D].北京:北京交通大學,2009.

[2] 閆明禮,張東剛.CFG樁復合地基技術及工程實踐[M].北京:中國水利水電出版社,2001.

[3] 饒為國,趙成剛.樁—網復合地基應力比分析與計算[J].土木工程學報,2002(2):386-391.

[4] Jinoh Won,Sang-Yong Ahn.Nonlinear three-dimensional analysis of pile group supported columns considering pile cap flexibility[J].Computer and Geotechnics,2006,33(6):355-370.

[5] H.H.Zhang,J.C.Small.Analysis of capped pile groups subjected to horizontal and vertical loads[J].Computers and Geotechnics,2000,26(1):1-21.