新建鐵路CFG樁樁筏復合地基試驗研究

蔣宗全，趙同生，朱 明，馬建林，朱浩波

(1.中國水電集團，北京 100048;2.西南交通大學，成都 610081)

CFG樁復合地基由CFG樁體、樁間土和褥墊層三部分組成。目前，國內對于剛性基礎下CFG樁復合地基的承載力、變形、樁土應力比、荷載傳遞規律、墊層效應、動力特性以及可靠度等方面進行了研究，取得了豐富的成果［1-3］，但關于柔性基礎下復合地基工作性狀的研究工作較少［4-6］。鑒于柔性荷載下CFG樁復合地基的作用機理、計算理論等尚未成熟，也沒有相關經驗可供參考，從我國新建鐵路的發展現狀來看，開展CFG樁的相關試驗工作十分必要。開展CFG樁相關試驗工作，一方面可優化CFG樁樁筏復合地基設計參數，指導CFG樁設計與施工;另一方面，可以通過試驗工點的測試，研究分析提出柔性荷載作用下的CFG樁復合地基的計算方法和設計原則，驗證目前采用設計計算方法的合理性，為編制相關規范提供依據，更好地為我國鐵路建設事業在新時代的進一步跨越式發展作出貢獻。

1 工程概況

新建鐵路曲阜東站為全線CFG樁比較集中的區段，地形平坦，地勢開闊，線路以填方通過，路堤填高為6.8～7.2 m。填方上預壓土高度為3.5 m，分層填筑。自上而下主要地層情況見表1。

試驗所選擇的CFG樁復合地基設計參數為:樁徑0.5 m，間距1.8 m，正方形布置，每排18根樁，共27排。樁頂高程 3.95 m，樁底高程 －19.4 m，樁頂設0.15 m厚碎石墊層，其上在中心23.9 m范圍內設0.5 m厚鋼筋混凝土板，鋼筋混凝土板兩側各設置4.5 m寬、0.6 m厚的碎石墊層夾兩層土工格柵。

本次現場試驗研究采用液位沉降計、單點沉降計，沉降板監測CFG樁的沉降變形。

路基填筑及預壓土施工期間荷載—時間曲線如圖1和圖2所示。

2 現場試驗成果分析

2.1 液位沉降計

液位沉降計分別安裝在路堤邊坡、路肩、線路中心、路基中心左側(兩樁間)、路基中心右側(四樁中心)、路基中心樁頂和路基中心樁間土處。根據各液位沉降計的測試數據，可得沉降曲線如圖3所示。

表1 試驗現場土層地質條件

圖1 填筑期間荷載—時間曲線

圖2 靜置期間荷載—時間曲線

圖3 液位沉降計測試結果

圖3所示試驗觀測結果表明:

1)路基中心、左路肩和坡腳樁土沉降差依次增大，坡腳的沉降差遠大于前兩者。由于路堤結構所致，路基中心的填筑荷載最大，線路中心、路肩、邊坡處依次遞減。同時，坡腳處CFG樁身受力不均勻，樁頂處承受水平推力，所以邊坡處樁土沉降差大，而路基中心處，樁土沉降差較小。

2)路基中心左側樁頂與左路肩樁頂至卸載26 d時發生的沉降只有2.2 mm的差異。可以推斷在鋼筋混凝土板作用范圍內，由于鋼筋混凝土板的調整，樁頂發生的位移差別不大，鋼筋混凝土板范圍內CFG樁受力均勻。

3)兩樁與四樁中心樁間土，由于樁體的約束作用，兩樁中心土所受影響要比四樁中心大，故兩樁中心能夠承受較大的荷載，即兩樁中心處應力應大于四樁中心，沉降要小于四樁中心樁間土。

4)主要沉降發生在加載期間，并且卸載后沒有發生明顯回彈。在填筑加載和靜置期間樁頂與樁間土的沉降差基本保持不變。

5)根據圖3，從路基中心線處沉降的發展可將上述沉降曲線發展過程分為3個階段，如表2所示。

在第3階段的平均沉降速率為0.019 m/d≤0.088 mm/d，滿足高速鐵路無砟軌道鋪設的條件。

表2 沉降發展階段表

2.2 單點沉降計

單點沉降計安裝說明如表3所示。單點沉降計測試結果如圖4所示。

從圖4可見，樁端處和樁端下1 m處沉降差很小。除了可能的、施工帶來的技術原因外，樁端持力層為細砂層，便于CFG樁灌注時水泥漿的浸透、傳輸和固化加固也是其重要原因。加固區及以下樁間土的壓縮變形量情況見表4。

表4 加固區及以下樁間土的壓縮變形量

將液位沉降計與單點沉降計測試結果進行比較得出:路基中心處，卸載26 d后，加固區樁間土沉降為10.23 mm，下臥層沉降為30.61 mm，CFG樁加固區的壓縮沉降占最大沉降的23.7%，下臥層沉降占76.3%。

2.3 磁環式分層沉降管

磁環式分層沉降管測試結果如圖5所示。當完成路堤及超載土層填筑后，上部磁環沉降量較大，下部沉降量較小。在靜置時間2～3月以后，沉降量基本不再增加，趨于穩定，曲線呈重合狀。預壓土卸載后，沉降曲線無明顯變化，基本保持原狀。頂部磁環最大沉降量達50.3 mm，最底部磁環沉降量為14.4 mm。對于頂部最終沉降，填筑結束時的沉降為最終沉降的51%，靜置兩個月后達到88%。

