沿海鐵路樁-網(wǎng)復(fù)合結(jié)構(gòu)地基沉降的試驗(yàn)與理論研究

1、沿海鐵路樁-網(wǎng)復(fù)合結(jié)構(gòu)地基沉降的試驗(yàn)與理論研究黃玉仁(中鐵二十四局集團(tuán)福建鐵路建設(shè)有限公司 350013)摘 要：通過(guò)溫福高速鐵路軟土路堤試驗(yàn)段工程，對(duì)樁-網(wǎng)復(fù)合結(jié)構(gòu)形式加固的軟土地基，以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料為驗(yàn)證，分析了樁-網(wǎng)復(fù)合結(jié)構(gòu)處理深厚軟土地基的沉降規(guī)律，利用數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行工后沉降推算，并研究了樁-網(wǎng)復(fù)合結(jié)構(gòu)地基的沉降計(jì)算方法。 關(guān)鍵詞：樁-網(wǎng)復(fù)合結(jié)構(gòu) 深厚軟土地基 沉降特性 沉降計(jì)算方法1 概述目前，我國(guó)高速鐵路設(shè)計(jì)運(yùn)行速度一般是200350km/h，必須滿足高速度、高密度、高舒適度和高安全性的要求。因此，高速鐵路路基的設(shè)計(jì)在許多方面已深化和改變了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，其中集中體現(xiàn)在：鐵路的設(shè)計(jì)

2、正在從承載力控制設(shè)計(jì)向沉降控制設(shè)計(jì)發(fā)展，因而精確計(jì)算軟土地基沉降成為急待解決的問(wèn)題。正在建設(shè)的東南沿海高速鐵路軟土地基深度達(dá)4060m，強(qiáng)度低、壓縮性高、透水性小、厚度大、深度大的深厚層軟土分布很廣。東南沿海多為全新統(tǒng)海陸交互地層，其軟土層多屬典型的海積灘涂溺谷相沉積、海積濱海瀉湖相沉積淤泥淤泥，平均含水量達(dá)68%以上，壓縮性之高、強(qiáng)度之低國(guó)內(nèi)罕見(jiàn)，軟土地基的沉降控制是個(gè)極大的挑戰(zhàn)。在我國(guó)，2004年開(kāi)始掀起的高速鐵路建設(shè)熱潮，鐵路工程界意識(shí)到采用 “樁（PHC管樁、CFG樁）樁帽土工網(wǎng)墊”形成的樁-網(wǎng)復(fù)合結(jié)構(gòu)1處理深厚層軟土地基的必要性，同時(shí)意識(shí)到有許多理論和技術(shù)問(wèn)題還沒(méi)有解決，才開(kāi)始在武廣

3、客運(yùn)專線、溫?？拓浌簿€安排現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，開(kāi)展設(shè)計(jì)前期的研究工作。2 工程概況溫福鐵路DK275+000DK275+400試驗(yàn)段地形平坦，為水田，地面標(biāo)高4.0m左右，路基面寬度為13.25m，為梯形斷面，邊坡坡率1：1.5，填筑高5.05.6m。工點(diǎn)范圍均為第四系地層覆蓋，上部為全新統(tǒng)濱海灘涂溺谷相沉積形成，底部粘土屬坡殘積成因，下伏基巖為燕山期凝灰?guī)r、侵入巖，地基土各層的巖性分述如下：(1)粉質(zhì)黏土，硬塑，局部夾少量礫石，層厚0.42.1m；(2)淤泥，淺灰色，流塑，層厚10.519.7m；(3)粉質(zhì)黏土，軟硬分布不均，海陸交互相成因夾粗砂、礫石、碎石土、淤泥質(zhì)黏土等透鏡體，厚3.628m；

