長短樁筏板復合地基現場測試研究

陳哲光

（中國土木工程集團有限公司，北京100038）

1 引言

鐵路軌道的平順性和安全性是保證高速鐵路列車行車的重要保證。因此，高速鐵路對路基的工后沉降和穩定有著極為嚴格的標準，對于無砟軌道而言，根據TB 10621—2014《高速鐵路設計規范》，在一般路基地段工后沉降不能超過15mm。一般在滲透系數小的軟土地基，工后沉降難以控制，因此出現不同地基處理方式改善軟土物理力學性質。其中，長短樁復合地基就是一種新型地基處理方式，很多學者也對其展開研究，林志強等【1】根據在柔性基礎下長短樁復合地基荷載傳遞機理，對工程質量事故的原因進行分析，找出工程質量事故的主要原因并提出避免類似工程質量事故的預防措施；李善珍等【2，3】對黃土地區的長短樁復合地基通過數值模擬方法分析，建議了合理的樁長和樁間距；馬學寧等【4】基于現場試驗和數值模擬的方法，分析了長短樁復合地基的沉降特性和長短樁的受力規律；王曉光【5】對濕陷性黃土地區的長短樁復合地基沉降進行理論分析。周同和等【6】、陸華等【7】和陳陽【8】也進行了長短樁復合地基的室內模型試驗，研究長短樁復合地基的沉降特性和長短樁受力規律。現場試驗方面，李波等【9】對上海軟土地區的長短樁復合地基的沉降規律和樁土應力比進行了分析研究。

以上學者通過數值模擬、室內模型試驗和現場試驗的方法分析了長短樁沉降規律和樁土應力比等，但以上學者研究長短樁加固對象多為沿海地區軟土和西北地區濕陷性黃土，對于黃淮沖積平原地區軟土研究較少，且對于長短樁+筏板加固地基方式研究也較少。

因此，本文通過對黃淮平原地區軟土采用素混凝土長樁+CFG 短樁+筏板方式進行加固，通過現場沉降、樁土應力、側向變形、基底應力分布和孔隙水壓力變化，分析長短樁在軟弱土層的加固效果，為長短樁+筏板地基處理方式提供參考和借鑒。

2 現場測試

2.1 工程概況

試驗段為某高速鐵路里程路基全長1 455.31m。地處黃淮沖積平原區，本段全新統地層以軟塑～可塑的粉質黏土、黏土層為主，分布厚度大，地層軟弱、力學性質較差、地基承載力低、壓縮性大，砂性土分布少，排水條件差，施工后在路堤荷載作用下，土體固結沉降完成過程長，工后沉降控制困難。表層為第四系全新統沖積層黏性土、粉土偶夾薄層砂類土；其下為上更新統沖積層黏性土、粉土地層。

各地層自上而下分布厚度及其主要力學特性如下：

1）粉土：褐黃色、褐灰色，飽和，稍密，局部夾有薄層粉質黏土、粉細砂，層厚1.5m。Es100～200=7.83MPa，N=5.49 擊/30cm。

2）粉質黏土：黃褐色、灰褐色，局部為褐黃色，軟塑，局部夾有薄層粉土、粉細砂及少量姜石，層厚6.68m。Es100～200=3.73MPa，N=5.41 擊/30cm。

3）粉質黏土：褐黃色、黃褐色，局部為褐灰色，可塑，局部夾有薄層粉土、粉細砂及少量姜石，層厚9.42m。Es100～200=4.78MPa，Es300～400=9.86MPa，N=9.54 擊/30cm。

4）粉土：褐黃色、褐灰色，飽和，中密，局部夾有薄層粉質黏土、粉細砂及少量姜石，層厚6.10m，Es300～400=11.6MPa，N=11.8 擊/30cm。

5）粉質黏土：褐黃色、黃褐色，局部為褐灰色，可塑，局部夾有薄層粉土、粉細砂及少量姜石，層厚9.56m。Es100～200=5.14MPa，Es300～400=10.98MPa，N=14 擊/30cm。

6）粉質黏土：褐黃色、黃褐色，局部為褐灰色，可塑，局部夾有薄層粉土、粉細砂及少量姜石，含少量的鐵錳質結核、鐵錳質氧化物斑塊，層厚12.86m，推薦承載力基本值=170kPa。

