樁帽對載體樁復合地基沉降影響的現(xiàn)場試驗

裴生平

(中鐵隧道集團三處有限公司，廣東深圳 518052)

1 概述

載體樁的承載力主要來自載體。它可將上部荷載有效地傳遞給下面的持力土層，以達到提高承載力的目的。隨著高速鐵路的發(fā)展，載體樁的應用已經(jīng)從房屋建設的地基處理擴展到路基的軟基處理方面。許多專家學者對其加固機理及變形規(guī)律等進行了研究[1-5]。陳洪運等[6]根據(jù)現(xiàn)場N63.5的試驗結(jié)果，分析得出樁體擴大端的擠土效應明顯的結(jié)論。閆雪峰等[7]對復合地基的設計與施工進行了探討。周斌[8]根據(jù)現(xiàn)場試驗驗證了載體樁在高速鐵路路基中的適用性，并總結(jié)了其沉降特性。羅浩[9]、陳洪運[10，11]進行了載體樁施工工藝等方面的研究，并在試驗的基礎(chǔ)上進行理論計算分析。張淑媛[12]采用現(xiàn)場試驗的方法對高速鐵路載體樁與CFG樁復合地基沉降特性進行對比研究，得出載體樁復合地基樁土應力比大于CFG樁復合地基樁土應力比的結(jié)論。張健等[13]分析了影響載體樁承載力的因素以及載體樁受時間效應的影響因素。雷金波等[14，15]采用足尺現(xiàn)場試驗，對帶帽剛性單樁復合地基的荷載分擔比進行研究。楊啟安等[16]對復合地基中載體樁的側(cè)摩阻力進行了研究，得出載體樁頂以下一定范圍內(nèi)存在負摩阻力，并且樁身的側(cè)摩阻力較小等結(jié)論。以下主要對筏板-碎石墊層-樁結(jié)構(gòu)中有樁帽與無樁帽時的試驗結(jié)果進行比對，分析樁帽對沉降發(fā)生階段、發(fā)生深度及沉降值的影響。

2 試驗段概況

某試驗段地質(zhì)縱斷面如圖1，自上而下主要地層情況為：地面以下8.4 m主要粉質(zhì)黏土和黏土層，在8.4～12 m深度范圍內(nèi)有一層中密-密實的細砂層，其下主要為粉土、松軟土的粉質(zhì)黏土和黏土互層。采用正方形布置的載體樁(如表1)，分別選取有樁帽載體樁和無樁帽載體樁加固段進行沉降觀測，每段選擇兩個觀測斷面(主斷面、附斷面)。路基填筑材料為AB組，高2.2 m；預壓土高3.5 m。無樁帽斷面預壓34 d，監(jiān)測時長275 d；有樁帽斷面預壓時長47 d，監(jiān)測時長283 d。

表1 試驗斷面載體樁布置情況 m

圖1 某試驗段地層剖面[17](高程單位：m；承載力單位：kPa)

圖2 各測試斷面液位沉降計及單點沉降計布置

為了判定壓縮層厚度，采用液位沉降計和單點沉降計的聯(lián)合監(jiān)測法。在復合地基樁頂及樁間土內(nèi)埋設單點沉降計和液位沉降計，監(jiān)測單點沉降計錨頭與沉降盤之間土體的壓縮變形和該點處的地基沉降。液位沉降計、單點沉降計平面布置見圖2。液位沉降計安裝于樁頂，其平面位置和單點沉降計安裝深度見表2(因YW-4-4和YW-4-5傳感器損壞，表中未列出)。

表2 單點沉降計和液位沉降計安裝位置 m

注：YW-代表液位計；DD-代表單點沉降計。

3 監(jiān)測結(jié)果與分析

3.1 無帽載體樁

對于主斷面，液位沉降計監(jiān)測得的樁頂平面沉降量及單點沉降計所測得的不同深度的壓縮量如圖3所示。

圖3 無帽載體樁主斷面荷載-時間-變形曲線

由圖3可知，監(jiān)測結(jié)束時，YW-3-2測得路基中心線附近樁頂?shù)某两盗繛?4.9 mm，樁間土最大沉降量為99.6 mm。樁頂與樁間土沉降差約為5 mm，即樁身上刺入量為5 mm。不同階段的沉降變形實測值見表3。

