高速鐵路深厚淤泥地基樁寨過渡段樁基沉降分析

高速鐵路深厚淤泥地基樁寨過渡段樁基沉降分析

新溫福高速鐵路的許多公路穿越段都位于深土基上，且高度集土。因此，采用“鋼筋混凝土板預(yù)制樁”的樁段結(jié)構(gòu)加固高速公路穿越段的深層泥基，但目前還缺乏足夠的設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)考慮以下問題。(1)在路橋過渡段打入管樁處理深厚淤泥地基,會(huì)對鄰近橋臺(tái)地基產(chǎn)生擠壓影響,如果在管樁施工完就馬上開始鉆進(jìn)靠近管樁的橋臺(tái)灌注樁孔,會(huì)對橋臺(tái)樁基的施工質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。那么打樁結(jié)束后、再間隔多長時(shí)間可以開始鉆進(jìn)鄰近橋臺(tái)灌注樁孔?(2)過渡段的淤泥地基用樁筏結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固處理后,靠近過渡段的路基往往會(huì)在過渡段填土以前先行填筑,那么靠近過渡段的路基填土對樁筏結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性會(huì)造成怎樣的影響?(3)路橋過渡段的軟基處理不僅要考慮減小地基沉降,還要考慮減小橋臺(tái)臺(tái)后路基填土對橋臺(tái)基樁的側(cè)向影響。采用樁筏結(jié)構(gòu)對路橋過渡段的深厚淤泥地基進(jìn)行加固處理后,臺(tái)后路基填土對橋臺(tái)基樁還會(huì)產(chǎn)生怎樣的側(cè)向影響?對以上問題進(jìn)行研究可充分認(rèn)識(shí)樁筏結(jié)構(gòu)加固高速鐵路路橋過渡段深厚淤泥地基的適用性,可為樁筏結(jié)構(gòu)在過渡段軟基的加固處理中進(jìn)行應(yīng)用提供理論和技術(shù)支持?，F(xiàn)場試驗(yàn)是解決以上問題最為有效的手段之一,在現(xiàn)場試驗(yàn)方面:關(guān)于問題(1),李向紅測試了沉樁引起的土體側(cè)向位移和地表隆起,唐世棟[3~4]探討了沉樁時(shí)引起的側(cè)向土壓力增量和超孔隙水壓力的分布規(guī)律,曹秀娟分析了打樁過程中引起的超孔隙水壓力及土體側(cè)向位移的變化規(guī)律,但已有研究主要關(guān)注于打樁過程對樁周土體的擠壓影響,未涉及到問題(1)的工程情況,很少對打樁之后的土體側(cè)向位移和孔隙水壓力再進(jìn)行長期的觀測。關(guān)于問題(2),國內(nèi)外學(xué)者在研究路基堆載對鄰近樁基的影響時(shí)主要測試樁基的內(nèi)力和位移[6~8],很少對樁筏結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性進(jìn)行研究。關(guān)于問題(3),已有研究表明路橋過渡段軟基處理的方式和效果不同,在臺(tái)后路基填土作用下橋臺(tái)基樁的側(cè)向受力變形特性也不相同[9~17],Takashi介紹了在過渡段填土期間橋臺(tái)基樁側(cè)向位移的現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果,聶如松通過現(xiàn)場試驗(yàn)獲取了在過渡段填土期間橋臺(tái)基樁彎矩的變化規(guī)律,但Takashi和聶如松研究的過渡段軟基均是用堆載預(yù)壓進(jìn)行處理,已有研究很少在樁筏結(jié)構(gòu)加固處理過渡段軟基的情況下,研究臺(tái)后路基填土對橋臺(tái)基樁的側(cè)向影響。