高速鐵路CFG樁-帽-網結構路基沉降控制的現場試驗研究

王 建 周 俊 徐建業

(1.鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251;2.西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031)

樁網結構路基，通常由上部路堤、水平拉筋墊層、樁復合地基、下臥層地基共同組成，如圖1所示。它具有施工簡便、費用相對較低、加固效果較好等優點，目前已成為我國高速鐵路建設中地基處理主型措施之一。針對這一新型路基結構的相關研究已從理論分析、數值模擬、室內模型試驗、現場測試等方面大量展開［1-7］，并取了較豐富的成果。端承條件下的工后沉降控制效果已為工程實踐所驗證，但存在深厚下臥層時的控制效果還為廣大工程技術人員所擔心，相關研究也不多見。

圖1 樁網結構路基的組成

某高速鐵路全線的軌道結構形式采用無砟軌道，對于工后沉降的要求達到了毫米級(一般路基工后沉降應小于等于15 mm［8］)。天津段地基表層為巨厚覆蓋層，采用樁-帽-網結構作地基處理時樁無法穿透，工后沉降是設計人員關注的核心問題之一。為此，選擇典型的路基現場工點進行了現場試驗，系統測試了路堤荷載作用下的地基土、樁、路堤的沉降，并對測試數據進行了分析。

1 試驗設計

1.1 工點概況

試驗工點位于天津特大橋與青滄特大橋之間，試驗段里程范圍為DK190+124.0～DK190+356.2。工點附近地形平坦，地勢開闊，線路以填方通過，路堤填高6.8～7.2 m，路基面寬13.6 m，邊坡坡度1∶1.5。

主要地層自上而下分別為:黏土，黃褐色，硬塑，厚0～1.3 m，σ0=120 kPa;粉質黏土，黃褐色—灰褐色，軟塑—硬塑，厚1.4～2.4 m，σ0=130 kPa;粉土，黃褐色、黑灰色、淺灰色，密實，潮濕，厚1.7～3.7 m;粉砂，灰黑色，稍密，飽和，含云母，夾10% ～15%的黏土，厚4.7 m，σ0=90～110 kPa;粉砂，黃褐色—淺黃色，密實，飽和，含云母，局部夾粉土薄層，含貝殼碎片，厚9.5～13.9 m;粉質黏土，黃褐色，軟塑，含鐵銹斑紋，厚4.6 m，σ0=140 kPa。

試驗段DK190+140.0～DK190+191.0范圍內地基以CFG樁-帽-網結構處理，樁徑0.5 m，間距1.7 m，正方形布置，每排19根樁，共30排。樁長22.8 m左右，樁頂設直徑1.0 m厚0.4 m的圓形樁帽，其上設0.6 m厚碎石墊層，墊層內夾鋪兩層強度為120 kN/m的土工格柵。

1.2 試驗方案

測試斷面里程為DK190+165，路堤高7.2 m，采用液位計、單點沉降計及沉降板測試了地基不同部位的樁頂及樁間土沉降，具體布置如圖2所示。

圖2 傳感器布置(單位:m)

2 試驗數據及分析

2.1 路堤填筑曲線

路堤填筑從2008年3月13日開始，于同年3月28日填至7.2 m，3月29日開始為期半年的堆載預壓，堆載高度為3.5 m。路堤填筑曲線如圖3所示。

2.2 液位計測試

液位計布置于左路堤坡腳附近、左路肩、左線中心及路基中心樁頂或樁間土頂面，測試數據如圖4～圖7所示。

圖3 路堤填筑曲線

圖4 左坡腳處樁頂與樁間土頂面沉降

圖5 左路肩處樁頂與樁間土頂面沉降

圖6 左線中心處樁頂與樁間土頂面沉降

由圖4～圖7可知，地基沉降變形曲線大致可分成三個階段，即路堤(含堆載土層)填筑期(3月30日前)、靜置一期(3月31日至6月5日)、靜置二期(6月6日至9月30日)。

三個階段的沉降速率依次減小，趨于穩定。各階段不同部位的沉降及沉降速率如表1、表2所列。

由表1、表2可知，左坡腳、左路肩、左線中心及路基中心等處路堤填筑期內樁頂與樁間沉降占各自測得沉降的百分比分別為61%、76%，62%、65%，63%、64%，61%、65%，表明沉降主要(＞60%)發生在路堤填筑期間;各處填筑期末的樁土沉降差分別為18.26 mm、8.07 mm、3.55 mm、7.92 mm。

圖7 路基中心處樁頂與樁間土頂面沉降

表1 地表不同部位沉降 mm

表2 地表不同部位沉降速率 mm/d

采用雙曲線法進行沉降預測，可得以上各處樁頂及樁間土的最終沉降，如表3所列。

表3 實測沉降與雙曲線法預測沉降 mm

計算公式如式(1)

式中:t為任一時刻，St為任一時刻的預測沉降，t0為預測起始時刻，S0為預測起始時刻的沉降，A、B為待定參數。

由表3可知，預壓半年后工后沉降占總沉降的比例小于等5%，工后沉降均不超過3 mm，滿足規范要求。

2.3 單點沉降計測試

單點沉降計監測CFG樁樁頂平面與底部埋設點之間樁間土的壓縮沉降。布置3個測點于路基中心處，分別測試樁頂至樁底(地表以下23.4 m)、樁底以下1 m(地表以下24.4 m)、樁底以4 m(地表以下27.4 m)三個范圍內樁間土的壓縮沉降。測試結果如圖8所示。