4、 (4) 花崗巖，全風(fēng)化呈砂土狀，標(biāo)貫擊數(shù)N2550，厚>12m；(5) 凝灰?guī)r，灰綠色或灰白色，全風(fēng)化呈砂土狀，標(biāo)貫擊數(shù)N1635，厚>10m。里 程工 程 措 施DK275+000+090采用CFG樁加固，樁間距：路肩范圍內(nèi)1.6m，邊坡范圍內(nèi)1.8m，樁長(zhǎng)2324m，樁徑0. 5 m，呈正方形布置。樁頂設(shè)直徑1.0×0.60m C15鋼筋混凝土擴(kuò)大樁頭，其上鋪設(shè)厚0.4m碎石墊層，中間設(shè)單層雙向土工格柵。DK275+090+400采用預(yù)應(yīng)力管樁加固，樁間距：路肩范圍內(nèi)2.5m，邊坡范圍內(nèi)3.0m，樁長(zhǎng)3044m，樁徑0. 5 m，呈正方形布置。樁頂設(shè)1.6×

5、;1.6×0.35m C30鋼筋混凝土樁帽，其上鋪設(shè)厚0.4m碎石墊層，中間設(shè)兩層土工格柵。3 試驗(yàn)方案結(jié)合本工程試驗(yàn)?zāi)康募暗鼗幚淼墓こ檀胧?，本次試?yàn)共布設(shè)了8個(gè)測(cè)試斷面，其中主測(cè)試斷面4個(gè)，輔測(cè)試斷面4個(gè)。主測(cè)試斷面進(jìn)行路基全斷面變形觀測(cè)、全斷面應(yīng)力觀測(cè)、褥墊層土工格柵應(yīng)變測(cè)試、樁間土及樁變形、應(yīng)力等多個(gè)項(xiàng)目的測(cè)試與觀測(cè)；輔觀測(cè)斷面主要進(jìn)行地基應(yīng)力及樁土應(yīng)力的測(cè)試。全斷面地基沉降觀測(cè)：采用水平儀對(duì)每一個(gè)觀測(cè)斷面的沉降板、邊樁及路基面觀測(cè)樁進(jìn)行沉降觀測(cè)，了解在路堤荷載作用下樁-網(wǎng)結(jié)構(gòu)中地基土及樁體的沉降變形規(guī)律。地基分層、深層沉降觀測(cè)：利用分層沉降儀對(duì)每一個(gè)觀測(cè)斷面路堤中心的地基分

6、層、深層沉降進(jìn)行觀測(cè)；對(duì)加固區(qū)及加固區(qū)下部土體的全程沉降變形直接進(jìn)行測(cè)量，以了解樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力傳遞規(guī)律。深層沉降管設(shè)置：在測(cè)試斷面的中心布置一個(gè)分層沉降孔，分層沉降孔設(shè)在樁間土中，埋設(shè)深層沉降管時(shí)，每23m設(shè)磁環(huán)一個(gè)。在路堤正式填筑之前，對(duì)已安裝好的深層沉降儀、沉降板、邊樁等進(jìn)行復(fù)測(cè)，測(cè)定初始數(shù)據(jù)。觀測(cè)采用二等水準(zhǔn)測(cè)量，觀測(cè)精度不低于1mm。深層沉降磁環(huán)深度采用高精度磁性探測(cè)儀測(cè)得，要求每次測(cè)兩組數(shù)據(jù)，誤差應(yīng)小于2mm。沉降在施工期間每一填筑層進(jìn)行一次觀測(cè)，在沉降量突變的情況下，每天觀測(cè)23次，當(dāng)兩次填筑的時(shí)間間隔較長(zhǎng)時(shí)，每3天至少觀測(cè)一次。路堤經(jīng)過(guò)分層填筑達(dá)到預(yù)壓高程后，在預(yù)壓期的前23個(gè)月

7、內(nèi)，每5天觀測(cè)一次；三個(gè)月后15天觀測(cè)一次；半年后一個(gè)月觀測(cè)一次，一直觀測(cè)到設(shè)計(jì)要求的時(shí)間。連續(xù)觀測(cè)了22個(gè)月。每次觀測(cè)完成后及時(shí)整理、匯總測(cè)量結(jié)果。4 試驗(yàn)成果及分析4.1 DK275+050斷面CFG樁加固軟基2路堤全斷面總共布設(shè)6塊沉降板，其中2、4、7號(hào)沉降板位于樁頂，1、3、6號(hào)位于樁間土上，5號(hào)為深層沉降管。測(cè)得樁頂、樁間土沉降數(shù)據(jù)如下表(單位：mm)： 沉降板號(hào)及位置填筑結(jié)束恒載3個(gè)月恒載12個(gè)月恒載22個(gè)月1#（左路肩，土）315177742#（左路肩，樁）385873793#（中 心，土）244767764#（中 心，樁）365680856#（右路肩，土）304775827#

