高速鐵路CFG樁-筏復合地基現場測試研究

陳宏偉，徐林榮

(中南大學 土木工程學院，長沙 410075)

高速鐵路CFG樁-筏復合地基現場測試研究

陳宏偉，徐林榮

(中南大學 土木工程學院，長沙 410075)

基于沉降控制設計理念，滬寧城際鐵路路基試驗段采用CFG樁-筏復合地基。為探索其沉降控制機理和承載特性，對路基沉降變形、樁土應力分布、超孔隙水壓力消散等進行了長期觀測，獲取了一些客觀的數據。分析了路堤荷載作用下復合地基沉降、土體側向變形、樁土應力沿路基橫向分布以及孔隙水壓力隨時間變化規律，探討了樁土應力比與荷載分擔比變化規律。為CFG樁-筏結構在高速鐵路軟基處理中應用進一步理論研究與設計優化提供試驗依據。

高速鐵路；現場測試；樁土應力比；沉降特性

CFG樁-筏復合地基以CFG樁作為豎向增強體與樁間土、褥墊層和鋼筋混凝土筏板共同組成承載體系[1]，是一種有效的軟土地基加固方法，能提高地基土體的承載力，施工工期短，并有效減少不均勻沉降和工后沉降，近年來在高速鐵路軟基加固、路橋(涵)過渡段地基處理等工程中被逐漸推廣使用[2-3]。

各國學者對樁-筏復合地基的研究較多，Davis等[4]對樁-筏復合地基進行了理論與應用研究,陳龍珠等[5]以及龔曉南[6]對剛性樁復合地基承載特性、沉降控制進行了研究。樁-筏復合地基在高層建筑地基處理中已廣泛應用[7-8]，但在高速鐵路路基處理中的應用近幾年才開始，CFG樁-筏復合地基在高速鐵路路堤荷載作用下和房建工程存在較大差別。在深厚軟土地區修建高速鐵路，路基在滿足強度要求的同時還需滿足變形(尤其是工后沉降)要求，高速鐵路無砟軌道路基工后沉降要求極為嚴格(≤15 mm)，且施工工期較短[9]。目前，對CFG樁-筏復合地基的研究主要集中在理論分析[10-11]、數值模擬[12-13]，在高速鐵路軟基處理中現場測試研究尚不多[14-15]，路堤荷載作用下高速鐵路CFG樁-筏復合地基沉降控制機理、承載特性還有待進一步深入研究。

工后沉降控制問題已成為深厚軟土地區高速鐵路建設亟需解決的難題之一，對CFG樁-筏復合地基開展深入試驗研究與探索十分必要。筆者依托滬寧城際鐵路CFG樁-筏復合地基試驗段，對其沉降變形、樁土應力分布、孔隙水壓力等進行了長期觀測，探討了復合地基沉降、土體側向變形、墊層內應力以及樁間土豎向應力的發展變化規律，研究分析了樁土應力比與荷載分擔比變化規律。

1 工程概況與場地工程地質條件

滬寧城際鐵路客運專線，是為實現南京至上海之間交通公交化而建，設計時速300 km/h，采用無砟軌道。CFG樁-筏復合地基試驗段里程為DK70+020，地貌為海相沖積平原，地勢平坦，形成歷史久遠，沿線魚塘、沼澤、溝渠較多，路基下伏2～6 m不等淤泥質黏土，地質情況復雜。地基物理力學指標如表1所示。

表1 地基土物理力學指標

2 現場測試

2.1 CFG樁-筏復合地基方案

試驗段CFG樁徑0.5 m，筏板下方樁間距1.8 m，筏板外側樁間距1.6 m，正方形布置，樁長16.5 m。樁頂鋪設0.6 m碎石墊層，其上設寬14.4 m，厚0.5 m的C30鋼筋混凝土筏板，單元長16.78 m。在筏板上填筑路堤，路堤上鋪設無砟軌道。復合地基平面布置如圖1所示。

2.2 測試項目與內容

試驗段采用超載預壓，第1級填土高度為2.25 m，60 d后加載至第2級6.25 m，預壓90 d后卸除超載至設計標高2.25 m。CFG樁-筏復合地基測試剖面如圖2所示。

圖1 CFG樁-筏復合地基平面布置圖

圖2 CFG樁-筏復合地基測試剖面圖

為研究樁土承載特性，在分級填筑過程中對樁土應力進行了測試。現場土壓力測試分別在CFG樁頂、褥墊層(豎向中間)、樁間土(1/2樁距和1/4樁距之間)以及土側向采用鉆孔法埋設量程為1.0 MPa的鋼弦式土壓力盒，土壓力盒布置見圖3所示。現場儀器埋設如圖4所示。

