基坑降水施工引起高速鐵路復合地基沉降的計算分析

馮江波

中鐵十八局集團有限公司 天津 300222

近些年來，我國的高鐵建設技術取得了飛躍式的進步，為推動區域經濟發展提供了新的活力。高鐵站作為綜合交通運輸樞紐，其建設通常具有滯后性，往往與城市軌道交通等建筑物同時施工，造成了高速鐵路復合地基的復雜性。

當地鐵基坑進行降水施工時，一般會引起鄰近復合地基的沉降變形，而對于沉降變形的計算往往落后于工程實踐需要。因此，需要對基坑降水施工引起的高速鐵路復合地基沉降機理進行專項討論，才能更好地指導工程設計與施工[1-5]。

基坑降水過程是比較復雜的流固耦合作用過程。在不同的地質條件下，其沉降變形特性將表現出差異性，如地層是堅硬還是軟弱、是否含有承壓水、地層的透水性如何，等等，均會對沉降變形產生影響[6-7]，降水引起的基坑沉降變形機理目前也尚未成熟。

李巍[8]通過分析認為，將地下水位下降深度處的有效應力增量作為附加應力進行沉降計算可以得到較為理想的預測效果。

邱平[9]利用數值分析軟件，基于滲流-應力耦合理論，分析了基坑降水引起的地面變形。

張光宗等[10]對基坑降水引起的CFG樁-筏復合地基沉降進行了探討，為復合沉降計算提供了方法。

本文在總結前人研究理論、經驗和方法的基礎上，針對深厚松軟土地基，進行了預應力高強度混凝土預制管樁（PHC）和水泥粉煤灰碎石樁（CFG）的復合地基處理的沉降變形計算分析，可為類似工程施工建設時的變形預測、監測提供借鑒。

1 樁端刺入量法

水位下降引起剛性樁體發生壓縮變形之前，由于上部路基填筑和堆載預壓等使得樁體軸力顯著增大，導致樁體壓縮量明顯增大。在水位下降過程中，雖然樁體軸力繼續增加，但此時壓縮量可忽略不計；當基坑水位下降時，會引起復合地基中孔隙水壓力降低、土體壓縮模量增大、樁-土之間的相對位移量變大，同時樁體的負側摩阻力也會相應增加。

此時，復合地基加固區域的壓縮量S1可用如式（1）進行表示：

式中：S1——加固區的壓縮量；

SP——樁體的壓縮量；

V——樁底刺入下臥層中的長度。

其中，SP可以通過現場測量所得，刺入量可通過樁端處應力比的大小變化求取，根據工程經驗，有如式（2）所示的經驗公式[12]：

式中：n′——樁端處的樁土應力比。

當水位下降時，會引起下臥層壓縮變形，此時下臥層的壓縮模量、置換率、樁徑和內摩擦角等為定值，但水位下降會引起上部荷載重新分配，樁間土體的有效應力降低。采用分層總和法計算下臥層壓縮量S2〔式（3）〕：

式中：S2——下臥層的壓縮量；

Vpi——第i分層土壓力；

Esi——第i分層壓縮模量；

Hi——第i分層的厚度。

加固區壓縮量S1和下臥層沉降量S2的總和即為降水施工期間復合地基的總沉降量S〔式（4）〕：

2 案例分析

2.1 工程背景

興泉鐵路寧泉段XQNQ－6標段二分部線路起于洋田車站三線大橋大里程臺尾（DK356＋136.5），終于戴云山二號隧道出口（D1K384＋422），位于福建省泉州市德化縣、永春縣境內，正線長28 319.6 m，設計速度160 km/h。其中，德化車站位于德化縣蓋德鎮，車站按2臺4線布置，為客貨運辦理站，站場范圍內分布著深厚的軟土地基層（從上往下依次為素填土、粉質黏土、細中砂、細砂、卵石等地層）。

工程采用PHC樁和CFG樁分別對正線和輔線進行地基加固處理。正線PHC樁長為35 m，管徑為0.5 m，正方形布置，間距為2 m；輔線CFG樁管徑為0.5 m，縱向間距1.5 m，橫向間距1.6 m，長度分別為15、20和25 m。原地下水位平均深度為－2.5 m，施工時基坑降水最大降深為－26 m。車站的典型斷面設計如圖1所示。