本文選取新建溫福高速鐵路位于深厚淤泥地基上的兩處路橋過渡段開展現(xiàn)場試驗(yàn),測試了橋臺(tái)地基土的側(cè)向位移和孔隙水壓力、樁筏結(jié)構(gòu)的沉降、橋臺(tái)基樁的彎矩和側(cè)向位移,基于實(shí)測結(jié)果研究過渡段打入管樁對鄰近橋臺(tái)地基的影響,并確定打樁結(jié)束后到開始鉆進(jìn)鄰近橋臺(tái)灌注樁孔的間隔時(shí)間,研究靠近過渡段的路基填土對樁筏結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的影響和臺(tái)后路基填土對橋臺(tái)基樁的側(cè)向影響。研究結(jié)果可為在高速鐵路路橋過渡段深厚淤泥地基的加固處理中應(yīng)用樁筏結(jié)構(gòu)提供實(shí)踐依據(jù),亦可為類似工程提供參考。1現(xiàn)場試驗(yàn)總結(jié)1.1試驗(yàn)方案及測試元件的布置新建溫福鐵路對務(wù)山特大橋北端的路橋過渡段、鰲江特大橋南端的路橋過渡段的路基填土分別高達(dá)6m和8m,兩處過渡段均位于深厚的淤泥地基上,淤泥層厚度為25m,淤泥呈流塑狀,其承載力特征值只有40kPa。兩處過渡段的淤泥地基均采用樁筏結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固處理,在橋臺(tái)前緣都還加設(shè)了一排斜鋼管樁;而對于靠近過渡段的路基,采用“預(yù)應(yīng)力管樁+土工格柵”對淤泥地基進(jìn)行處理。過渡段的立面及平面示意圖分別如圖1和圖2所示,過渡段的主要施工步驟如下:(1)采用錘擊法在過渡段淤泥地基中打入30根PC預(yù)應(yīng)力混凝土管樁(圖2用箭頭標(biāo)出了打樁順序),管樁間距2m×2m,管樁外徑0.5m,壁厚0.1m,管樁穿過淤泥層、淤泥質(zhì)粘土層,最終進(jìn)入含卵石圓礫土層,管樁的實(shí)際長度在40m左右,軟弱土層的物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)見表1。(2)施工橋臺(tái)沖孔灌注樁共12根,樁徑1.25m,樁長49m,最靠近管樁的一排沖孔灌注樁(A樁、B樁和C樁)距離管樁僅有1.5m。(3)在管樁頂修筑鋼筋混凝土筏板,將過渡段的所有管樁連成一個(gè)整體,筏板長11.2m,寬9.2m,高1.5m。(4)修筑橋臺(tái)。(5)進(jìn)行臺(tái)后路基填土,包括靠近過渡段的路基填土和過渡段的路基填土:首先分層填筑靠近過渡段的路基,填筑長度超過50m,路堤坡腳距離橋臺(tái)臺(tái)背13m,坡度1:2;然后再分層填筑過渡段的路基。1.2測試元件布置及試驗(yàn)條件介紹路橋過渡段測試元件位置及編號(hào)如圖1和圖2所示,表2為測試元件和測試項(xiàng)目表[18~20]?？紫端畨河?jì)位于橋臺(tái)沖孔灌注樁B樁側(cè),與鄰近管樁的水平距離為1.3m,4只孔隙水壓計(jì)的埋深為8、13、17、22m。測試橋臺(tái)地基土體側(cè)向位移的1號(hào)、2號(hào)測斜管與鄰近管樁的水平距離均為1.5m,測試橋臺(tái)基樁側(cè)向位移的測斜管布置在B樁內(nèi),各測斜管底端均進(jìn)入含卵石圓礫土層。在筏板的4個(gè)角均布置沉降標(biāo),為避免基坑積水或填土影響測試工作,沉降標(biāo)由鋼底板和金屬測桿組成,將沉降標(biāo)鋼底板埋入筏板混凝土內(nèi),金屬測桿可根據(jù)情況接長。樁身應(yīng)變計(jì)采用鋼弦式應(yīng)變傳感器,成對布設(shè)在B樁的鋼筋籠主筋上,同一測試截面前、后側(cè)應(yīng)變計(jì)的連線與線路縱向平行,可根據(jù)測得的樁身前、后側(cè)應(yīng)變值計(jì)算出樁身彎矩,樁身彎矩測試截面A、B、C、D、E、F距樁頂?shù)木嚯x為0.5、2.5、5.5、11.5、22.75、25m。