高速鐵路中低壓縮性土樁-筏(網)地基加固效果研究

左珅，王敏，徐林榮，朱華鵬

(中南大學 土木工程學院，湖南 長沙，410075)

高速鐵路無砟軌道路基工后沉降控制標準要求一般路基的工后沉降控制在15 mm 以內[1]，為滿足高標準設計要求，在工程性質較好的中低壓縮性地基土上修建高速鐵路，路基工程仍需進行地基加固處理。在一般樁復合地基基礎上高鐵地基加固設計中，上部結構也不斷豐富，如樁頂加土工格柵的樁-網地基以及鐵道部新引進的上部加筏板的樁筏地基。為盡快完成地基固結，工程現場還采取聯合堆載預壓措施。高鐵樁-筏(網)復合地基的工后沉降控制已有較多的研究，主要從加固機理[2-3]、計算方法[4-6]等方面單獨分析樁筏或樁網的沉降控制效果，如：肖宏等[7]通過模型試驗研究樁網地基在高鐵無砟軌道中的加固效果；張繼文等[8-9]在京滬高鐵開展現場測試，研究樁筏地基的工作性狀、承載機理，但對二者之間對比研究較少；劉俊飛等[10]對一般路基工程中的樁筏和樁網地基進行了初步對比，但僅闡述了其作用原理計算方法，缺乏試驗研究也未考慮聯合堆載預壓的影響。此外，堆載預壓研究集中在穩定性計算、預壓時間[11-13]等方面，并在高鐵建設中得到應用[14]。但對某些特殊預壓條件下高鐵地基處理效果的研究不多見，如滬寧(上海—南京)城際鐵路因4 次重大技術調整(200 km/h 有砟變和300 km/h 無砟)，在工期緊迫情況下預壓時間僅為4 月(客運專線無砟軌道鋪軌建議預壓時間3～6 月)；而京滬昆山試驗段因技術改造，在第1 次預壓完成后時隔5 a 進行二次預壓，預壓時間累積達15 月。在預壓時間差異很大情況下對比研究高鐵無砟軌道樁筏與樁網地基的工后沉降控制效果，目前還未見相關研究和報道。為此，本文作者基于滬寧城際鐵路、京滬(北京—上海)高速鐵路路基試驗段開展現場測試試驗，測試中低壓縮性樁筏與樁網地基沉降變形規律，通過沉降變化、樁土壓力分布以及孔壓消散規律分析樁-筏地基與樁-網地基工后沉降控制效果與工作性狀差異，并研究不同地基處理方式、不同預壓時間對沉降控制的影響，以便為高速鐵路路基工程中地基處理技術提供有益建議。

1 試驗段概況

1.1 滬寧城際鐵路

滬寧城際鐵路為設計時速為300 km/h 的無砟軌道。現場試驗斷面地基主要為粉質黏土，主要呈現硬塑狀態，具體參數如表1 所示。試驗段地基土屬于工程性質較好的中低壓縮性土[15]，但為滿足高鐵嚴格的工后沉降控制標準，仍需對該地基進行加固處理。試驗斷面分別采用CFG 樁樁筏復合地基，樁間距為1.6 m，樁徑為0.5 m，加固深度為24.5 m，呈正方形布置；筏板厚為0.5 m，寬為12.5 m，鋪設0.5 m 厚碎石墊層。

滬寧城際鐵路建設工期緊張，為加速地基固結沉降，在樁筏樁網復合地基加固基礎上又實施了堆載預壓措施，設計路基預壓時間僅為4 月，客運專線路基工程建議一般不低于6 月的預壓期，因此，滬寧城際鐵路預壓屬于超短工期堆載預壓。