8、（右路肩，樁）38618288從沉降實(shí)測(cè)資料來(lái)看，樁間土沉降與樁頂沉降似乎相當(dāng)，其值在7090mm之間，甚至部分樁頂沉降還大于樁間土沉降。加載期間沉降速率較大，最大沉降速率為67mm/d，填筑結(jié)束后沉降趨勢(shì)變緩，但沉降仍持續(xù)發(fā)展，到恒載12個(gè)月以后沉降趨于穩(wěn)定，但由于應(yīng)力向樁頂集中，樁頂沉降變形仍有發(fā)展。4.2 DK275+150斷面預(yù)應(yīng)力管樁加固軟基路堤全斷面總共布設(shè)8塊沉降板，其中2、6、9號(hào)沉降板位于樁頂，1、3、4、7、8號(hào)位于樁間土上，5號(hào)為深層沉降管。測(cè)得樁頂、樁間土沉降數(shù)據(jù)如下表(單位：mm)： 沉降板號(hào)及位置填筑結(jié)束恒載3個(gè)月恒載12個(gè)月恒載22個(gè)月1#（左路肩，土）23313

9、2402#（左路肩，樁）282213123#（中 心，土）39561051114#（中 心，土）41741051166#（中 心，樁）182616157#（中 心，土）161826308#（右路肩，土）193983889#（右路肩，樁）121399從沉降實(shí)測(cè)資料來(lái)看，樁頂在填筑結(jié)束12個(gè)月后最終沉降為615mm，變形量很小，管樁自身剛度很大，持力層為全風(fēng)化花崗巖，沉降在填筑結(jié)束3個(gè)月就完成了，基本不隨時(shí)間的變化而變化。因此，可以將管樁樁體部分沉降視為“零沉降”。路堤中心樁間土的最大沉降量分別為111mm、116mm，7號(hào)沉降板不是放置在四根管樁中心的沉降最大點(diǎn)，而是放在正方形一條邊的中心，因此

10、沉降數(shù)據(jù)偏小只有30mm。左右側(cè)路肩樁間土的沉降分別為40mm、88mm。樁間土沉降在加載期間沉降速率較大，最大沉降速率為35mm/d，加載結(jié)束后沉降趨勢(shì)變緩，但沉降仍持續(xù)發(fā)展，到恒載12個(gè)月以后沉降趨于穩(wěn)定。4.3 DK275+245斷面預(yù)應(yīng)力管樁加固軟基(單位：mm ) 沉降板號(hào)及位置填筑結(jié)束恒載3個(gè)月恒載12個(gè)月恒載22個(gè)月1#（左路肩，土）92125272#（左路肩，樁）81310103#（中 心，土）266768684#（中 心，土）203245456#（中 心，樁）56107#（中 心，土）143131318#（右路肩，土）162421209#（右路肩，樁）2667從沉降資料分析來(lái)

11、看，樁頂在填筑結(jié)束12個(gè)月后最終沉降為010mm，沉降量非常小。路堤中心樁間土圓形沉降板最大沉降量分別為68mm、45mm。左右側(cè)路肩樁間土的沉降分別為27mm、20mm，7號(hào)沉降板最大沉降量為31mm。管樁樁頂沉降幾乎不隨時(shí)間發(fā)展，樁間土沉降在加載結(jié)束3個(gè)月后沉降趨于穩(wěn)定。4.4 DK275+375斷面預(yù)應(yīng)力管樁加固軟基(單位：mm)沉降板號(hào)及位置填筑結(jié)束恒載3個(gè)月恒載12個(gè)月恒載22個(gè)月1#（左路肩，樁）314131312#（左路肩，土）223858573#（中心，土）376879794#（中心，土）385859596#（中心，樁）182418187#（中心，土）162832378#（右路

