不同墊層下管樁復合地基現場對比試驗研究

邵國霞,蘇　謙,尹紫紅,李　婷,謝　康,曹政國

(1.西南交通大學土木工程學院,四川 成都 610031; 2.中鐵二院工程集團有限責任公司,四川 成都 610031)

對于一般路基的工后沉降鐵路客運專線要求控制在15 mm以內,為了滿足此嚴格要求,在客運專線深厚軟土地基處理上大范圍地應用了樁-網、樁-筏復合地基進行加固.樁-網復合地基通常在碎石墊層里加鋪土工格室、土工格柵等加筋體,使地基在水平方向和豎直方向對抗變形的能力得到增強,提高地基承載力,減小地基沉降.樁-筏復合地基是通過樁頂設置的混凝土板將上部荷載充分傳遞到樁上面.不同型式的復合地基作用特性各不相同,為了選擇合理的地基處理型式,對不同型式的復合地基的工作特性進行對比分析顯得尤為重要.

國內外學者通過試驗加筋墊層作用機理對樁網復合地基、樁板復合地基進行了研究[1-15],但多數只是針對具體的某一型式的復合地基或加筋墊層進行研究.本文在某客運專線某試驗段分別對管樁+鋼筋混凝土板復合地基、管樁+樁帽+土工格室復合地基、管樁+樁帽+土工格柵復合地基3種加固型式的樁土應力、沉降及墊層受力和變形進行了測試,研究不同加筋墊層條件下管樁復合地基受力和變形規律,并且將柔性墊層下和剛性墊層下管樁復合地基受力和變形特性進行了對比分析.研究結果可為深厚軟土地基處理提供參考,指導工程實踐中選擇最佳的處理方式加固深厚軟土,達到較好的技術、經濟效果.

1　試驗段概況

某無砟軌道客運專線的設計時速為350 km/h,管樁復合地基試驗段范圍覆蓋層由黃淮沖積形成,表層為第四系全新統沖積層(Q4al)黏性土、粉土偶夾薄層砂類土,其下為上更新統沖積層(Q3al)黏性土、粉土地層.試驗段范圍淺層松軟土地層(可壓縮層)厚度約為30～49 m.試驗段分別采用了預應力管樁+鋼筋混凝土板復合地基(DK280+228)、預應力管樁+樁帽+土工格室復合地基(DK280+651)、預應力管樁+樁帽+土工格柵復合地基(DK281+347.10).

2　現場試驗方案

各試驗段地基剖面及測試元器件布置如圖1所示.試驗段DK280+228設計為預應力管樁+鋼筋混凝土筏板復合地基,采用PHC高強度預應力混凝土管樁,樁徑為0.4 m,樁間距為2.4 m,正方形布置,長為35.0 m,樁頂鋪設0.2 m的碎石墊層,其上鋪0.6 m 的C45鋼筋混凝土筏板.

(a)預應力管樁+鋼筋混凝土筏板復合地基(b)預應力管樁+樁帽+土工格室復合地基(c)預應力管樁+樁帽+土工格柵復合地基剖面圖圖1　地基剖面及測試元器件布置圖(單位：m)Fig．1　Foundationprofileandtestcomponentlayout(unit：m)

試驗段DK280+651設計為預應力管樁+樁帽+土工格室復合地基,采用PHC高強度預應力混凝土管樁,樁徑為0.4 m,樁間距為2.2 m,正方形布置,樁長為32.0 m;樁帽截面為0.8m×0.8 m×0.3 m,混凝土強度為C45;樁帽頂部鋪設0.6 m的碎石墊層,其內鋪設抗拉強度不低于200 kN/m的土工格室,在墊層上部設置鹽漬土隔斷層,由0.2 m厚中粗砂夾鋪一層復合土工膜組成.

試驗段DK281+347.10設計為預應力管樁+樁帽+土工格柵復合地基,采用PHC高強度預應力混凝土管樁樁徑為0.4 m,樁間距為2.4 m,正方形布置,樁長32.0 m;樁帽截面為1.2 m×1.2 m×0.35 m,強度為C45;樁帽頂部鋪設0.6 m的碎石墊層,其內鋪設一層抗拉強度不低于250 kN/m的土工格柵,在墊層上部設置鹽漬土隔斷層,由0.2 m 厚中粗砂夾鋪一層復合土工膜組成.

3　試驗結果對比分析

3.1　樁頂應力、土壓力分析

由于路基結構橫向對稱,測試所得樁頂應力和樁間土壓力沿橫向對稱相等,因此只取路基中心、線路中心(即左線中心,“路基中心”左側2.5 m)、路肩和靠近坡腳位置進行分析.圖2、3分別是管樁樁板、管樁+樁帽+土工格室、管樁+樁帽+土工格柵樁間及樁頂靜土壓力變化過程曲線圖.