7）粉質黏土：黃褐色、灰褐色，硬塑，局部夾有薄層粉土及少量姜石。層底埋深39.00～46.40m。Es600～800=18.75MPa，N=31.77擊/30cm。

地下水主要為孔隙潛水，局部略具承壓性，地下水受大氣降水、地表水補給，水量較豐富。地下水具明顯的動態變化特征，隨季節、降水量變化而變化，測時地下水埋深2.9～4.2m，標高34.36～35.87m。地下水主要以地下徑流及人工開采為主要排泄方式。

2.2 測試元件布置

長短組合樁地基中，長樁為素混凝土樁，樁徑0.6m、長31～37m；短樁為CFG 樁，樁徑0.5m、長25m；樁間距2.5m，按正方形間隔布設。樁頂設C45 鋼筋混凝土筏板，筏板厚0.6m，板下設0.2m 厚墊層。路基填高6～7m，路基本體采用A、B 組填料填筑，上部預壓土高度3m，設計預壓期12 個月。主斷面監測及元件布置圖如圖1 所示，3 個單點沉降計；1 個分層沉降計；1 個孔隙水壓力計；土壓力盒：樁頂7 個，樁間土7 個，筏板以上3 個；1 個測斜管；1 個水位觀測孔。

圖1 主斷面監測及元件布置圖

2.3 測試元件埋設

監測剖面元件埋設工作如圖2～圖4 所示。為保證元件能得到科學合理的數據，元件的埋設過程也十分重要，各個元件現場埋設過程參考文獻【10】進行埋設。

圖2 單點沉降計

圖3 分層沉降計

圖4 孔隙水壓力計

2.4 現場試驗測試頻率

監測元件埋設到位后，監測頻次，結合現場施工進展開始了監測數據的收集。具體監測工作要求如下：

1）在路堤正式填筑前，對所有埋設元件設備進行復測，作為初始讀數。

2）在路堤填筑施工期間，各元件設備一般情況每天（上午）測試1 次，各種原因暫時停工期間，前2d 每天（上午）測試1 次，以后每3d 測試1 次。

3）路堤填筑施工完成后，前15d 內每3d 觀測1 次，第15～30d 每星期觀測1 次，第30～90d 每15d 觀測1 次，以后的每個月觀測1 次。

在實際監測工作中，觀測時間間隔還考慮地基沉降值與沉降速率影響，當2 次連續觀測的沉降差值大于4mm 時加密觀測頻次；當出現沉降突變、地下水變化及降雨等外部環境變化時也增加觀測頻次。

3 測試結果分析

3.1 沉降變形分析

第587d 為預壓土卸載完成日，卸載后測試沉降，沉降有所減小，即發生回彈現象，回彈量是1.09mm, 且沉降變形趨于穩定。截至637d，地基面沉降為14.6mm。

由圖5 可知：長短樁加固區段各監測斷面的地基面、加固區和下臥層的沉降均隨著上部填土高度的增大而增大，第44d填筑開始至第166d 填筑（含預壓土）完成期間，沉降量及沉降速率均為較快速增長階段；恒載擺放期，沉降仍在發展，但沉降速率明顯變緩；至第271d，加固區沉降已趨穩定，地基面和下臥層沉降仍在緩慢發展。

圖5 地基沉降隨時間變化圖

從圖6 中可知，地基土各分層的沉降量隨路基填土和預壓填土荷載的增大而增大，尤其在加載初期，沉降變化很明顯。當上部荷載恒定后，地基各土層沉降均逐漸趨于收斂。當卸載完成后測試沉降，沉降有所減小，即發生回彈現象，且沉降變形很快趨于穩定。

3.2 側向位移分析

試驗現場主測斷面右側設置了1 個測斜管，但受元件自身或埋設效果等影響，該測斜孔僅0～23.0m 工作正常，23.0m以下監測數據異常。該測點處側向位移沿深度變化曲線如圖7所示，由圖7 可知：

