既有線幫寬段復合地基樁土應力分布規律研究

王定順

（蘭州交通大學 土木工程學院，甘肅蘭州 730070）

新建中衛至蘭州鐵路（中蘭鐵路）是我國“八縱八橫”鐵路網京呼銀蘭通道的重要組成部分，中蘭鐵路經永登縣樹屏鎮以路基幫寬的形式接入既有中川鐵路。既有中川鐵路運營已有一段時間，沉降基本趨于穩定，而幫寬段為新建工程會有一定的工后變形，從而影響到既有-幫寬路基整體變形是否協調、整體結構是否安全。幫寬段復合地基樁和樁間土的應力分布直接影響著復合地基的穩定。

目前，學者對復合地基樁土應力分布規律的研究主要通過理論計算、室內外試驗、數值模擬等方法。理論計算方面：田莉等[1]對散體材料樁復合地基樁土應力比進行了理論計算，并引入豎向、側向應力比分析了其可靠性；楊明輝等[2]分析了樁土應力比已有的計算方法及計算中存在的問題，并基于圓孔擴張理論對其進行了改進。試驗方面：李國峰[3]通過室內模型試驗，對樁承式路堤的受力機理進行了分析；陳宏偉等[4]以實際工程為依托開展現場試驗，對PHC 樁-筏（網）和CFG 樁-筏(網)復合地基樁土應力在橫向分布及樁土應力比等進行了研究；郭增強等[5]結合現場試驗，研究了帶有格柵褥墊層不同位置處水泥土攪拌樁樁頂及樁間土的應力變化；馮瑞玲等[6]結合實際工程，通過現場試驗研究了粉噴樁處理飽和黃土地基時的樁土應力比。數值模擬方面：李琦等[7]以實際工程為背景通過數值模擬分析了高壓旋噴樁復合地基的樁土應力比變化特性；朱慶華等[8]建立三維有限元模型，分析了豎向荷載作用下勁性攪拌樁復合地基樁身應力的發生過程；鄭俊杰等[9]通過建立二維有限元模型，分析了樁間距及樁帽寬度對路堤荷載下樁土應力分配規律的影響；趙明華等[10]通過差分軟件建立模型，分析了帶樁帽復合地基樁土應力比。

基于上述分析，目前對復合地基樁土應力分布規律的研究已取得一定成果，但對飽和黃土地基下高壓旋噴樁復合地基的樁土應力分布規律的研究并不多見，且在幫寬工程中應特別注意幫寬段復合地基的樁土應力分布狀態。基于此，本文以中川鐵路路基幫寬工程為依托，通過現場試驗，研究了高壓旋噴樁處理飽和黃土地基時在幫寬路堤荷載下復合地基的樁土應力分布規律，為該工程的順利實施提供基礎保證，也可積累地區經驗，為其他類似工程提供參考。

1 工程概況

新建中蘭鐵路接入既有中川鐵路工點起訖里程為DK245+014～DK246+701，需對既有中川鐵路（K47+986～K49+181）路基兩側進行幫填施工。工點地段內地表至13 m 左右深度范圍內為飽和砂質黃土層，地質條件差，承載力不足（80～120 kPa），難以滿足承載要求，故需對天然地基進行加固處理，結合高壓旋噴樁適用于軟弱黃土地基，并可明顯提高天然地基承載力等特點，決定在工點范圍內選用高壓旋噴樁進行地基處理，但其處理效果因受地質條件影響不易控制，且在幫寬段需特別關注復合地基承載特性相關問題，以保證整體結構穩定。工點典型斷面如圖1所示。

圖1 工點典型斷面圖

左側和右側幫寬地基均選用高壓旋噴樁進行處理，樁徑和樁間距分別為0.5 m 和1.4 m，正方形布置，左側幫寬地基樁共計6 775 根，樁長11～15 m，右側幫寬地基樁共計6 688 根，樁長11～16 m。在既有中川鐵路K48+438.11 和K48+791.11 里程處為既有涵洞，幫寬路基填筑過程中需對既有涵洞進行接長，根據兩個涵洞的位置將上行側幫寬段和下行側幫寬段路基各分為三段進行填筑施工。新建路基上部為有砟軌道結構形式，自下而上分別為加筋褥墊層、基床以下路堤、基床底層、基床表層以及道砟和軌道結構。

2 試驗方案

2.1 試驗目的

在上部荷載下，樁、樁間土、加筋褥墊層及路基內土拱整體共同協調受力變形、受力過程復雜，且通過理論計算誤差大，而現場實測相較于理論計算能夠更為準確地反映受力過程，通過在工點現場高壓旋噴樁復合地基樁頂和樁間土布設一定的土壓力盒，開展現場試驗分析樁土應力分布規律，為幫寬段復合地基基礎穩定提供保證。

2.2 試驗儀器

試驗儀器主要為測試裝置和讀數設備，測試裝置選用長沙金碼公司生產的土壓力盒，型號為JMZX-50 系列；讀數設備采用振弦式傳感器測定儀。所有土壓力盒在埋設前均已進行標定。