2試驗(yàn)結(jié)果的分析2.1灌注樁孔的影響通過現(xiàn)場測試橋臺(tái)地基土的側(cè)向位移和孔隙水壓力,研究打入管樁對鄰近橋臺(tái)地基的影響,以確定何時(shí)開始鉆進(jìn)靠近管樁的一排橋臺(tái)沖孔灌注樁孔(A樁、B樁和C樁),以鰲江特大橋南端的路橋過渡段為例。2.1.1管樁打完后的土體位移特性因1號(hào)、2號(hào)測孔的試驗(yàn)結(jié)果相近,下面以1號(hào)測孔為例進(jìn)行分析。圖3為1號(hào)測孔測得的土體側(cè)向位移-深度曲線(深度以地面起算),分析圖3可知:(1)在初期打入最靠近測孔的管樁時(shí),對鄰近的橋臺(tái)地基產(chǎn)生了顯著的擠土效應(yīng),位于軟土層內(nèi)的各測點(diǎn)均向臺(tái)前方向發(fā)生了較大的側(cè)向位移;接下來在由近至遠(yuǎn)逐排打入管樁的過程中,群樁對橋臺(tái)地基土產(chǎn)生的擠壓影響隨著打入樁數(shù)的增多而增大,使土體持續(xù)向臺(tái)前側(cè)向移動(dòng);過渡段管樁全部打完用了53天,在過渡段管樁全部打完時(shí),橋臺(tái)地基土的最大側(cè)向位移為311mm,發(fā)生在地表以下9m深處,原因是在地表鋪設(shè)了0.5m厚的一層較硬的碎石土做為工作墊層,而且在打樁過程中,靠近地表的淺層土易產(chǎn)生豎向隆起,可以釋放一部分側(cè)向擠壓應(yīng)力。(2)在過渡段管樁全部打完后,淤泥由于蠕變特性仍向臺(tái)前方向發(fā)生緩慢的側(cè)向移動(dòng),在過渡段管樁全部打完之后的3個(gè)月內(nèi),土體的最大側(cè)向位移增量為19mm,說明過渡段打入管樁對鄰近橋臺(tái)地基的擠壓影響具有時(shí)間效應(yīng)。對于過渡段管樁全部打完之后的第4個(gè)月和第5個(gè)月,土體的側(cè)向位移已經(jīng)很小,表3反映了在這兩個(gè)月期間土體側(cè)向位移變化率隨深度的變化情況。從表3可以看出,在這兩個(gè)月內(nèi)土體側(cè)向位移的變化率小于0.1mm/d。2.1.2管樁群樁的超孔隙水壓力變化規(guī)律圖4為橋臺(tái)地基的超孔隙水壓力-時(shí)間曲線(測點(diǎn)深度以地面起算),在開始施打管樁以前將各測點(diǎn)的孔隙水壓力值全部調(diào)成零,以觀測打樁引起的超孔隙水壓力,分析圖4可知:(1)過渡段打入管樁擠壓鄰近的橋臺(tái)地基,使橋臺(tái)地基產(chǎn)生超孔隙水壓力,當(dāng)打入離測點(diǎn)最近的管樁時(shí),各測點(diǎn)的超孔隙水壓力均達(dá)到最大值,超孔隙水壓力最大達(dá)70kPa。(2)接下來由近至遠(yuǎn)逐排打樁,在過渡段群樁施工的影響下,位于淤泥層深部(埋深超過13m)的測點(diǎn)2、3、4的超孔隙水壓力比打入離測點(diǎn)最近的管樁時(shí)雖然有所降低,但基本上都在40~60kPa的范圍內(nèi)上下波動(dòng),這是因?yàn)?對于過渡段的管樁群,如果管樁處在“錘打期”,即不斷錘擊管樁使其進(jìn)入地層中,那么打樁產(chǎn)生的超孔隙水壓力會(huì)傳遞到測點(diǎn),使測點(diǎn)的超孔隙水壓力集聚增大;但如果處在“停歇期”,包括設(shè)備維修等較長的施工停歇時(shí)間,管樁沒有受到錘擊,測點(diǎn)的超孔隙水壓力就會(huì)以消散為主。超孔隙水壓力增大或減小,取決于集聚或消散哪個(gè)占主導(dǎo)地位,過渡段群樁施工的“錘打期”和“停歇期”彼此交替,使深部淤泥的超孔隙水壓力上下波動(dòng)。(3)在打樁過程中,淺層土除了產(chǎn)生側(cè)向位移外還產(chǎn)生豎向隆起,易形成有利于孔隙水壓力消散的裂隙,因此在過渡段管樁全部打完后,測點(diǎn)1的超孔隙水壓力消散最快,在三周內(nèi)就完全消散;而位于淤泥層深部的2、3、4測點(diǎn)的超孔隙水壓力消散緩慢,這與淤泥的弱滲透性有關(guān)。