圖1 車站典型斷面設計

2.2 基坑土層參數

根據現場勘察和室內土工試驗結果，按照相關設計規范，分別確定出加固區土層、下臥層土體及基坑設計的相關參數。

2.3 沉降計算

首先計算不同長度樁體的樁土應力比，樁土應力比為樁端應力P端與樁端土中應力P中的比值〔式（5）〕。

將相關巖土力學參數和支護參數代入求解（求解過程較為復雜，不再贅述），分別得到樁端應力和樁土應力值，同時計算得到了樁土應力比，見表1。從表1中數據可以看到：PHC樁每延米的樁土應力比值大于CFG的樁土應力比值，同種樁情況下，樁土應力比與樁長相關，樁越長，樁土應力比越大。

表1 樁端、樁端土中應力及樁土應力比

將表1中的樁土應力比值代入公式（2），計算樁端刺入量，即有：35 m的PHC樁V＝151.0 mm，25 m的CFG樁V＝75.0 mm，20 m的CFG樁V＝62.8 mm，15 m的CFG樁 V＝51.6 mm。按照分層總和法分別計算得到不同樁型的復合地基下臥層沉降值，見表2。

表2 下臥層沉降量

從表2中可以看到：下臥層沉降值與樁長有關，樁越長，對下臥層地基沉降的抑制作用越明顯，下臥層的沉降量越小。

將樁端刺入量與對應的下臥層沉降量相加，即可得到每種樁型的沉降值：35 m的PHC樁S＝201.3 mm，25 m的CFG樁S＝127.2 mm，20 m的CFG樁S＝140.8 mm，15 m的CFG樁S＝171.1 mm。

由于在樁端刺入量法推算沉降量過程中，將降水疏干過后土體的重度認為是飽和重度，這實際上增加了有效應力增量（較實際值偏大），因此導致下臥層的沉降值較實際值偏大。而在計算樁側阻力時，往往取值是按偏安全的系數進行計算的，也會造成樁體刺入量的增大，導致復合地基沉降量明顯大于實際值。因此，為了準確預測和分析車站地基降水施工過程中的沉降量變化情況，需對樁端刺入量法計算值進行修正。

對不同樁長下的地基沉降值進行現場監測，得到35 m的PHC樁、25 m的CFG樁、20 m的CFG樁、15 m的CFG樁的實測沉降變形值分別為58.8、43.7、61.2和61.4 mm。將樁端刺入量法計算得到的實測值與計算值相除，得到復合地基沉降修正系數k〔式（6）〕：

將計算值與實測值通過式（6）分別計算得到相應的修正系數k為0.292、0.344、0.435和0.359。樁徑一定時，沉降量主要與樁長有關（暫不考慮樁種類影響），故考慮樁長與修正系數k的關系，如圖2所示。

圖2 樁長與修正系數k關系

從圖2中可以得知：修正系數k與樁長L之間呈現出較好的線性關系。因此，可用公式（7）對復合地基的沉降量進行修正：

將樁長反代入公式（7），分別得到各自的擬合修正系數值，分別為0.293、0.347、0.372和0.400，將其分別乘以樁端刺入量法計算沉降值，即可得到預測的復合地基實際沉降量，其值分別為59.8、44.2、52.9和68.4 mm，修正前后與實測沉降量對比如圖3所示。

從圖3中可以看到：經復合地基沉降系數調整后的沉降量與現場實測沉降值基本吻合，兩者相差的平均值為4.2 mm，平均相對誤差小于10%，表明修正后的樁端刺入量法計算復合地基的沉降效果較佳。該方法可運用于類似地基降水工程沉降變形的預測。

圖3 修正前后與實測沉降量對比

3 結語

基坑降水施工是現代交通工程領域最為常見的施工工序之一，做好基坑降水期間周圍地基的沉降變形預測、監測和控制對于工程安全具有重要意義。文章基于實際工程，提出利用修正的樁端刺入量法預測不同樁型處理時復合地基降水施工期間的沉降變形，對類似基坑降水施工具有一定的指導意義。由于案例工程僅具有1種長度的PHC樁和3種長度的CFG樁，樁型偏少，因此筆者計算時將2種樁型做統一分析，必將會帶來一定的誤差。

可以預見的是，若實際工程樁型足夠，將PHC樁和CFG樁分別擬合，將得到更加精確的預測效果，該理論方法可借鑒運用于實際工程之中。