軟土路基樁筏基礎土受力測試分析

郭堅鴿

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢 430063)

高速鐵路路基要求一般地段的工后沉降不大于15 mm［1］。實踐證明［2］，采用高黏結強度剛性樁復合地基，可有效減少地基總沉降并控制地基工后沉降。但對于低矮軟土路基，其填高小于基床厚，實測資料表明［3，4］，列車動載的影響度可達樁頂墊層以下，由于樁－土的剛度差異，采用樁網復合地基，易產生樁土不均勻沉降和累計塑性變形，形成路基病害，俗稱“蘑菇式”路基，無法保證路基長期使用性能。

因此，為充分發揮剛性樁樁身豎向承載，有效控制工后沉降并保證路基長期動力穩定性［5］，參照工民建專業“減沉復合樁基”的研究成果［6］，在某低矮軟土路基設計中采用了樁筏基礎方案。結合工程建設，開展了典型工點樁土受力測試，分析樁土受力特征，揭示樁土相互作用機理，以期提出適用于高速鐵路路基荷載特點的設計計算方法，為工程設計和推廣應用提供依據。

1 工程方案與測試方案［7］

1.1 地基條件

試驗工點位于某高速鐵路長江高階地坳谷區，地形略有起伏。地基土表層為粉質黏土硬殼層，可塑狀;下為第四系全新統沖積淤泥質粉質黏土層，軟—流塑，屬“軟土地基”;其下為第四系上更新統沖積黏土層，硬塑，中－低壓縮性;下伏花崗閃長巖。地下水位埋深0.5m，地基土主要物理力學參數平均值見表1。

表1 地基土物理力學指標

1.2 樁筏基礎設計方案

路基填高2.2～3.4m，動荷載影響區采用CFG樁筏基礎，見圖1。CFG樁樁體軸心抗壓強度設計值11.9 MPa，樁徑0.5m，樁長9～17m，穿透軟土至硬塑土不小于1.5m;CFG樁正方形布置，筏板下方樁間距2.4m，筏板外側樁間距1.8m。C30鋼筋混凝土筏板厚度0.5m，縱向單元板長度16.8m;板底鋪設0.2m厚碎石墊層;筏板外側CFG樁頂鋪設0.7m厚碎石褥墊層，內鋪一層高強土工格柵。為消除縱向差異沉降，在基床底層表面進行堆載預壓，預壓填土高于基床表層表面3.0m，預壓期不少于6個月。

圖1 CFG樁筏基礎結構示意

1.3 測試方案

為測試樁土受力特性，在筏板頂部和底部埋設土壓力盒。頂部土壓力盒埋設于筏板上方和筏板外側碎石墊層頂部，底部土壓力盒分別埋設于樁頂、樁間土處。

2 樁土受力測試分析

2.1 樁頂填土荷載

CFG樁采用長螺旋鉆孔內泵壓法施工，養護28 d后，在樁頂鋪設碎石墊層并澆筑筏板，筏板養護至大于設計強度70%后，開始逐層填土至路肩高程，施加預壓荷載后總荷載達121.2 kPa。

測試數據表明，測試斷面筏板頂部土壓力均呈階梯式增長，在路基填筑與超載預壓過程中，測試曲線與理論計算土壓力增減趨勢一致，路基填筑、超載預壓完畢后，曲線趨于平緩。預壓期間筏板頂部土壓力值在40 kPa至95 kPa之間，略小于理論計算填土荷載。分析認為，主要是由于路堤本體和預壓土雙層結構，路堤本體壓實度很高，可視為預壓土基礎對預壓土荷載有擴散作用所致。

2.2 筏底樁頂與樁間土應力測試分析

不同部位樁頂應力隨路基填筑的變化曲線見圖2。由圖2可知，土壓力隨著筏板澆筑、路基填筑與超載預壓等上部荷載施加，呈相同的增長規律，加荷速率較大時，土壓力增長亦較快，荷載穩定后土壓力逐步趨于平緩。測試期間，筏板邊緣處T1－5土壓力最大，卸載前高達1 650 kPa。

圖2 樁頂應力—時間—荷載變化曲線

樁間土壓力隨路基填筑的變化曲線如圖3所示。由圖3可知，樁間土土壓力增長趨勢與樁頂類似，隨著路基填筑，土壓力均逐漸增加;但荷載穩定后，土壓力逐步減少至平穩，分析認為主要是地基土固結變形與筏板－墊層應力調整所致。卸載后樁間土壓力明顯減小，卸載前路基中心位置處樁間土壓力最大，為54 kPa;筏板外側的樁間土壓力最小，為22 kPa;橫向上表現為中間大、邊緣小的特征。橫向對應位置，四樁之間形心土壓力大于兩樁之間土壓力，平均比值約為1.4倍。