12、肩，樁）351519199#（右路肩，土）32496868樁頂在填筑結(jié)束12個(gè)月后最終沉降為1831mm；路堤中心樁間土圓形沉降板最大沉降量分別為79mm、59mm。左右側(cè)路肩樁間土的沉降分別為57mm、68mm，7號(hào)沉降板最大沉降量為34mm。管樁樁頂沉降幾乎不隨時(shí)間發(fā)展，樁間土沉降加載結(jié)束3個(gè)月后沉降趨于穩(wěn)定。4.5 深層沉降成果及分析DK275+150、DK275+245、DK275+375預(yù)應(yīng)力管樁斷面深層沉降測(cè)試數(shù)據(jù)表明，地基表層最大沉降量分別為：105mm、63mm、71mm，與沉降板觀測(cè)結(jié)果相當(dāng)，從單個(gè)磁環(huán)的變形情況來(lái)看，下臥層（持力層為全風(fēng)化至強(qiáng)風(fēng)化）的壓縮量為1220mm，地

13、基的主要變形層集中在23m范圍內(nèi)，也就是淤泥層范圍，其壓縮量占總變形量的80%左右。4.6 地基沉降量預(yù)測(cè)利用22個(gè)月實(shí)測(cè)的荷載時(shí)間沉降曲線，選擇雙曲線方程式法對(duì)沉降曲線進(jìn)行擬合，進(jìn)而推算后期沉降或最終沉降量，從而對(duì)加固效果進(jìn)行評(píng)估并指導(dǎo)下一步施工，這種信息化的施工方法已越來(lái)越引起國(guó)內(nèi)外巖土界專家和學(xué)者的重視。樁頂、樁間土沉降實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的平均值匯總表5-1 單位：mm斷面位置DK275+050DK275+150DK275+245DK275+375樁頂樁間土樁頂樁間土樁頂樁間土樁頂樁間土填筑結(jié)束372819312182832恒載3個(gè)月584820508362753恒載22個(gè)月85789895402

14、366樁頂最終沉降推測(cè)計(jì)算結(jié)果匯總表5-2 單位：mm斷面位置左路肩路堤中心右路肩平均值DK275+05094102105100DK275K275+24525141117DK275+37543295843表5-2顯示，樁頂最終沉降值，CFG樁段最大105mm，預(yù)應(yīng)力管樁段最大58mm。以填筑結(jié)束后3個(gè)月為樁頂最終沉降的起算點(diǎn)計(jì)算，CFG樁路堤工后沉降為42mm，預(yù)應(yīng)力管樁路堤工后沉降為916mm。以填筑結(jié)束后1年實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算，CFG樁路堤年沉降速率為33 mm/年，預(yù)應(yīng)力管樁路堤年沉降速率為35 mm/年，滿足高速鐵路規(guī)范要求。6 地基沉降計(jì)算方法研究根據(jù)樁-網(wǎng)復(fù)合結(jié)

15、構(gòu)作用機(jī)理和地基沉降規(guī)律的分析，樁-網(wǎng)復(fù)合地基作為復(fù)合地基的一種特殊形式，可以利用復(fù)合地基的計(jì)算方法估算地基沉降3。同時(shí)，由于樁-網(wǎng)復(fù)合地基的土工格柵或土工格室的碎石墊層（褥墊層）可以起到保證樁土共同承擔(dān)荷載的作用，從而起到柔性承臺(tái)的作用，因而也可用群樁沉降的計(jì)算方法4。通常把復(fù)合地基總沉降量S分為復(fù)合地基加固區(qū)壓縮量S1 和復(fù)合地基下臥層壓縮量S2 二部分，即S= S1 + S2，其中S1的計(jì)算方法主要有復(fù)合模量法、應(yīng)力修正法、樁身壓縮量法等方法；S2的計(jì)算方法通常采用分層總和法計(jì)算，在分層總和法計(jì)算中，作用在下臥層土體上的荷載或土體中附加應(yīng)力常采用應(yīng)力擴(kuò)散法、當(dāng)量層法等方法。在常用的群樁沉

16、降理論計(jì)算地基沉降的方法中，通常采用建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50007-2002）推薦方法的單向壓縮分層總和法、鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范（TB10002.5-2005）推薦的方法、等代墩基法等方法。6.1 試驗(yàn)段的沉降計(jì)算 DK275+050斷面CFG樁段現(xiàn)場(chǎng)樁及土層參數(shù)表E(壓縮模量)MPaV（泊松比）密度（kg/ m3）H厚度（m）級(jí)配碎石500.31.9×1030.6AB填料500.31.9×1031.9夯填土480.21.95×1032.0褥墊層1000.151.9×1030.4樁帽2.2×1040.152.4×1030.