表3 無樁帽斷面沉降變形監(jiān)測結(jié)果 mm

根據(jù)表3的統(tǒng)計結(jié)果，預壓土堆載開始后，地基沉降變形迅速發(fā)展；沉降主要發(fā)生在預壓靜置期間。從路基中心向兩邊，沉降量呈減小趨勢(靠近中線位置沉降量達94.9 mm)，路堤邊緣沉降量為52.4 mm，由路堤荷載引起的沉降量為42.5 mm。填筑階段累積沉降量為總沉降量的21.3%；預壓土靜置30 d時，預壓范圍內(nèi)的累計沉降量達到了總沉降量的85%以上，靜壓階段的沉降量占總沉降量的64%以上；卸載后，沉降變形增長趨勢逐漸減緩，至監(jiān)測結(jié)束時，該試驗斷面的沉降變形趨于穩(wěn)定。

由DD-3-2監(jiān)測值可知，加固區(qū)壓縮量小于8.3 mm，僅占總沉降量的8.7%；由YW-3-1和DD-3-1聯(lián)合測得的數(shù)值知，距離樁頂面16 m以下土層的累計壓縮變形量為28 mm，占總沉降量的28.1%。由YW-3-2和DD-3-2聯(lián)合測得的數(shù)值知，距離樁頂面7.8 m以下土層的累計壓縮變形量為76.6 mm，占總沉降量的76.9%。由此可見，下臥層沉降量占相當大的比例。參考附斷面的監(jiān)測數(shù)據(jù)，距離樁頂面30 m以下土層的累計壓縮變形量為9.65 mm，為總沉降量的12.1%。

3.2 有帽載體樁

對于有樁帽的載體樁復合地基斷面，液位沉降計監(jiān)測到的樁頂平面沉降量及單點沉降計所測不同深度的壓縮量隨時間變化的曲線如圖4所示。由圖4可知，隨著路堤的填筑，沉降量增加較快，在靜置期時沉降趨于平緩。受負荷施工車輛的影響，卸載后的沉降曲線有一定波動，但總體較為穩(wěn)定；單點沉降計的沉降曲線比較平緩。

圖4 有帽載體樁主斷面沉降變形-荷載-時程曲線

由圖4可知，監(jiān)測結(jié)束時，YW-4-2測得路基中心線附近樁頂?shù)某两盗繛?5.49 mm，樁間土實測最大沉降為88.11 mm，樁頂與樁間土沉降差約為3 mm。由此可見，有樁帽時樁的上刺入量明顯減小。不同階段的沉降變形實測值見表4。

表4 有帽斷面沉降變形監(jiān)測結(jié)果 mm

由表4知，填筑階段累積沉降量為總沉降量的55%以上；靜置30 d時累積沉降量為總沉降量的76%以上，預壓范圍內(nèi)的沉降量甚至達到了總沉降量的89%以上。經(jīng)對比，無樁帽的載體樁復合地基沉降量主要發(fā)生在預壓階段，而有樁帽的復合地基填筑結(jié)束時，就已發(fā)生了55%以上的沉降；兩者預壓固結(jié)30d后的沉降占總沉降量的比例相差不大。這說明，由于樁帽的存在，將更多的上部荷載傳遞到下臥層，使沉降提前發(fā)生，縮短了沉降的時程。

由聯(lián)合單點沉降計DD-4-1及液位沉降計YW-4-1的測值可知，距離樁頂40 m以下深度土層的累計壓縮變形量為3.05 mm，僅為樁頂面到40 m深度范圍內(nèi)土層總的壓縮變形量的3.6%；由單點沉降計DD-4-2得，本斷面復合地基加固區(qū)土體壓縮變形量為8.7 mm，占總沉降量的10.2%。由DD-4-3和YW-4-1知，樁頂平面以下30 m的壓縮量為16.6 mm，約為總沉降量的18.9%。經(jīng)比較，有樁帽的載體樁復合地基的沉降發(fā)生深度有所增加。

4 結(jié)論

(1)樁帽可以加速填筑階段復合地基的沉降，縮短其沉降時程。無樁帽時，填筑階段的沉降量占總沉降的21.3%；有樁帽時，填筑階段的沉降量占總沉降的55%以上。

(2)樁帽可以使沉降更均勻，使樁體刺入量減小。

(3)樁帽的存在擴大了沉降發(fā)生的深度，更有利于將荷載向下部堅硬土層傳遞，使地基的總沉降量減小。

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