2.3 樁土應力比分析

由樁頂應力和樁間土應力可求得筏板以下樁土應力比。測試數據表明:筏底各處樁土應力比隨荷載的增加而增大，加荷速率大時樁土應力比增長較快，在荷載穩定后仍有所增長，表明荷載穩定后，樁土之間的應力調整要滯后一段時間。荷載穩定后平均樁土應力比為32。超載期間，筏板邊緣處樁土應力比最大達58，中樁處為26，樁的承載能力發揮效果與樁所在位置密切相關。

卸載期間，樁土應力比隨之減小，筏板下再次發生應力重新分配。從全過程看，樁土應力存在反復調整、協調過程，卸載后樁土應力比平均約為23。樁土應力比沿路基橫向呈現明顯的“駝峰形”特征，與剛性板載荷試驗中塑性區出現前的應力分布曲線一致。

3 樁筏結構整體受力分析

3.1 樁土應力比與地基沉降的關系

樁土應力比與樁間土沉降的對應關系見圖4。由圖4可知，樁土應力比隨沉降的增大而增加。路堤填筑期間，沉降曲線較陡，此階段樁及樁間土在荷載作用下，均有向下變形的趨勢，而由于樁與樁間土因支撐剛度不同產生相對變形，樁側摩阻力迅速增大，樁產生的變形量遠小于樁間土，樁土應力比迅速增大。

超載預壓期間，在樁與樁間土共同支撐作用下，因綜合剛度進一步提高，樁土沉降差緩慢增大，樁土應力比也略有增長，表明對應上部荷載，基礎綜合剛度已足夠大，抗變形能力較高，這種結構形式，預壓對消除工后沉降貢獻有限;卸載后，沉降有微小反彈，樁土應力比減小幅度較大，這是因為荷載減小后，處于“準彈性”狀態的樁間土應力解除后樁頂應力減少幅度大于樁間土應力。卸載一段時間后，沉降趨于穩定，樁土應力比亦趨于穩定。

圖4 筏底平均樁土應力比—沉降對比曲線

3.2 樁土荷載分擔比分析

通過面積置換率和樁土應力比可分析樁筏結構的荷載分擔情況，樁土荷載分擔比隨著路基填筑的變化曲線見圖5。

圖5 筏底樁土荷載分擔比—時間—荷載變化曲線

筏板澆筑期，荷載較小，因面積置換率僅有3.4%，樁間土承擔了絕大部分荷載。隨著荷載的增加，樁頂逐漸刺入褥墊層，樁承擔的荷載比例迅速增加，荷載逐漸向樁身轉移。在填土間歇期間，樁承擔荷載的增幅減小;卸除預壓土后，樁間土承擔的荷載比例有所增加，而樁承擔的荷載比例有所減小。預壓期間樁體荷載承擔比例最大為51%，卸載后降低至40%，表現出了樁土共同承擔荷載的特性。根據樁土荷載承擔比例，可以確定樁基設計方法，按試驗工點條件筏板下CFG承擔荷載可取路堤荷載的50%左右，據此進行樁基承載力設計。

4 結論

(1)無砟軌道高速鐵路低矮軟土路基采用樁筏基礎方案，可有效控制工后沉降并保證其長期動力穩定性。

(2)樁筏基礎可充分發揮樁體豎向承載大的優勢，樁土應力比最高達58，最終穩定在23～32左右，是較一般剛性樁復合地基更為經濟的一種地基處理方案。

(3)由荷載分擔分析可知，盡管面積置換率僅為3.4%，樁承擔的荷載約占40%，考慮安全冗余，工程設計時，可按上部荷載標準組合的50%進行樁基設計，且同時要滿足沉降控制驗算的要求。

(4)從樁土相互作用機理分析，伴隨加荷全過程，有別于樁基礎，結構內部樁土應力一直處于強烈調整狀態，至荷載穩定后3個月，才逐漸趨于穩定;對無砟軌道軟土路基，填筑至路基面放置3個月以上，從實現工后沉降控制的角度是必要的。

［1］TB10621—2009 高速鐵路設計規范(試行)［S］

［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，2006

［3］王炳龍，楊龍才，宮全美，等．高速鐵路路基工程［M］．北京:中國鐵道出版社，2007

［4］Jie Han，Ph．D．，Design Issues in Geosynthetic-Reinforced Column －Supported Embankmeats［R］．The University of Kansas，2007

［5］李小和．客運專線路基地段鋪設無碴軌道有關問題的探討［J］．鐵道工程學報，2005(5):20-24

［6］楊敏，侯學淵．軟土地基按沉降控制設計理論與實踐［M］．上海:同濟大學出版社，1996

［7］中鐵第四勘察設計院集團有限公司．高速鐵路深厚軟土地段地基加固處理與路基填筑技術綜合試驗研究報告［R］．武漢:中鐵第四勘察設計院集團有限公司，2011

［8］TB10012—2001 鐵路工程地質勘察規范［S］

［9］TB10102—2004 鐵路工程土工試驗規程［S］

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