1.2 京滬昆山試驗段

京滬高鐵昆山試驗段地基屬第四系全新統沖湖積層，表層為黏土，灰黃色，軟-硬塑；下臥層為黏土、粉土及粉質黏土，軟-硬塑，具體參數如表2 所示。從表2 可知該試驗段地基土基本屬于中低壓縮性土。試驗段路基面寬為13.8 m，地基加固措施采用砂樁加土工格柵，樁間距為2.0 m，樁徑為0.4 m，加固深度為15.0 m，呈梅花形布置；布置一層土工格柵，鋪設0.6 m 厚砂墊層地基。

表1 滬寧(上海—南京)路基試驗段中低壓縮性土參數Table 1 Low and medium compressible soil parameters of Shanghai—Nanjing embankment test section

表2 京滬(北京—上海)昆山試驗段地層參數Table 2 Foundation parameters of Beijng—Shanghai Kunshan embankment test section

昆山試驗段原計劃采用有砟軌道，一般路基的工后沉降控制標準為≤10 cm，采用(砂)樁網復合地基結合堆載預壓的加固措施。而后路基采用無砟軌道，工后沉降控制標準提高至≤15 mm，在不改變(砂)樁網復合地基加固措施的基礎上，原試驗段進行了二次堆載預壓。因此，昆山試驗段的(砂)樁網復合地基共2 次預壓過程，其預壓處理概況如表3 所示。京滬昆山試驗段預壓歷時5 a，堆載時間累積15 月，與滬寧城際鐵路相比屬于超長時間堆載預壓。

2 現場試驗方案

2.1 滬寧CFG 樁-筏復合地基

滬寧試驗段采用單點沉降計結合沉降板對路基沉降量進行監測。單點沉降計分別埋設于路基中心和路肩處的樁底、地基不動層，觀測頻次為1 次/d，單點沉降計和沉降板埋設如圖1 所示。

圖1 滬寧測試元件埋設示意圖Fig.1 Testing components arrange of Shanghai—Nanjing

2.2 昆山砂樁-網復合地基

昆山試驗段路基變形觀測系統分為路基面沉降和基底沉降觀測，如圖2 所示。路基面每5～50 m 設置1個觀測面，每個斷面2 個觀測點，位于兩側路肩處。采用直徑為0.1 m、樁長為0.6 m 的混凝土圓柱，內設直徑為16 mm 的鋼筋作為觀測樁。

圖2 昆山測試元件埋設示意圖Fig.2 Testing components arrange of Kunshan

3 地基工作性狀測試數據分析

3.1 沉降變形規律

測試得到滬寧城際鐵路樁筏地基的沉降變化曲線如圖3 所示。從圖3 可見：沉降量隨時間及荷載的增大而增大，路肩累積最大沉降值達到16.62 mm，路基中心累積最大沉降值達到15.76 mm；沉降增長速率在填筑加荷期間變大，在間歇期間變小，進入恒載期后，沉降曲線逐漸變緩；隨著預壓時間的延長，沉降值增大漸趨緩慢，沉降日趨穩定。

昆山試驗段砂樁地基第2 次預壓沉降隨時間和荷載的變化規律如圖4 所示。從圖4 可見：斷面線路右側沉降量最大，中心的次之，左側路肩沉降板的沉降量最小；這三者隨荷載和時間呈現一致的變化規律，即隨時間和荷載的增大而平穩地增大，進入恒載期后，三者沉降均明顯趨于緩和。

表3 (砂)樁網復合地基的兩次預壓概況Table 3 Two preloading of pile-net composite foundation

圖3 滬寧樁-筏復合地基沉降-時間曲線Fig.3 Pile-raft composite foundation settlement-time curve of Shanghai—Nanjing

圖4 昆山砂樁-網復合地基沉降-時間曲線Fig.4 Pile-net composite foundation settlement-time curves of Kunshan

對比2 種地基沉降變化規律可知：樁筏和樁網復合地基沉降過程呈現出一定的區別；樁網復合地基在填筑開始即出現較大的沉降量。這是此時地基土相對松散以及碎石墊層的調整所致，在預壓恒載期間斷面沉降曲線表現比較平穩。樁筏復合地基與樁網相比，其加載初期產生的沉降量較小。這是因為在加載初期，主要是樁-筏一起共同受力工作，樁間土需在褥墊層的一段時間調整下才能參與分擔荷載。