2.3 土壓力盒布設方法

幫寬路堤填筑前，先在復合地基樁頂和樁間土處布設土壓力盒。現場共選取三個典型試驗斷面， DYK245+678.73～DYK246+068.10 段地質條件較為典型，三個試驗斷面均布于此段，每個斷面共布設9 個土壓力盒，4 個布設于樁間土位置，5 個布設于樁頂位置。布設在樁頂位置的土壓力盒和樁間土位置的土壓力盒底部分別用水泥漿和10 cm 厚中砂墊平壓實，土壓力盒布設好后記錄好編號并在其周圍覆蓋30 cm 厚的中砂壓實。土壓力盒布設位置關系如圖2 所示，現場試驗布設如圖3 所示。

圖2 土壓力盒布設位置關系圖

2.4 試驗加荷方式

土壓力盒上加載各層自下而上分別為加筋褥墊層、基床以下路堤B 組料、基床底層B 組非凍脹滲水填料、基床表層的中粗砂和水泥穩定級配碎石。各層填料分層填筑、碾壓，達到規定的壓實度。

2.5 應力觀測

土壓力盒布設好后，將導線引出并收納到各斷面觀測箱。導線在引出過程中以S 型引出，防止受力拉斷；斷面位置處設置警示標志，防止施工造成破壞。在荷載施加過程中，對試驗斷面的施工情況進行詳細記錄并測定土壓力盒數據。

路基填筑高度5.10 m，路堤自下而上為加筋褥墊層0.6 m、基床以下路堤2.9 m、基床底層0.8 m、基床表層0.8 m，從加筋褥墊層施工完成后開始正式測量，測量頻率為1 次/d。

3 結果分析

剛性基礎下復合地基頂部設置墊層和路堤下復合地基頂部設置墊層都可起到調節樁土荷載分擔比例的作用，但具體效用是完全不同的。通過在剛性基礎下設置柔性墊層，可有效地將樁頂荷載向樁間土進行轉移，使樁間土的作用能夠更為有效地發揮；而在路堤下設置剛度較大的墊層，主要目的是將樁間土荷載向樁頂轉移，更多地發揮樁的承載能力，提高復合地基的整體承載能力并減小沉降，該工點現場通過在高壓旋噴樁復合地基樁頂設置了0.6 m 厚中間夾100 kN/m 雙向土工格柵的碎石墊層，以協調在上部荷載下樁和樁間土的受力，現場復合地基樁頂加筋褥墊層布設如圖4 所示。

圖4 現場復合地基加筋褥墊層布設

3.1 同一填筑高度不同里程處樁土應力分布規律

通過斷面I、斷面Ⅱ和斷面Ⅲ的應力觀測結果來分析相同填筑高度下不同里程斷面處樁頂、樁間土的應力分布。斷面I 至斷面Ⅲ樁頂各土壓力盒的應力平均值及樁間土各土壓力盒的應力平均值隨路基填筑高度的變化分別如圖5—圖7 所示。

圖5 I 斷面位置應力圖

通過圖5—圖7 分析可知，I 至Ⅲ斷面位置樁頂及樁間土應力均隨著路基填筑高度的增加而不斷增加，但各階段增幅及規律又有一定差別。I 斷面在填筑完成后，樁頂及樁間土應力分別為251.9 kPa 和81.3 kPa，在路基填筑初期，當填筑高度小于1.5 m時，樁頂應力變化和樁間土應力變化規律基本保持一致，二者應力值相差較小，當路基填筑高度至1.8 m 時，二者變化規律出現明顯差別，樁間土應力的增速明顯低于樁頂土應力增速，樁頂土應力值也已大于樁間土應力值。Ⅱ斷面在填筑完成后，樁頂及樁間土應力分別為295.0 kPa 和70.46 kPa，在路基填筑初期，當填筑高度小于1.2 m 時，樁頂應力變化和樁間土變化規律基本保持一致，二者應力值相差較小；當填筑高度至1.5 m 時二者應力值已有一定差別，但并不明顯；當填筑高度至1.8 m 時樁頂應力值明顯大于樁間土應力值。Ⅲ斷面在填筑完成后，樁頂及樁間土應力分別為289.1 kPa 和74.2 kPa，在路基填筑初期樁頂及樁間土應力大小基本保持一致，當填筑高度至1.5 m 時，可明顯看出樁頂土應力增速開始大于樁間土應力增速，樁頂應力值也已大于樁間土應力值。