圖3 土壓力盒布置圖

圖4 現場埋設測試儀器

綜合采用了沉降板、分層沉降管、單點沉降計3種測試方法。沉降板測試地表總沉降，在左路肩、右路肩和路基中央的筏板頂面分別埋設1個沉降板；分層沉降管埋設于路基中央，磁環分層間距為2 m，埋設至深入持力層8 m，其沉降量為所在土層的地基土壓縮量；樁長位置的單點沉降計測試數據為加固區樁間土的壓縮量，持力層的測試數據為樁間土的總壓縮量，在樁長位置和深入持力層分別埋設了2個單點沉降計。

采用測斜管測量土體的側向水平位移。測斜管管頂與筏板頂部平齊，埋設在路肩邊緣處，深入持力層8 m，距離坡腳線1.0 m。

3 測試結果分析

3.1 荷載-時間-沉降規律分析

CFG樁-筏復合地基沉降曲線如圖5～7所示。

圖5 沉降板現場測試數據

圖6 分層沉降管現場測試數據

圖7 單點沉降計現場測試數據

圖5～圖7測試數據表明：沉降與荷載為非線性關系，在填筑和超載預壓初期沉降發展較快，卸載后，曲線稍有回彈，并繼續發展，逐漸趨于穩定。

沉降板沉降速率相對較慢，超載預壓后沉降速率變得更為緩慢，路基中心沉降大于路基邊緣，且左右路肩沉降不一致，說明筏板發生了翹曲。隨著土體沉降固結程度的提高，分層沉降速率變緩，沿深度方向逐漸減小，分層沉降主要發生在加固區(占地基土總沉降的83.4%左右)。單點沉降計最大沉降為28.41 mm，發生在超載預壓后期的路肩不動層，沉降速率隨荷載變化明顯，超載卸除后曲線略有回彈，隨后趨于穩定。

3.2 土體側向變形分析

水平位移隨深度變化關系如圖8所示。

圖8 水平位移隨深度變化曲線圖

由圖8可見，路基超載預壓初期水平位移發展較快，隨后變緩，當卸載后，水平位移有所減小。最大水平位移為63.5 mm，最大水平位移速率發生填筑初期，為4.5 mm/d。由于土體側向產生了塑性變形，最終存在不可恢復的殘余變形。

3.3 樁土應力分布規律

3.3.1 樁土應力橫向分布規律 樁土應力沿路基橫向分布規律如圖9所示。

圖9 樁土應力橫向分布

樁頂和樁間土應力在筏板下方沿路基橫向分布呈鋸齒形，波峰為樁頂應力，波谷為樁間土應力，表明樁頂應力集中現象明顯。

隨著路堤填筑和預壓荷載的施加，樁頂應力和樁間土應力都呈現出增加趨勢，但CFG樁頂應力增加速率明顯大于樁間土。在最大荷載作用下筏板下方樁頂最大應力為1 050 kPa，且沒有發生在中心樁(距路基中心4.5 m的CFG樁頂)。樁間土最大應力為348 kPa，在離路基中心1.8 m處。筏板外側CFG樁頂最大應力為32 kPa，明顯比筏板下方小。超載預壓后期至卸除超載后，CFG樁頂應力和樁間土應力繼續增加，但CFG樁頂應力增加速率小于樁間土。這表明在筏板作用下CFG樁的承載性能得到更充分的發揮，褥墊層通過變形協調保證樁和樁間土共同承擔荷載。

3.3.2 樁間土應力-時間-荷載變化規律 樁間土應力變化曲線如圖10所示。

圖10 樁間土應力變化曲線圖

實測結果表明：樁間土壓力隨著填土荷載的變化而相應發生變化，在筏板澆筑后土方填筑與超載預壓初期變化明顯，在超載預壓階段樁間土壓力基本保持穩定，卸載后樁間土壓力明顯減小，隨后逐漸穩定。

路基中間位置樁間土壓力相對較大，在超載預壓期間樁間土應力范圍值為149～348 kPa，平均值約為243 kPa。土壓力隨著填筑荷載的增加而增加，但并非線性關系，土壓力增幅明顯小于填土荷載增幅。當上部荷載從填筑初期2.25 m超載預壓至6.25 m時，樁間土壓力平均增加2.1倍，但是在超載預壓期間卻保持相對穩定，這表明隨著上部荷載的增加和預壓時間的延長，樁體分擔的荷載比重在增大，上部荷載一部分通過筏板和褥墊層直接傳遞到CFG樁上，另一部分荷載通過褥墊層傳遞到樁間土，進而通過樁土之間的相互摩擦作用傳遞到CFG樁上。