3.2 樁土壓力

荷載分擔比是表征復合地基樁土共同作用程度的參數，是復合地基重要的設計參數。為明確樁筏樁網結構在路基荷載下不同的荷載分擔模式，在此分析二者樁土壓力分布形式與樁土應力比變化規律。

測試得到滬寧CFG 樁筏復合地基土壓力分布，發現整個橫斷面土壓力隨著填筑的開始，由于樁體彈性模量遠大于樁周土的彈性模量，樁頂沉降小于樁間土沉降，荷載大部分向樁頂轉移，橫斷面土壓力有應力集中現象，應力曲線呈波浪狀分布。單獨從樁間土土壓力的橫向分布來看，越靠近筏板邊緣，樁間土土壓力反而越大，認為剛性筏板有類似拱的作用，根據拱的傳荷特點，荷載向兩邊轉移造成板下土應力分布較均勻。

測試昆山砂樁樁-網復合地基土壓力分布如圖5所示。從圖5 可見：該地基土壓力分布沿路基橫剖面基底應力中間大，兩邊小；隨著時間延長及荷載增大，這種趨勢越來越明顯。

圖5 昆山砂樁樁網地基土壓力分布Fig.5 Pressure distribution of sand pile-net composite foundation Kunshan

二者樁土應力比的變化規律較為相似，樁-筏地基樁土應力比n 隨時間與荷載穩定后約為30，而樁-網約為10。根據二者的置換率m 換算得到CFG 樁樁-筏復合地基樁荷載分擔約為50.4%，砂樁樁-網復合地基為17.9%，即砂樁這類散體樁發揮的承載作用遠小于CFG 半剛性樁的承載作用。

由于二者路基荷載作用不同，土壓力本身不能說明樁筏與樁網地基的差異，但土壓力分布形式與樁土應力比變化可以作為分析其性狀的依據。通過上述規律可以發現，樁-筏與樁-網的基底應力分布形式差異明顯，樁-筏地基土壓力基底分布存在邊際效應，由于剛性混凝土板的存在，使得上部路基荷載作用經過混凝土板與褥墊層的調整，部分向兩側傳遞；而樁-網地基則呈現一般意義上的柔性基礎特點，即在加載初期路基中部應力最大，呈現比較明顯的倒鐘形分布，隨后期荷載作用，可能逐步會呈現馬鞍形分布，但實際測試結果尚未發現這一變化趨勢。

3.3 超孔壓消散規律

通過對地基孔壓消散規律的分析，可以明確地基土固結沉降過程，并了解其固結系數滲透系數等土體壓縮變形指標的變化情況。測試滬寧樁筏地基孔隙水壓力在填筑過程中隨時間的發展規律如圖6 所示。從圖6 可見：加荷期間超孔壓增加，在間歇期間，超孔壓消散；隨著時間和荷載的增加開始逐漸增大，且在6～16 m 深度范圍內的變化趨勢一致，這可能是地下水位的上升所致；隨著時間增加逐漸消散；最深的測點則反映孔壓有所回升，表明孔隙水自上而下滲流，土體逐漸固結。

圖6 滬寧樁-筏復合地基孔壓變化曲線Fig.6 Pile-raft composite foundation pore pressure curves of Shanghai—Nanjing

昆山砂樁樁網復合地基孔壓消散規律如圖7 所示，該曲線也可以大致分3 個階段：

(1) 加載期。該時期各深度處超孔壓隨荷載增加而逐漸增大。與前述兩斷面相比，超孔壓隨加載、間歇而增長、消散的趨勢并不十分明顯，認為是由于地基中附加應力較小。

(2) 等載期。隨著加載1.8 m 等載預壓土柱，超孔壓隨之增大，之后逐漸消散。

(3) 超載期。受填土及加載1 m 超載土柱的影響，超孔壓有較大增加。總體而言，埋深較淺處孔壓計數值變化幅度大于深處孔壓計。進入超載預壓期之后，各深度處超孔壓總體上呈逐漸減小趨勢。