綜合分析以上I 至Ⅲ斷面應力變化可以看出，在路基填筑初期，上部荷載較小時，樁頂和樁間土共同承擔上部荷載且差別不大，樁土應力相差不大，但隨著路基填筑高度的增大，樁頂應力明顯大于樁間土應力，樁間土荷載有明顯的向樁頂轉移的趨勢；結合相關研究及現場試驗數據也可以得出路基在填筑過程中存在著臨界高度，當路基填筑高于該高度時，高壓旋噴樁樁頂應力會快速增加，而樁間土應力增加明顯變緩，也可以將臨界高度理解為土拱完全形成時的高度。高壓旋噴樁樁頂加筋墊層內土工格柵在工作中受上部路堤荷載會產生張拉力并發生拉伸變形，形成張拉膜效應。高壓旋噴樁剛度遠大于樁間土剛度，在上部路堤荷載下樁間土沉降明顯大于樁頂沉降，樁土差異沉降使得加筋墊層中土工格柵發生向下的撓曲變形，形成“網兜效應”并產生張拉力，張拉力的豎向分力可使樁間土應力向樁頂集中。在土拱和加筋墊層中土共格柵張拉膜效應、“網兜效應”的共同協調下使得樁間土應力向樁頂轉移，提高了復合地基的整體承載能力。土拱效應產生的必要條件是樁土差異沉降，在上部荷載較大時高壓旋噴樁有相較于墊層向上刺入的趨勢，樁間土也產生了較大的壓縮變形，樁土產生差異沉降，從而為土拱效應的產生提供了必要的條件，在現場幫寬路基邊坡位置腳墻施工過程中，通過腳墻基礎位置開挖的斷面，也可明確觀察到樁土產生的差異沉降，圖8 為現場觀察到的樁土差異沉降圖。

圖8 樁土差異沉降圖

路基填筑至48～94 d時為施工間歇期，間歇期內路基填筑高度為4.4 m，未進行填筑施工，可以看出在間歇期高壓旋噴樁樁頂應力和樁間土應力都有較小范圍變化，一方面是路基固結的作用，另一方面也反映出在靜置路基荷載作用下樁頂及樁間土應力會不斷地動態調整，以達到平衡的狀態。間歇期內樁間土應力呈略微減小的趨勢，樁頂土應力呈略微增加的趨勢，這也說明在此高度下土拱已完全形成，促進了樁間土應力向高壓旋噴樁的轉移過程。

3.2 同一填筑高度不同里程處樁土應力比分析

通過樁土應力比的分析，我們更為直觀地認識到隨著路基填筑高度的變化樁土應力分布規律，圖9 為現場I 至Ⅲ斷面位置隨著路基填筑高度的增加樁土應力比值變化。

圖9 I 至Ⅲ斷面樁土應力比與路堤填筑高度關系

通過圖9 可以看出，在路基填筑初期，各斷面位置樁土應力比在1 附近，這也充分說明在上部荷載較小時，樁和樁間土應力差別小，基本同步承擔上部荷載。隨著路基填筑高度的增加，在高度為1.5～2.4 m 時，樁土應力比快速增大，這說明此時樁間土的荷載已開始向樁頂轉移，樁頂應力開始集中，也反映出土拱及土工格柵的作用已經體現。隨著填筑高度的進一步增大，I 至Ⅲ斷面樁土應力比整體變化趨勢明顯變緩，但各斷面變化差異大，在Ⅱ、Ⅲ斷面一定高度范圍內還是會明顯增加，I 斷面位置樁土應力比的變化趨于平緩，隨著路堤高度的增加變化很小；Ⅱ斷面位置樁土應力比的變化先趨于平緩，然后在3.3～3.9 m 高度內有一較快增加，最后又趨于平緩；Ⅲ斷面位置樁土應力比基本趨于平緩，當填筑至4.4 m 以上高度時，有一較快增加。當路基填筑完成后，I 至Ⅲ斷面的樁土應力比為3.1、4.2 和3.9。

通過總結以上樁土應力比變化規律可以得出：隨上部路堤高度增加，樁和樁間土的應力分布處于一個不斷動態調整的過程，且這種過程與上部路基填筑高度有最為直接的關系；不同斷面位置因工程地質條件的不同也會對樁土應力的分布產生一定影響，但現場各斷面樁土應力比的整體變化規律基本一致；隨著路基填筑高度的增加，會在路基中形成明顯的土拱，土拱在加筋褥墊層的“協助”下使得樁頂應力明顯大于樁間土應力。在現場三個斷面中，Ⅱ斷面位置土拱效應、張拉膜效應及“網兜效應”共同協調樁間土應力向樁頂集中的作用強于I、Ⅲ斷面，結合現場資料發現，導致這種區別的主要原因是Ⅱ斷面位置地層較I、Ⅲ斷面更為濕軟，樁間土承載能力弱，促使更多的樁間土應力向樁頂集中。

4 結論

本文依托中蘭鐵路引入既有中川鐵路實際工程，通過現場試驗對幫寬段復合地基樁土應力分布規律展開研究，主要得到以下結論：

（1）本路堤在填筑過程的臨界高度在1.5～1.8 m 左右，當路堤填筑高于該高度時，高壓旋噴樁樁頂應力會快速增加，而樁間土應力增速明顯變緩；

（2）隨路基填筑高度增加，在土拱和加筋墊層中土工格柵張拉膜效應、“網兜效應”的共同協調下，樁土應力分布不斷調整；

（3）土拱在加筋褥墊層的“協助”下使得樁頂應力明顯大于樁間土應力，當路基填筑完成后，三個試驗斷面的樁土應力比分別為3.1、4.2 和3.9。