3.4 樁土應力比與荷載分擔比分析

CFG樁-筏復合地基樁土應力比測試結果如圖11～圖12所示。

圖11 CFG樁-筏復合地基樁土應力比

圖12 CFG樁復合地基樁土應力比

由圖11和圖12可以看出，CFG樁-筏復合地基(筏板下方)樁土應力比從加載初期的10.23增加到穩定后的37.62，最大值達到61.32。CFG樁復合地基(筏板外側)，樁土應力比最大值為1.17，卸載后樁土應力比幾乎穩定在1.10。CFG樁-筏復合地基的樁土應力比遠大于CFG樁復合地基，且樁土應力比與填筑荷載呈非線性關系，在填筑初期，由于樁頂出現應力集中現象，樁土應力比增加較快；進入間歇期后，由于褥墊層發揮變形協調作用，樁間土逐漸發揮其承載作用，但樁土應力比仍緩慢增大；卸除超載預壓使樁和樁間土都發生少許回彈，樁土應力比繼續增加，之后逐漸保持穩定。這是由于試驗段表層地基土為中低壓縮性土層，使得筏板僅能提供有限的承載力，CFG樁-筏復合地基樁間土性能沒有得到充分的發揮[16]。在CFG樁頂設置剛度較大的褥墊層，可有效增加樁體承擔荷載的比例，并改善樁體上端的受力狀態[6]，對減小復合地基的沉降起到一定的作用。

試驗段樁土荷載分擔比隨路基填筑變化曲線如圖13～14所示。

圖13 CFG樁-筏復合地基樁土荷載分擔比

圖14 CFG樁復合地基樁-土荷載分擔比

CFG樁-筏復合地基在填筑開始階段，樁和樁間土荷載分擔比分別為11.7%和88.3%；在超載預壓初期階段，樁和樁間土荷載分擔比分別為48.4%和51.6%，之后CFG樁荷載分擔比逐漸減小，樁間土荷載分擔比逐漸增加，并逐漸趨于穩定，樁和樁間土荷載分擔比分別為67.8%和32.2%。由此可見，當荷載較小時樁間土承擔大部分荷載，樁的承載能力未得到體現，隨著荷載增加，樁體承擔的荷載比例迅速增加。CFG樁復合地基樁土荷載分擔比在填筑期間基本維持穩定，卸除超載預壓后，CFG樁和樁間土荷載分擔比分別為92.3%和7.7%。

3.5 孔隙水壓力消散規律分析

為研究CFG樁-筏復合地基樁間土的固結規律，埋設了孔隙水壓力計。超孔隙水壓力隨時間變化規律如圖15所示。

圖15 孔隙水壓力隨時間變化規律

超孔隙水壓力隨路堤荷載增加逐漸增大，間歇期間，超孔隙水壓力逐漸消散，最深的測點反映孔壓有所回升，表明孔隙水自上而下滲流，土體逐漸固結。在超孔隙水壓力消散過程中,樁間土沉降也逐漸穩定，孔壓消散曲線與單點沉降計和分層沉降管所測樁間土沉降變化規律一致。

4 結論

1)針對滬寧城際鐵路短時間內實現高標準沉降控制的難題，開展沉降測試研究。綜合采用單點沉降計、分層沉降磁環以及沉降板監測技術，揭示了CFG樁-筏復合地基沉降變形規律。

2)CFG樁-筏復合地基樁間土沉降大于樁頂沉降，樁頂和樁間土應力橫向分布呈鋸齒形，樁頂應力集中現象明顯，在筏板作用下CFG樁的承載性能得到更充分的發揮。

3)CFG樁-筏復合地基褥墊層發揮變形協調作用，保證了樁和樁間土共同承擔荷載，但由于試驗段表層地基土為中低壓縮性土層，使得筏板僅能提供有限的承載力，樁間土承載能力沒有得到充分發揮。樁土應力比與荷載分擔比，最后分別穩定在31.8%與67.8%。

4)超孔隙水壓力隨時間增加逐漸消散，孔隙水自上而下滲流，土體逐漸固結。超孔隙水壓力隨時間變化規律與樁間土沉降變化規律一致。

[1] 張繼文，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 J W, Zeng J C, Tu Y M，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.

[2] Abusharar S W, Zheng J J, Chen B G. Finite element modeling of the consolidation behavior of multi-column supported road embankment [J]. Computers and Geotechnics, 2009, 36(4):676-685.

[3] 沈宇鵬，杜嘉俊，汪梨園，等．松軟土地區高速鐵路路涵過渡段動靜態試驗研究[J]．土木工程學報，2012, 45(8)：158-165．

Shen Y P, Du J J, Wang L Y, et al. Test for static or dynamic response of subgrade-culvert transition section for high-peed railways in soft soil ground [J]. China Civil Engineering Journal, 2012, 45(8):158-165.