圖7 昆山砂樁樁-網地基超孔壓消散曲線Fig.7 Sand pile-net composite foundation pore pressure decrease curves of Kunshan

表4 昆山砂樁樁-網地基孔壓增長消散速率Table 4 Sand pile-net composite foundation pore pressure change rate of Kunshan

昆山砂樁樁-網地基孔壓增長消散速率見表4。由表4 可知：隨著時間延長，砂樁地基超孔壓增長、消散速率的變化并無規律，但增長、消散速率與加載速率的比值則在一直減小，即在加載速率不變的情況下，超孔壓增長、消散速率逐漸減小，這說明砂樁地基的排水作用逐漸減弱。

經分析認為：二者在超孔壓消散體現出的差異的主要原因不在于樁筏或樁網這些上部結構，主要受樁體材料影響；滬寧城際鐵路采用的CFG 樁屬于半剛性樁，認為其屬于完全不透水樁，而昆山采用的砂樁則有透水性，因此，樁-筏地基超孔壓消散速率(0.000 2 kPa/d)遠小于砂樁樁-網地基的超孔壓消散速率(0.270 0 kPa/d)。砂樁在固結排水過程中，泥土細顆粒被帶入砂樁體，隨之砂樁的滲透系數變小，地基土的固結系數亦越來越小，相應地，地基沉降速率變慢。孔壓變化驗證了這一規律。砂樁(散體材料)本身的強度和密實度增加，砂樁的作用越來越明顯，后期復合地基的作用逐漸得到體現，導致總沉降量減小。即在填筑初期砂樁是以排水固結作用為主，隨時間及荷載的增加，排水固結作用逐漸減弱，復合地基作用逐漸增強，逐漸與CFG 樁地基性狀一致。

4 工后沉降控制效果對比分析

4.1 不同地基類型效果分析

根據曲線擬合法，得2 種處置方法下的工后沉降預測值。表5 所示為樁筏地基沉降預測結果，表6 所示為樁網地基沉降預測結果。由表5 和表6 可知：CFG樁-筏、砂樁-網復合地基聯合堆載預壓的工后沉降預測值分別為6.76 mm 和5.07 mm，均滿足無砟軌道的路基工后沉降控制要求。

通常認為CFG 樁-筏復合地基的工后沉降控制能力比樁-網復合地基的控制能力強，但考慮到砂樁-網復合地基在路基靜置近5 a 后，經2 次預壓后的工后沉降也僅為5.07 mm，說明中低壓縮性土的工后沉降與地基處理類型的關系并沒有軟土明顯，即中低壓縮性土的地基處理類型經CFG 樁復合地基或砂樁復合地基處理后的工后沉降均能滿足無砟軌道路基的要求。不同的地基處理方式在總沉降量的控制方面存在明顯的差異。CFG 樁-筏復合地基的實測沉降量和推測值分別為16.4 mm 和23.16 mm，而樁-網復合地基的實測沉降值與推測值分別為28.68 mm和34.71 mm。經過長期的靜置與2 次預壓，砂樁樁網地基工后沉降的控制取得了與CFG 樁樁筏復合地基相近效果。

4.2 不同預壓時間效果分析

將本文提及的樁-筏(網)復合地基及其對應的預壓措施與工后沉降之間的關系如表7 所示。從表7 可知：樁-筏(網)復合地基聯合堆載預壓處理后的無砟軌道工后沉降相近，為5～7 mm，即工后沉降的處理效果相近。