過渡段管樁全部打完約5個(gè)月后,測點(diǎn)2、3、4的超孔隙水壓力均消散到20kPa以下,相對于各自的最大值都消散了75%以上。2.1.3開始鉆進(jìn)鄰近管樁的橋臺(tái)樁孔由以上的現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果可知:在路橋過渡段的深厚淤泥地基中打入管樁,會(huì)對鄰近的橋臺(tái)地基產(chǎn)生強(qiáng)烈的擠土效應(yīng),會(huì)使橋臺(tái)地基產(chǎn)生較高的超孔隙水壓力,破壞土體的結(jié)構(gòu)性,使橋臺(tái)地基土體產(chǎn)生豎向隆起和側(cè)向移動(dòng);如果在管樁施工完就馬上開始鉆進(jìn)靠近管樁的橋臺(tái)樁孔,因橋臺(tái)樁孔周圍的淤泥仍在固結(jié)和蠕變,極易使橋臺(tái)樁孔在鉆進(jìn)過程中產(chǎn)生縮頸和塌孔,對橋臺(tái)樁基的施工質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。因此,在過渡段管樁全部打完之后,要經(jīng)過一段間隔時(shí)間,等橋臺(tái)地基土的側(cè)向位移和超孔隙水壓力減小或消散到一定標(biāo)準(zhǔn)以下時(shí),再開始鉆進(jìn)靠近管樁的橋臺(tái)沖孔灌注樁孔(A樁、B樁和C樁)。因目前相關(guān)資料還未對上述間隔時(shí)間和控制標(biāo)準(zhǔn)做出明確的規(guī)定[2~5],這里先假定當(dāng)橋臺(tái)地基土的側(cè)向位移變化率小于0.1mm/d、超孔隙水壓力相對于最大值消散了75%以上時(shí),橋臺(tái)地基土的側(cè)向位移和超孔隙水壓力對橋臺(tái)沖孔灌注樁的施工質(zhì)量不會(huì)有影響,這時(shí)可以開始鉆進(jìn)靠近管樁的橋臺(tái)樁孔。本文開展現(xiàn)場試驗(yàn)的兩處路橋過渡段的工程實(shí)踐證明:等過渡段管樁全部打完5個(gè)月后,橋臺(tái)地基土的側(cè)向位移和超孔隙水壓力均達(dá)到上述控制標(biāo)準(zhǔn),此時(shí)再開始鉆進(jìn)靠近管樁的橋臺(tái)樁孔,能夠保證橋臺(tái)樁孔的施工質(zhì)量。由此可見,若不采取措施使打樁對鄰近橋臺(tái)地基產(chǎn)生的擠壓影響盡快消失,宜等過渡段管樁全部打完5個(gè)月后再開始鉆進(jìn)靠近管樁的橋臺(tái)沖孔灌注樁孔。2.2鄰近路基填土及樁棋結(jié)構(gòu)沉降過程分析過渡段的淤泥地基用樁筏結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固后,靠近過渡段的路基往往會(huì)在過渡段填土以前先行填筑。在靠近過渡段(即靠近樁筏結(jié)構(gòu))的路基填筑期間,路基填土堆載會(huì)對樁筏結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性造成影響,本文通過現(xiàn)場觀測樁筏結(jié)構(gòu)的沉降來對這種影響進(jìn)行研究,以務(wù)山特大橋北端的路橋過渡段為例。圖5為樁筏結(jié)構(gòu)在靠近過渡段的路基填筑期間的沉降-時(shí)間曲線(沉降值為正表示下沉),靠近過渡段的路基總高度為6m,約每個(gè)月填高0.8m。分析圖5可知:(1)在靠近過渡段的路基填土期間,填土荷載使下臥淤泥側(cè)向流動(dòng),淤泥在外力作用下會(huì)優(yōu)先向阻礙力小或沒有阻礙的方向流動(dòng),而此時(shí)過渡段的路基還未填筑,樁筏結(jié)構(gòu)因尚未承受填土壓力荷載而對淤泥向上隆起的阻礙較小,97天后,不斷增大的鄰近路基填土荷載使管樁間的一部分淤泥繼續(xù)向臺(tái)前方向側(cè)向流動(dòng),而另一部分淤泥則向上隆起,托舉樁筏結(jié)構(gòu)向上浮動(dòng),最大上浮量發(fā)生在測點(diǎn)3,為-15mm。