[4] Davis E H, Poulos H G. The analysis of pile raft systems [J]. Australian Geomechanics Journal, 1972, G2(1):21-27.

[5] 宰金珉，蔣剛，王旭東，等．極限荷載下樁筏基礎共同作用性狀的室內模型試驗研究[J]．巖土工程學報，2007, 29(11)：1597-1603．

Zhai J M, Jiang G, Wang X D, et al. Model test on pile-raft foundation interaction under ultimate load [J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2007, 29(11):1597-1603.

[6] 陳龍珠，梁發云，嚴平，等．帶褥墊層剛-柔性樁復合地基工程性狀的試驗研究[J]．建筑結構學報，2004, 25(3)：125-129．

Chen L Z, Liang F Y, Yan P, et al. Experimental study on behavior of rigid-flexible pile raft foundation with cushion [J]. Journal of Building Struetures, 2004, 25(3):125-129.

[7] 龔曉南．廣義復合地基理論及工程應用[J]．巖土工程學報，2007, 29(1)：1-13．

Gong X N. Generalized composite foundation theory and engineering application [J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2007, 29(1):1-13.

[8] Basuony E G, Ahmed A G, Abdel F Y, et al. Behavior of raft on settlement reducing piles:Experimental model study [J]. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, 2013, 5(5):389-399.

[9] 曾俊鋮,張繼文,童小東.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):570-575.

Zeng J C, Zhang J W, Tong X D. 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):570-575.

[10] Dang C N, Dong S K, Seong B J. Parametric study for optimal design of large piled raft foundations on sand [J]. Computers and Geotechnics, 2014, 55(1):14-26.

[11] 田建勃,韓曉雷,史慶軒,等.深埋暗道CFG樁及碎石墊層復合地基變形特性[J].土木建筑與環境工程, 2014, 36(1):74-80.

Tian J B, Han X L, Shi Q X, et al. Analysis on deformation characteristics of CFG piles-gravel cushion composite foundation of the deep embedded secret passage [J]. Journal of Civil, Architectural & Environmental Engineering, 2014, 36(1):74-80.

[12] Zheng J J, Abusharar S W, Wang X Z. Three-dimensional nonlinear finite element modeling of composite foundation formed by CFG-lime piles [J]. Computers and Geotechnics, 2008, 35(4):637-643.

[13] 周愛軍，栗冰．CFG樁復合地基褥墊層的試驗研究和有限元分析[J]．巖土力學，2010, 31(6)：1803-1808．

Zhou A J, Li B. Experimental study and finite element analysis of cushion in CFG pile composite foundation [J]. Rock and Soil Mechanics, 2010, 31(6):1803-1808.

[14] 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 L R, Wang H G, Zuo S，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.

[15] Bourgeois E, de Buhan P D, Hassen G. Settlement analysis of piled-raft foundations by means of a multiphase model accounting for soil-pile interactions [J]. Computers and Geotechnics, 2012, 46(11):26-38.

[16] Poulous H G. Pile raft foundations:Design and applications [J]. Geotechnique, 2001, 51(2):95-113.

(編輯 胡英奎)

AnalysisofFieldTestHigh-SpeedRailwayCFGPile-RaftCompositeFoundation

ChenHongwei，XuLinrong

(School of Civil engineering, Central South University, Changsha 410075, P. R. China)

Based on settlementation control design, CFG pile-raft composite foundation was used in the Shanghai-Nanjing intercity railway embankment test. To explore the settlement control mechanism and bearing characteristics of the CFG pile-raft composite foundation，embankment settlement, pile-soil stress distribution and the dissipation of excess pore water pressure were observed to obtain data through field testing. Composite foundation settlement, lateral deformation of subgrade soil， pile-soil stress distribution along the lateral base and excess pore water pressure changes with time under embankment were analyzed. The change pattern of pile-soil stress ratio and load sharing ratio were studied. Field test results provide the experimental basis for the further theoretical studies and optimized practial design of the soft foundation treatment in the CFG pile - raft structure in the high-speed railway project.

high-speed railway; field test; pile-soil stress ratio; settlement characteristics

10.11835/j.issn.1674-4764.2014.06.010

2014-03-11

國家自然科學基金(51078358)；鐵道部科技研究開發計劃課題(2012G009-C)；高鐵聯合基金重點項目(U1134207)

陳宏偉(1979-)，男，博士生，主要從事巖土工程研究，(E-mail)cai7698@126.com。

TU413.6

A

1674-4764(2014)06-0060-07