昆山斷面超載前等載放置期有1 810 d，在如此長的放置期下散體材料樁的工后沉降與滬寧超載前放置期為39～90 d 的剛性樁相近，這說明足夠的預壓時間能彌補地基處理類型在總沉降控制的不足，同樣能滿足無砟軌道工后沉降控制要求。

表5 滬寧CFG 樁-筏復合地基工后沉降預測值Table 5 Pile-raft composite foundation post-construction settlement prediction of Shanghai—Nanjing mm

表6 砂樁-網復合地基第二次預壓后的工后沉降預測值Table 6 Sand pile-net composite foundation second preloading post-construction settlement prediction mm

表7 樁-筏(網)復合地基工后沉降與預壓措施Table 7 Pile raft (net) composite foundation post-construction settlement and preloading measures

5 結論

(1) 樁-筏和樁-網復合地基聯合堆載預壓用于高鐵無砟軌道路基的地基加固可以滿足中低壓縮性土無砟軌道路基工后沉降的控制要求，其中樁-筏地基沉降總量與沉降速率均比樁-網地基的小。

(2) 堆載預壓時間能在一定程度上彌補地基處理類型的不足。試驗得到超長放置期下散體材料樁的工后沉降與超載前放置期為39～90 d 的剛性樁相近，說明足夠預壓時間能彌補地基處理類型沉降控制差異。

(3) 中低壓縮性土CFG樁-筏與砂樁樁-網地基土壓力分布、超孔壓消散規律等工作性狀上呈現明顯差異。CFG 樁-筏樁體荷載分擔比大于砂樁樁-網地基的荷載分擔比，同時其超孔壓消散速率則遠比砂樁樁-網地基的小，體現了樁體本身材料特性，但無法區分板網的影響。筏板下基底壓力分布形式與樁-網分布形式區別明顯；樁筏結構考慮筏板具有類似拱的傳荷作用，板下應力較均勻。而樁網路基基低壓力分布與一般路基類似，隨時間增長呈現倒鐘形分布。

[1] TB 10625—2009, 高速鐵路設計規范(試行)[S].TB 10625—2009, Code for design on subgrade of high speed railway[S].

[2] 徐林榮, 牛建東, 呂大偉, 等. 軟基路堤樁-網復合地基試驗研究[J]. 巖土力學, 2007, 28(10): 2149-2154.XU Linrong, NIU Jiandong, Lü Dawei, et al. Experimental study on pile-net composite foundation of high-speed railway on soft soils[J]. Rock and Soil Mechanics, 2007, 28(10):2149-2154.

[3] 徐林榮, 王宏貴, 左珅, 等. 高速鐵路沉降控制復合樁基的性狀試驗研究[J]. 巖土力學, 2012, 33(9): 2605-2612.XU Linrong, WANG Honggui, ZUO Shen, et al. Test study of performance of composite pile foundation of high-speed railway controlling settlement[J]. Rock and Soil Mechanics, 2012, 33(9):2605-2612.

[4] 王炳龍, 宮全美, 周順華, 等. 砂井聯合超載預壓控制軟土地基路基工后沉降的優化設計[J]. 鐵道學報, 2004, 26(6): 75-80.WANG Binglong, GONG Quanmei, ZHOU Shun-hua, et al.Optimizaton design for surcharge precompression on ground with sand drains to control the post-constrution of subgrade over soft soils[J]. Journal of the China Railway Society, 2004, 26(6):75-80.

[5] 郝玉龍, 陳云敏, 王軍. 深厚軟土未打穿砂井超載預壓地基孔隙水壓力消散規律分析[J]. 中國公路學報, 2002, 15(2):36-39.HAO Yulong, CHEN Yunmin, WANG Jun. Consolidation analysis for partially penetrating sand drain ground preloaded by surcharge[J]. China Journal of Highway and Transport, 2002,15(2): 36-39.