(a)DK280+228筏板頂面和墊層下樁間土壓力(b)DK280+651墊層頂面和墊層下樁間土壓力(c)DK281+347墊層頂面和墊層下樁間土壓力圖2　樁間土壓力變化曲線Fig．2　Soilstresscurvesbetweenthepiles

(a)DK280+228樁頂應力(b)DK280+651樁頂應力(c)DK281+347樁頂應力圖3　樁頂應力變化曲線Fig．3　Pile?topstresscurves

由圖2、3可知:不同處理措施下,樁間土、樁頂的應力變化規律基本吻合,隨上部填土荷載的變化而變化,受填筑荷載影響較大,樁間土及樁頂應力在填筑荷載初期曲線變化較大,主要由施工機械引起,在填土荷載施工期變化較大,在恒載時間區段內基本穩定;由于上部填土荷載為梯形荷載形式,荷載通過路基結構傳遞后,路基中心位置、線路中心位置、路肩位置處樁間土壓力依次減少,同樣,樁頂應力也表現出類似的規律;在路基填筑期間樁間土應力和樁頂應力的變化曲線可分為3個階段,在預壓土填筑初期樁土應力都保持較小的增長速率,部分時間段內呈現樁間土應力稍大于樁頂應力的現象,說明在填筑初期,路堤荷載主要是由樁間土來承擔,復合地基中的拉膜效應和土拱效應還沒有有效地發揮作用;在填筑中期階段內,樁間土應力增長速率在初期的基礎上略有降低,而樁頂應力呈現快速增長的趨勢;由此造成樁土應力出現了一定的差值,并且差值越來越大,說明土拱效應發揮作用結果明顯,上部荷載逐漸由樁間土轉向管樁承擔;填筑后期階段,樁土應力增長速率都出現明顯的下降趨勢,逐漸達到相對穩定的狀態.另外,由圖3(a)可知,由預應力管樁+鋼筋混凝土板形成的復合地基,筏板下的樁間土在填筑期間變化值較小,說明在筏板下樁間土應力分布已經相對均化.

3.2　樁土應力比分析

管樁區的樁土應力比變化過程反映了樁土荷載分配的過程,圖4為樁土應力比變化曲線圖.

由圖4可知:在填土初期,上部荷載較小,管樁高承載力的特性還未顯現,樁、土分擔的荷載均較小,樁土應力比也較小;隨著荷載的增加,由于管樁剛度遠大于樁間土剛度,管樁分擔的荷載越來越多,不同位置的樁土應力比也越來越大;在等載期間隨著預壓時間的增大,樁土沉降差不斷調整,路基中心處、路肩下和坡腳處的樁土應力比均緩慢增大,但增幅較小,根據文獻[1]研究結果可知,管樁復合地基受力與變形狀態逐漸趨于協調、穩定.

(a)DK280+228樁土應力比(b)DK280+651樁土應力比(c)DK281+347．1樁土應力比圖4　樁土應力比變化曲線Fig．4　Pile?soilstressratiocurves

表1為管樁區預壓土填筑完畢后樁土應力一覽表.

由表1可知:同種類型復合地基樁土應力比隨著距路基中心距離的遠近逐漸增大;樁板的樁土應力比明顯大于樁網;土工格柵樁土應力比平均值小于土工格室.主要因為預應力管樁+鋼筋混凝土筏板復合地基中,筏板和墊層形成了類似加筋梁板結構的作用,土工格柵、土工格室、梁板3種加筋措施下加筋體的強度越來越大,對樁間土的提兜作用越大,將樁間土上的路堤荷載更多地轉移到樁上,提高了樁土應力比,在預應力管樁+鋼筋混凝土筏板復合地基結構中樁土應力比大幅提高.

表1　管樁區填土完畢樁土應力Tab.1　Pile-soil stress ratios at the pipe pile area,after soil filling

3.3　土工格室、土工格柵受力分析

土工格室的加筋作用是利用它與格室內填料相互共同作用形成復合整體的抗彎、抗拉和抗剪強度的特性,通過土工格室墊層所具有的強抗剪能力,改善淺層軟土的應力狀態,使地基的剪切破壞面向深層發展,達到臨界破壞狀態所需要的極限荷載較高.

土工格柵的加筋作用是利用筋材的抗拉特性,通過與周圍土界面的摩擦咬合作用產生應力傳遞.改變土體中的應力應變場,增進土的強度和韌性,從而改善填料變形性能,提高土體穩定性.分析現場測試數據發現,相對于路基中心成對稱性布設的柔性位移計拉伸量基本相等,將取相對于路基中心對稱位置的柔性位移計拉伸量平均值進行土工格柵、土工格室的受力分析.