17、6樁2.2×1040.152.4×10323粉質(zhì)黏土6.330.41.89×1032淤泥1.270.421.54×10318黏土6.620.41.94×1036碎石土6.620.251.94×1033.5黏土6.620.41.94×1036全風(fēng)化花崗石420.213. 5根據(jù)上述參數(shù)，計(jì)算沉降量結(jié)果如下表： 表6-1沉降計(jì)算方法沉降量（mm）復(fù)合地基法加固區(qū)復(fù)合模量法一般樁的復(fù)合模量法1增大復(fù)合地基模量法119應(yīng)力修正法306樁身壓縮量法40下臥層布辛納斯克公式結(jié)合分層總和法43應(yīng)力擴(kuò)散法111當(dāng)量層法98群樁沉降計(jì)算方法建

18、筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50007-2002）137鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范（TB10002.5-2005）推薦方法1676.1.2 DK275+245斷面預(yù)應(yīng)力管樁段現(xiàn)場(chǎng)樁及土層參數(shù)表E(壓縮模量)MPaV（泊松比）密度（kg/ m3）H厚度（m）級(jí)配碎石500.31.9×1030.6AB填料500.31.9×1031.9夯填土480.21.95×1032.2褥墊層1000.151.9×1030.4樁帽3×1040.132.5×1030.35樁3.6×1040.132.5×10335粉質(zhì)黏土6.330.41.8

19、9×1032淤泥1.270.421.54×10319粉砂3.70.31.59×1034黏土6.620.41.94×10311凝灰?guī)r全風(fēng)化360.21.95×103根據(jù)上述參數(shù)，計(jì)算沉降量結(jié)果如下表： 表6-2沉降計(jì)算方法沉降量（mm）復(fù)合地基法加固區(qū)復(fù)合模量法一般樁的復(fù)合模量法18增大復(fù)合地基模量法230應(yīng)力修正法809樁身壓縮量法41下臥層布辛納斯克公式結(jié)合分層總和法7應(yīng)力擴(kuò)散法20當(dāng)量層法17群樁沉降計(jì)算方法建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50007-2002）31鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范（TB10002.5-2005）推薦方法38地基沉降計(jì)算

20、方法將復(fù)合地基沉降計(jì)算結(jié)果表6-1、表6-2，與樁頂、樁間土沉降實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（表5-1）、根據(jù)實(shí)測(cè)資料進(jìn)行預(yù)測(cè)的結(jié)果（表5-2）相比較，分析得出如下結(jié)論：CFG樁段地基群樁沉降計(jì)算方法所計(jì)算的沉降量（表6-1）分別為137mm、167mm，與根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)所預(yù)測(cè)的沉降量（表5-2）平均100 mm較為接近，計(jì)算方法需要修正。因此，采用CFG樁加固軟土的地基，其沉降量可用現(xiàn)行的建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范或鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范公式計(jì)算，計(jì)算結(jié)果修正系數(shù)應(yīng)分別取0.60.8。預(yù)應(yīng)力管樁段地基群樁沉降計(jì)算方法所計(jì)算的沉降量（表6-1）分別為31mm、38mm，與根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)所預(yù)測(cè)的樁頂沉降量31 mm很接近。但與樁間土實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（表5-1）平均65mm相比，計(jì)算結(jié)果修正系數(shù)為2.0。7 結(jié)束語(yǔ)7.1地基沉降的理論計(jì)算CFG樁和預(yù)應(yīng)力管樁加固的軟土地基，其沉降量可用現(xiàn)行的建筑