圖5 磁環式分層沉降管測試結果

預壓土卸載結束后加固區與下臥層沉降百分比如圖6所示。在卸載后，下臥層沉降量占到總沉降量的78.55%，幾乎是加固區沉降量的4倍，可見樁將荷載傳遞至樁端較深的承載力較好的土層，在減少和控制沉降方面發揮了明顯作用。

圖6 預壓土卸載結束后加固區與下臥層沉降百分比

2.4 沉降板

沉降板測試靜置期間路基頂部的沉降變形如圖7所示，可以看出路基面沉降曲線成鍋形分布，中間沉降量較大，兩側較小。

路基本體260 d沉降值如表5所示。路基本體靜置260 d時壓縮沉降量為14.77 mm，為路堤填高的2.1‰。

2.5 土壓力盒

平均樁土應力比和樁分擔荷載百分比如圖8和圖9所示。可以看出，樁土應力比隨著加載施工進展而增大，當加載結束后，樁土應力比趨于平緩。路堤填筑結束時，平均樁土應力比為55，樁荷載分擔比為75%，即樁承擔了3/4的荷載。此后，分擔比基本保持穩定，略有增加，到卸載后26 d增加至78%。

圖7 沉降板測試結果

表5 路基本體260 d沉降值mm

圖8 平均樁土應力比

圖9 樁分擔荷載百分比

B區樁土應力比對比曲線如圖10所示。可以看出，在施工及靜置階段，樁土應力比:路基中心處>路肩處>坡腳處。

2.6 孔壓計

圖10 樁土應力比對比曲線

孔壓計測試包括地下水位和孔隙水壓，為土層中超靜水壓的計算提供基礎實測資料。在2008年春季，地下水位基本保持不變，位于2.0 m高程處。在雨季期間，降雨較多，使水位升高至3.1 m高程處，以后又逐漸減低。測點處孔隙水壓變化情況實測曲線見圖11。

通過上述孔隙水壓實測值計算的超孔隙水壓值較小，多數為負值，其原因可能有以下幾點:

1)本試驗段地層多數為粉砂、細砂、粉土、粉質黏土互層的“千層狀”土層，富含透鏡體，使得固結過程不明顯;

2)加固區土層受CFG樁施工擾動，土體結構、滲透性等性質受到不同程度的改變，使得固結過程受到影響;

3)地下水位的季節性變化對孔隙水壓測試有影響，而靜水壓力在這種“千層土”中的傳遞規律還是土力學理論未解決的難題。

由于上述原因的影響，加之超孔隙水壓測試值較小，使得對超靜水壓的進一步分析無理論基礎和實際意義，不便開展下一步討論。

圖11 孔壓計測試結果

2.7 斜測管

測斜管測試該點處土水平位移隨深度的變化情況如圖12所示。在填筑路堤期間，測斜管管口水平位移迅速增加，到填筑結束時達到5.55 mm。隨著路堤靜置時間的推移至沉降基本穩定時，該水平位移增大至9.50 mm。此后再無明顯變化。

圖12 測斜管測試結果

總體來講，由于CFG樁和樁頂碎石墊層的作用，使路堤填筑荷載大部分轉至CFG樁承受，并傳遞至深層，使加固區土體受力明顯減小，因而其水平位移也不大。

3 結論

通過現場實測資料，可以很好地了解CFG樁樁筏復合地基的工作性能，并得到以下成果:

1)液位沉降計測試結果得出，在路堤和預壓土填筑期間，發生較大沉降，靜置期間沉降速率逐漸降低，趨于穩定。其沉降曲線發展過程分為3個階段，即:沉降快速發展階段、沉降發展階段和沉降基本穩定階段。

2)樁頂最大沉降的56.6%在填筑期間發生，43.4%在靜置開始至卸載后26 d發生。樁間土最大沉降的62.7%在填筑期間發生，37.3%在靜置開始至卸載后26 d發生。

3)加固區壓縮變形為10.23 mm，其中78.1%在填筑期間發生，21.9%在靜置開始至卸載后26 d發生。加固區底面至底面下4 m范圍內的壓縮變形為5.72 mm，其中29%在填筑期間發生，71%在靜置開始至卸載后26 d發生。

4)路堤中心沉降板靜置260 d的沉降量為35.65 mm，同期同垂直軸線處 CFG樁樁頂沉降為 20.88 mm，即在預壓土作用下，路堤填料的壓縮變形等于14.77 mm，為路堤填高的2.1‰。

5)平均樁土應力比(樁/土)為66.29;荷載分擔比(樁/土)為 3.76。

［1］閻明禮，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.

［2］李海芳，溫曉貴.路堤荷載下剛性樁復合地基的現場試驗研究［J］.巖土工程學報，2004，26(3):419-421.

［3］李國維，楊濤.柔性基礎下復合地基樁土應力比現場試驗研究［J］.巖土力學，2005，26(2):265-269.

［4］劉俊飛，趙國堂.路基工程中 CFG樁樁筏復合地基與樁網復合地基對比［J］.鐵道建筑，2009(7):31-35.

［5］趙國堂，馬建林，彭聲應，等.高速鐵路 CFG樁不同結構形式下地基沉降—時間發展規律的試驗研究與預測［J］.鐵道建筑，2009(7):62-65.

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