[6] 胡亞元. 考慮蠕變時預壓期的近似確定方法[J]. 浙江大學學報(工學版), 2012, 46(2): 250-256.HU Yayuan. Approximately determining preloading duration considering creep[J]. Journal of Zhejiang University(Engineering Science), 2012, 46(2): 250-256.

[7] 肖宏, 蔣關魯, 魏永幸, 等. 客運專線無柞軌道樁網結構模型試驗研究[J]. 鐵道學報, 2007, 29(2): 126-131.XIAO Hong, JIANG Guanlu, WEI Yongxing, et al. Model test of column net structure for dedicated passenger line unballasted track[J]. Journal of the China Railway Society, 2007, 29(2):126-131.

[8] 張繼飛, 曾俊鋮, 涂永明, 等. 京滬高速鐵路CFG 樁-筏復合地基現場試驗研究[J]. 鐵道學報, 2011, 33(1): 83-88.ZHANG Jifei, ZENG Juncheng, TU Yongming, et al.Experimental study on CFG pile-raft composite foundation of Beijing-Shanghai high-speed railway[J]. Journal of the China Railway Society, 2011, 33(1): 83-88.

[9] 曾俊鋮, 張繼文, 童小東, 等. 高速鐵路CFG 樁-筏復合地基沉降試驗研究[J]. 東南大學學報(自然科學版), 2010, 40(3):570-574.ZENG Juncheng, ZHANG Jiwen, TONG Xiaodong, et al. In-situ test on settlement of CFG pile-raft composite foundation in high-speed railway[J]. Journal of Southeast University (Natural Science Edition), 2010, 40(3): 570-574.

[10] 劉俊飛, 趙國堂. 路基工程中CFG 樁樁筏復合地基與樁網復合地基對比[J]. 鐵道建筑, 2009(7): 31-34.LIU Junfei, ZHAO Guotang. Comparison of pile-net composite foundation with CFG pile raft composite foundation[J]. Railway Engineering, 2009(7): 31-34.

[11] 嚴聰, 張紅, 周旭榮. 振沖碎石樁與充水預壓聯合處理地震區深厚軟土地基[J]. 中南大學學報(自然科學版), 2009, 40(3):822-827.YAN Cong, ZHANG Hong, ZHOU Xurong. Deep & thick soft ground treatment by vibrofluctuation crushed stone piling &preloading in seismic region[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2009, 40(3): 822-827.

[12] 徐書平, 劉祖德, 鮑華, 等. 堆載預壓過程中的地基穩定性計算方法[J]. 巖土力學, 2005, 26(6): 955-958.XU Shuping, LIU Zude, BAO Hua, et al. Calculation methods of foundation stability in process of preloading[J]. Rock and Soil Mechanics, 2005, 26(6): 955-958.

[13] 李小勇, 謝康和. 軟黏土雙層地基堆載預壓固結空間概率分析[J]. 土木工程學報, 2012, 45(2): 118-126.LI Xiaoyong, XIE Kanghe. Spatial probability analysis of consolidation of double-layered soft clay ground under surcharge preloading[J]. China Civil Engineering Journal, 2012, 45(2):118-126.

[14] 郭志廣, 魏麗敏, 周鎮勇. 武廣高速鐵路堆載預壓路基實測沉降分析[J]. 鐵道科學與工程學報, 2010, 7(2): 93-97.GUO Zhiguang, WEI Limin, ZHOU Zhenyong. Settlement analysis is for surcharge preloading subgrade in Wuhan—Guangzhou high-speed railway[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2010, 7(2): 93-97.

[15] 楊建中, 徐林榮, 孫立海. 滬寧城際鐵路施工安全與沉降變形技術研究[R]. 南京: 滬寧城際鐵路股份有限公司, 2010:30-31.YANG Jianzhong, XU Linrong, SUN Lihai. Research on construction safety and settlement control technology of Shanghai—Nanjing Intercity railway[R]. Nanjing: Shanghai—Nanjing Intercity Railway Incorporated Company, 2010: 30-31.