(2)195天后,靠近過渡段的路基填土基本結(jié)束,管樁周圍的淤泥不再向上隆起,開始以固結(jié)沉降變形為主,在樁側(cè)產(chǎn)生負(fù)摩阻力,使樁筏結(jié)構(gòu)又開始下沉,此時(shí)各個(gè)測點(diǎn)的沉降量卻并不相等,樁筏結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了不均勻沉降,在第228天,測點(diǎn)1和測點(diǎn)3的沉降差為10mm。第230天開始填筑過渡段的路基,而在過渡段填土以前,樁筏結(jié)構(gòu)的沉降并未穩(wěn)定。綜上所述,靠近過渡段的路基填土使樁筏結(jié)構(gòu)先上浮再下沉,而且還產(chǎn)生了不均勻沉降。另外,樁筏結(jié)構(gòu)的沉降在過渡段填土以前并未穩(wěn)定,這樣會(huì)削弱樁筏結(jié)構(gòu)對過渡段淤泥地基的處理效果,宜先填筑靠近過渡段的路基,再施工樁筏結(jié)構(gòu)對過渡段的淤泥地基進(jìn)行加固處理。2.3橋基線樁的彎矩和側(cè)向位移以務(wù)山特大橋北端的路橋過渡段為例,通過測試橋臺(tái)沖孔灌注樁B樁的彎矩和側(cè)向位移來研究臺(tái)后路基填土對橋臺(tái)基樁的側(cè)向影響。B樁的側(cè)向位移測試結(jié)果表明:在臺(tái)后路基填土過程中,樁身底端固定不動(dòng)。圖6和圖7分別給出了位于淤泥層中的樁身彎矩-深度變化曲線和樁身側(cè)向位移-深度變化曲線,其中的樁身彎矩和側(cè)向位移均從靠近過渡段的路基開始填土?xí)r起算,深度均從B樁的樁頂起算,彎矩以樁身靠近臺(tái)后路基一側(cè)受拉為正,因彎矩測試截面E的應(yīng)變計(jì)在試驗(yàn)過程中失效,故將E截面的數(shù)據(jù)剔除。分析圖6和圖7可知:(1)靠近過渡段的路基填土雖然距離橋臺(tái)臺(tái)背還有13m,卻在橋臺(tái)樁身上產(chǎn)生了彎矩,并且使橋臺(tái)基樁向臺(tái)前方向偏移。這是因?yàn)?淤泥的強(qiáng)度很低,呈流塑狀態(tài),靠近過渡段的路基填土荷載使下臥淤泥朝臺(tái)前方向側(cè)向流動(dòng),盡管樁筏結(jié)構(gòu)的管樁群對淤泥的側(cè)向流動(dòng)具有遮攔效應(yīng),但隨著路基填土高度的增加,仍會(huì)有一部分淤泥繞流過管樁,進(jìn)而側(cè)向擠壓橋臺(tái)基樁。靠近過渡段的路基填土結(jié)束后,截面B、C、D的彎矩分別為-25、-212、-241kN·m,橋臺(tái)樁頂?shù)膫?cè)向位移為16.1mm。(2)過渡段路基約每周填高1m,在過渡段填土期間,橋臺(tái)基樁的彎矩和側(cè)向位移進(jìn)一步增大,而且距離樁頂越近,樁身彎矩和側(cè)向位移的增量越大。這是因?yàn)?(1)盡管樁筏結(jié)構(gòu)會(huì)分擔(dān)過渡段填土荷載作用在淤泥層上的壓力,但在填筑過渡段之前樁筏結(jié)構(gòu)的沉降并未穩(wěn)定,過渡段6m高的填土荷載又進(jìn)一步加大了樁筏結(jié)構(gòu)的沉降,樁筏結(jié)構(gòu)的支撐作用充分發(fā)揮需要一個(gè)時(shí)間過程,因此在過渡段填土荷載作用下,淤泥仍被側(cè)向擠出,從而對橋臺(tái)基樁產(chǎn)生側(cè)向壓力;(2)過渡段填土與橋臺(tái)臺(tái)背直接接觸,在臺(tái)背上產(chǎn)生側(cè)向土壓力,橋臺(tái)又將這種側(cè)向土壓力自上而下傳遞給橋臺(tái)樁基。過渡段填土結(jié)束后,即臺(tái)后路基填土全部結(jié)束后,樁身最大負(fù)彎矩出現(xiàn)在距樁頂