圖6 路基分層沉降隨時間變化圖

圖7 路基側向位移隨時間變化圖

1）填土高度達6.6m，開始首次觀測，至70d 第二次測試時填土高度為9.6m（填筑完成），此時已產生明顯的側向位移；此后的填土高度不變，處于恒載擺放期，路堤側向位移逐漸增大，但增加幅度相對較小，并趨于穩定。

2）地基土側向位移隨著深度的增加明顯呈減小的趨勢，截至125d 地表最大側向相對位移達到了6.00mm，深度20m以下地基土側向位移最大值一般小于1mm。可見，采用長短樁樁筏結構時，在約束側向位移及其影響深度方面作用明顯。地基土側向位移隨著深度的增加明顯呈減小的趨勢，截至449d地表最大側向相對位移達到了6mm，深度20m 以下地基土側向位移最大值一般小于1mm。

3）從發展階段看，填筑期的側向位移量、沉降速率均較大，期間側向位移速率為1.84～3.05mm/月；填筑完成后的恒載擺放期側向位移量明顯減小，平均位移速率為0.85mm/月，并基本趨于穩定。

3.3 長短樁+筏板體系基底應力分布

為研究長短樁樁筏復合地基路基基底應力的分布規律，于基底樁頂、樁間土不同位置處埋設土壓力盒進行應力測試，量測施工和預壓期內基底應力變化。路基面下基底壓力均值與路基填筑高度的時程曲線如圖8 所示，路堤基底壓力隨路堤荷載的增加而逐漸增大，相同荷載作用下墊層的結構性越強，路基面下基底壓力越小。

圖9a、圖9b 分別為路基填筑預壓的過程中，長短樁樁筏復合地基路基基底應力的分布規律。從圖9 中可知，在預壓荷載較小時，基底壓力在路堤荷載較小時分布較為均勻，隨著預壓荷載的增大，路基面下基底壓力呈拋物線型分布，即兩路肩下小中心處大，且中心處壓力隨路堤填高而增加的幅度最大，但隨著預壓荷載的進一步增大，路基面下基底壓力隨路堤荷載的增加呈馬鞍型分布，即兩側大中間小，而后基底中心壓力快速增加。路基預壓荷載結束后，基底壓力呈明顯的馬鞍型分布。此外，長短樁復合地基中，由于素混凝土與周圍土體的剛度差異較大，比CFG 短樁承擔較大的荷載。

圖8 樁筏結構路基基底土壓力隨時間變化圖

圖9 樁筏結構路基基底應力分布模式

3.4 樁土應力分析

從圖10 中可知，當路基填土高度在3.0m 以下時，素混凝土樁和CFG 樁的樁土應力比在填土初期快速增大；當路基填土高度達到6.0m 時，素混凝土樁和CFG 樁的樁土應力比迅速增大，隨后趨于穩定；當路基填土高度達到9.0m 后，素混凝土樁和CFG 樁的樁土應力比都在一定的區間波動，但隨著加載時間的增長，素混凝土樁樁土應力比有一定的增大，而CFG 樁樁土應力比有一定的減小。路基中心處和路肩下素混凝土樁樁土應力比基本一致，CFG 樁的樁土應力比也基本一致，坡腳附近樁土應力比都比較小，但素混凝土樁樁土應力比大于CFG 樁樁土應力比。路基中心處和路肩素混凝土樁樁土應力比為10.9～13.0，路基中心處和路肩下CFG樁樁土應力比為5.9～7.1，素混凝土樁的樁土應力約為CFG樁的2 倍；坡腳附近素混凝土樁樁土應力比為2.4～3.4，坡腳附近的CFG 樁樁土應力比為1.9～2.5，素混凝土樁的樁土應力約為CFG 樁的1.3 倍。說明素混凝土樁分擔的荷載比CFG 樁分擔的荷載大。

圖10 樁土應力隨時間變化曲線圖

在預壓期間，隨著預壓時間的增大，路基中心處、路基下和最靠近坡腳處的素混凝土樁和CFG 樁樁土應力比均呈緩慢增大規律，但增幅較小，表明長短樁樁筏結構復合地基受力與變形狀態逐漸趨于協調。素混凝土樁樁土應力比隨著填土荷載的增大到穩定呈增大—穩定—再增大的趨勢；CFG 樁的樁土應力比隨著填土荷載的增大到穩定呈增大—穩定—有一定減小的趨勢。