圖8 單點沉降計測試結果

由圖8可知，在路堤及超載土層填筑期間，路基中心附近兩樁中間沉降量為33.08 mm，四樁中間土沉降量為33.3 mm，差值僅0.22 mm;觀測期末的累積沉降量分別為50.73 mm、50.11 mm，差值0.62 mm。

由圖8可知，CFG樁加固區樁間土的壓縮變形可分為二段:路堤填筑期間和靜置期。其中加固區范圍內樁間土的總壓縮變形為14.02 mm，填筑期間為12.5 mm，為總壓縮量的89%，靜置期間為1.52 mm，為總壓縮量的11%;加固區及樁端以下1 m范圍內樁間土的總壓縮量為16 mm，其中下臥層的壓縮量為1.98 mm，約為總壓縮量的12%;加固區及樁端以下4 m范圍內樁間土的總壓縮量為32.14 mm，其中下臥層的壓縮量為18.12 mm，約為總壓縮量的56%。

由前述可知，路基中心處液位沉降計測得的樁間土沉降為54.09 mm，單點沉降計測得CFG樁加固區的壓縮沉降為14.02 mm，為前者的26%，則下臥層沉降的占比為74%，是總沉降的主要組成部分。

2.4 沉降板測試

沉降板測試路基頂面(左右路肩、左右線中心、路基中心)在堆載預壓(靜置期間)的作用下所產生的沉降變形，不同時刻的測試結果如圖9所示，路基中心處沉降與時間關系曲線如圖10所示。

由圖9可知，路基面沉降曲線成鍋形分布，中間沉降量較大，兩側較小。由圖10可知，隨時間延長，沉降逐漸減小，趨于穩定，但2008年7月10日左右連降大雨，路肩及邊坡受到沖刷，導致沉降驟增且在觀測期末出現明顯穩定的跡象。由地基沉降曲線(圖7)可知，地基沉降逐漸趨于穩定，可以認為沉降驟增是由路基本體產生的。路基本體的沉降值如表4所列。

由表4可知，路堤本體的靜置180 d時壓縮沉降量為9.9 mm，為路堤填高的1.4‰。從沉降曲線看，路堤沉降尚未穩定，這主要是由于路堤填筑體沒有完成相應的路堤面保護層、防凍層和防排水措施，而在此期間正逢雨季所致。因此，做好路基防水非常重要。

圖9 路基面沉降測試結果

圖10 路基面中心沉降-時間曲線

表4 路基本體180 d沉降值

2.5 分層沉降(磁環)測試

磁環式分層沉降管測試樁間土沿深度方向的沉降變形，測試結果如圖11所示。圖11中CFG樁頂和樁端處高程分別為3.4 m和－19.4 m。

由圖11可知，觀測期末路基中心處測得的樁間土總沉降為60.3 mm，與液位沉降計測試結果(54.09 mm)相比，前者約為后者的1.1倍。考慮到兩種傳感器埋設方式的差異，可以認為兩種測試數據均有效。

圖11 磁環式分層沉降管測試結果

由圖11還可知，路堤及超載土層填筑完成時，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，沉降曲線基本重合，沉降量幾乎不再增加，趨于穩定。測試數據表明，若以靜置180天時的地表沉降為基準，填筑結束時的沉降占比為62.7%，靜置兩個月后為91.8%;間地基土的沉降曲線可分成三段，分別為第一段3.4～－19.4 m(即加固區)、第二段－19.4～－30 m、第三段－30～－52 m，壓縮沉降分別為12.9 mm、29.4 mm、18 mm。在填筑結束六個月時，下臥層沉降量占到了總沉降量的78.59%，幾乎是加固區沉降量的4倍。加固區范圍內的沉降也可分為三段，第一段為3.4～－9 m，沉降10.6 mm，約占82%，平均應變為0.85‰;第二段 －9～－17 m，沉降0.6 mm，平均應變0.075‰;第三段 －17～ －19.4 m，沉降1.7 mm，平均應變0.71‰。可知加固區樁間土附加應力為上半部分(約占加固區的54%)及樁端附近(約占加固區19%)受力較大，中間部分受力較小。

由圖11還可知，沉降變形影響深至地表以下52.7 m。將地基視為均勻體，采用BOUSSINISQU解計算該處的附加應力為45 kPa，該處地基原存應力約843～1 001 kPa(地基土層重度16～19 kN/m3)，附加應力為原存應力的4.5%～5.3%。考慮到下臥層沉降占比較大，在與工點地質條件類似情況下，以附加應力與原存應力比值表示，壓縮層范圍應計算至應力比5%處。

3 結論及建議

為考察樁-帽-網結構處理深厚軟弱地基的沉降控制效果，選擇京滬高速鐵路地基處理的典型工點進行了系統全面的現場沉降測試，根據試驗數據及分析，有以下結論:

(1)CFG樁-帽-網結構路基沉降滿足規范要求，數據分析表明，預壓半年后工后沉降不超過3 mm，滿足規范要求。

(2)半年的預壓期中路堤壓縮沉降量為9.9 mm，為路堤填高的1.4‰。

(3)分層沉降測試結果表明，下臥層沉降是沉降的主要組成部分，約占總沉降的79%。

(4)加固區樁間土的附加應力沿深度的分布呈上、下部大，中部小。

(5)壓縮層厚度應計算至附加應力為原存應力5%處。

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