在路基填筑和預壓期間,距離線路中心各位置的土工格柵、土工格室拉力變化規律如圖5所示.

在不同填土高度和預壓時間下,墊層土工格柵、土工格室拉力沿路基橫向分布規律如圖6所示.

(a)DK280+651土工格室拉力(b)DK281+347．1土工格柵拉力圖5　加筋材料拉力變化曲線Fig．5　Tensioncurvesofthereinforcedmaterial

(a)DK280+651土工格室拉力橫向分布(b)DK281+347．1土工格柵拉力橫向分布圖6　加筋材料拉力沿路基橫向分布Fig．6　Lateraltensiondistributionofthereinforcedmaterial

從圖5中可知:隨著路基填土荷載的增大,各位置的土工格柵、土工格室拉力逐漸增大,增長速率與路堤填筑速率正相關;當填土荷載處于穩定期,土工格柵、土工格室拉力逐漸趨于穩定.

從圖6中可知,在不同填土高度條件下,路肩下土工格柵、土工格室拉力最大,線路中心處次之,靠近坡腳處和路基中心處較小.路基中心地基土固結沉降引起的水平拉力最小,路肩處土工格柵、土工格室路基沉降引起的水平拉力與樁網兜土所產生的水平拉力疊加最大.

填土完成時拉力見表2.由表2可知,路基中心處、路肩處、坡腳處的土工格室所受水平拉力均大于土工格柵,與文獻[9]和[13]研究結果一致.

在路基填土和預壓期間,路肩下墊層中的土工格室、土工格柵拉力最大.土工格柵最大拉力值為1.04 kN,土工格柵尺寸為2.5 cm×2.5 cm,沿線路縱向1.0 m范圍內橫向分布40根土工格柵,則沿線路縱向1.0 m范圍內土工格柵最大拉力為41.47 kN.土工格室拉力最大值為4.39 kN,土工格室尺寸為40 cm×40 cm,考慮網帶與線路橫向呈45°,故每延米范圍內有4根網帶.則沿線路縱向1.0 m范圍內土工格室最大拉力為1.55 kN;單根網帶厚為0.45 mm,網帶高為50 mm,網帶最大應力為68.4 MPa.

表2　土工格柵、土工格室拉力Tab.2　The tension of the geocell and geogrid

3.4　沉降分析

圖7為管樁不同結構復合地基地基面沉降曲線.

圖7　管樁不同結構復合地基地基面沉降曲線Fig.7　Surface settlement curves of the pipe-pile composite foundation with different types of cushion layer

由圖7可知:管樁+筏板的加固效果總體比管樁+樁帽+網(土工格室或土工格柵)復合地基效果好,其地基面沉降量約為樁網結構(土工格柵或土工格室)的68.46%～72.56%;樁網結構中鋪設土工格室地段沉降量略小,主要因為鋪設土工格室時提高了樁土應力比,墊層的荷載分散作用較強,導致加固區和下臥層附加荷載減少,從而降低了沉降的變形量;在路堤和預壓土填筑階段,隨著荷載的增加,地基沉降變形快速發展,填筑后的靜置期,在前期階段沉降變形增長較快,并隨著時間的增長沉降速率放緩逐漸趨于平穩.根據各階段沉降曲線的變化特征可以將不同處理措施下地基沉降分為快速發展、緩慢發展和穩定3個階段.

4　結　論

(1) 路堤荷載作用下,樁頂和樁間土應力沿路基橫向由路基中心向路肩、坡腳處逐漸減少.土工格室墊層加固樁土應力比實測值為2.30～6.25;土工格柵墊層加固樁土應力比為2.47～5.42,說明土工格室加固效果較土工格柵加固有所改善.鋼筋混凝土板加固樁頂應力遠大于樁間土壓力,現場實測樁土應力比為8.05～14.81,混凝土筏板加固樁土應力比遠大于樁網結構.

(2) 對于土工格柵、土工格室兩種不同水平加筋墊層加固下的樁網復合地基,隨著路基填土荷載的增大,土工格柵、土工格室拉力逐漸增大;穩定后,路肩位置拉力最大,在相近的上部路堤荷載的作用下土工格室所受拉力大于土工格柵.

(3) 兩種不同形式的樁網復合地基沉降控制效果相近,土工格室的加固效果稍優于土工格柵.管樁加鋼筋混凝土板對路基沉降的加固效果最好.沉降穩定后,混凝土筏板加固的管樁復合地基地基面沉降分別為土工格柵和土工格室樁網復合地基地基面沉降的68.46%和72.56%.

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