卸載后樁與樁間土都發生明顯回彈，且樁土應力比也略減小，之后很快保持穩定。

3.5 孔隙水壓力分析

孔隙水壓力測試設置部分主監測斷面線路中線附近，有1孔，設6 個孔隙水壓力計，分別埋設于各黏性土層的中部。在路基填土施工期間，對不同深度處的孔隙水壓力計進行測試，得到不同深度處孔隙水壓力在路基施工和預壓期間的變化規律，如圖11 所示。

圖11 孔隙水壓力隨時間變化圖

1）長短樁復合地基不同深度處孔隙水壓力在路基分層填筑期間產生驟然增大，出現峰值，而在施工停頓期則逐漸消散。

2）當路基每層填筑停頓期間，由該填土層引起的超孔隙水壓力在未得到完全消散的條件下，緊接著填筑下一層路基填土，引起超孔隙水壓力疊加，至路基預壓填土完成時，長短樁復合地基不同深度處的孔隙水壓力出現最大峰值，地基面以下12.0m（加固區）、20.0m（加固區）、25.0m（CFG 樁樁底）、38.0m（素混凝土樁樁底）和52.0m（下臥層底層）的孔隙水壓力分別為121.7kPa、200.1kPa、261.4kPa、392.6kPa 和439.0kPa，累積的超孔隙水壓力分別為110.3kPa、111.5kPa、123.4kPa、121.4kPa 和99.7kPa，結合圖11 中孔隙水壓力變化圖形，表明在上部路基填土荷載逐級增大的作用下，復合地基深度越大，超孔隙水壓力疊加作用越明顯。

3）在117d 上部路基填土荷載恒定后，隨著預壓時間的增大，復合地基不同深度處的超孔隙水壓力逐漸消散，至222d后，地基面以下12.0m、20.0m、25.0m、38.0m 和52.0m 超孔隙水壓力分別為32.5kPa、28.1kPa、54.8kPa、52.4kPa 和56.0kPa，相比預壓土填筑完成時，超孔隙水壓力分別減小70.5%、74.6%、55.5%、56.8%和43.9%。

4）預壓土卸載完成后，地基土已完成固結，沉降已經平穩。

4 結論

針對長短樁樁筏結構復合地基，通過現場埋設復合地基沉降變形和受力監測傳感器，研究了長短樁+樁筏結構復合地基的沉降變形和荷載傳遞規律，得出以下主要結論：

1）從試驗段長短樁樁筏結構復合地基的地基面沉降監測看，自開始路基填筑，至228d（約7.6 個月）地基總沉降量為10.57～14.56mm，平均沉降值12.6mm。

2）從地基土分層沉降看，加固區的壓縮沉降量和沉降速率明顯大于下臥土層。監測表明，隨著路基擺放時間增加，下臥層的壓縮量增量大于加固區范圍內的壓縮量增量，說明在上部荷載恒定后，后期路基沉降主要由下臥土層壓縮沉降產生，但其剩余沉降量已較小。

3）長短樁+樁筏結構復合地基側向位移隨著深度的增加基本呈減小的趨勢，地基淺部水平位移較大，深部較小。隨著時間的推移，地基土側向位移速率逐漸減小，預壓土填筑完成穩定后側向位移量明顯減小，側向位移速率趨于穩定。

4）在預壓期間，素混凝土樁和CFG 樁樁土應力比開始比較穩定，在預壓荷載穩定后45d，素混凝土樁樁土應力比有增大的趨勢，而CFG 樁樁土應力比有減小的趨勢。

5）基底壓力在路堤荷載較小時分布較為均勻，隨著預壓荷載的增大，路基面下基底壓力呈拋物線型分布，但隨著預壓荷載的進一步增大，路基面下基底壓力隨路堤荷載的增加呈馬鞍型分布，長短樁復合地基中，剛度較大的長樁承擔較多的荷載。

6）在上部路基填土荷載逐級增大的作用下，長短樁復合地基超孔隙水壓力產生驟然增大然后逐漸消散的過程，由于路基每層填土間期過短，超孔隙水壓力未完全消散而產生疊加作用，且深度越大疊加作用越明顯。