樁－筏(網(wǎng))復(fù)合地基樁土應(yīng)力比現(xiàn)場測試研究

陳宏偉，徐林榮

(中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長沙 410075)

樁土應(yīng)力比是計算剛性樁(CFG樁、預(yù)應(yīng)力管樁等)復(fù)合地基承載力和沉降量的重要指標(biāo)，也是體現(xiàn)其工作狀態(tài)的重要參數(shù)［1～2］。路堤荷載作用樁土應(yīng)力比受樁體剛度、置換率、褥墊層厚度、土體特性等因素的影響，不同類型剛性樁復(fù)合地基，樁土應(yīng)力比變化規(guī)律存在較大差異［3～4］。

目前國內(nèi)外學(xué)者對剛性樁復(fù)合地基樁土應(yīng)力比的研究主要從 4 個方面進(jìn)行:模型試驗(yàn)［5～7］、現(xiàn)場測試［8～9］、理論計算［10～12］和數(shù)值模擬［13］，取得了豐富的研究成果，并在工程中應(yīng)用，但也存在一定的局限性［14～15］。模型試驗(yàn)結(jié)果對工程具有借鑒意義，但難以體現(xiàn)實(shí)際路堤荷載形式;現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)可靠，有時缺乏系統(tǒng)的對比分析;理論計算方法在工程實(shí)踐中應(yīng)用簡單，卻較難反映剛性樁復(fù)合地基受力變形的實(shí)際情況;數(shù)值模擬雖能較好解決樁土相互作用等問題，但由于本構(gòu)關(guān)系復(fù)雜，計算參數(shù)和邊界條件較難確定，難以在工程實(shí)踐中應(yīng)用。由于剛性樁復(fù)合地基樁、土、墊層相互作用機(jī)理復(fù)雜［16］，尚有待對樁土應(yīng)力比進(jìn)行深入研究。

工后沉降控制是高速鐵路建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)之一，深厚軟土地基是工后沉降控制的難題。滬寧城際高速鐵路全長300.2km，路基比例高達(dá)34.66%，這對路基的工后沉降控制是極大的挑戰(zhàn)?；诔两悼刂圃O(shè)計理念，路基試驗(yàn)段采用了剛性樁復(fù)合地基，因其具有樁土共同承擔(dān)荷載的優(yōu)點(diǎn)，能有效提高地基承載力、減小工后沉降及不均勻沉降。本文通過現(xiàn)場測試獲得了樁土應(yīng)力變化規(guī)律，研究樁-筏(網(wǎng))復(fù)合地基樁土應(yīng)力比及荷載分擔(dān)比變化規(guī)律，以期揭示路堤荷載作用下樁-筏(網(wǎng))復(fù)合地基承載特性，為進(jìn)一步理論研究及工程設(shè)計提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)段概況

滬寧城際鐵路采用無砟軌道，剛性樁復(fù)合地基試驗(yàn)段地處長江三角洲沖積平原，溝河縱橫，水網(wǎng)密布，區(qū)域內(nèi)多為軟土地層，分布廣，淤積深，局部深達(dá)40m，全線累計約有78km軟土地段。試驗(yàn)段分別采用了CFG樁-筏復(fù)合地基(DK80+805，1號斷面)、CFG樁-網(wǎng)復(fù)合地基(DK80+835，2號斷面)和PHC樁-筏復(fù)合地基(DK80+935，3號斷面)。里程及典型地質(zhì)剖面如圖1所示，地基土物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

圖1 試驗(yàn)段地層剖面簡圖Fig．1 Stratigraphic section diagram of the test section

表1 試驗(yàn)斷面地基土物理力學(xué)指標(biāo)Table 1 Physico-mechanical indexes of the test section sub-soil

2 現(xiàn)場測試方案

2.1 CFG樁－筏復(fù)合地基

CFG樁強(qiáng)度 C20，樁徑 0.5m，間距 1.8m，長16.5m，正方形布置。褥墊層厚0.6m，其上設(shè)C30鋼筋混凝土筏板，厚0.5m，寬14.4m，單元長16.78m。筏板上填筑路堤后鋪設(shè)無砟軌道。CFG樁-筏復(fù)合地基剖面見圖2。采用鉆孔法埋設(shè)量程為1.0MPa的鋼弦式土壓力盒，分別對樁頂、樁間土不同位置進(jìn)行了土壓力測試。土壓力盒布置見圖3。

圖2 CFG樁－筏復(fù)合地基剖面圖Fig．2 Profile of CFG pile-raft composite foundation

測試斷面共埋設(shè)了21個土壓力盒，編號從左至右，樁頂為單號(T1-1，T1-3，…，T1-19)，樁間土1/2樁距為雙號(T1-2，T1-4，…，T1-18)，樁間土形心(T1-20)，樁間土1/4樁距(T1-21)。

2.2 CFG樁-網(wǎng)復(fù)合地基

圖3 土壓力盒布置圖Fig．3 Arrangement of soil pressure cells

圖4 CFG樁－網(wǎng)復(fù)合地基剖面圖Fig．4 Profile of CFG pile-net composite foundation

CFG樁-網(wǎng)復(fù)合地基測試剖面如圖4所示。CFG樁徑0.5m，樁距1.8m，樁長8.0m，正方形布置。樁頂鋪設(shè)0.5m厚中粗砂碎石墊層，其內(nèi)鋪設(shè)雙層雙向土工格柵。土工格柵抗拉強(qiáng)度為50kN/m，沿線路橫斷面方向鋪設(shè)，幅寬4m，搭接寬度為0.1m，為保證土工格柵的整體性，幅之間用尼龍繩連結(jié)。碎石墊層土工格柵結(jié)構(gòu)為:0.1m中粗砂+上層土工格柵+0.3m中粗砂+下層土工格柵+0.1m中粗砂。土壓力盒及柔性位移計布置如圖5所示。

該測試斷面共埋設(shè)了19個土壓力盒(路基左側(cè)在土工格柵下方，右側(cè)位于土工格柵上方，編號從左至右，樁頂為單號(T2-1，T2-3，…T2-19)，樁間土1/2樁距為雙號(T2-2，T2-4，…T2-18)。

圖5 傳感器布置示意圖Fig．5 Layout of the sensor distribution

2.3 PHC樁-筏復(fù)合地基

PHC樁-筏復(fù)合地基，預(yù)應(yīng)力管樁樁徑0.5m，間距2.4m，樁長36m，正方形布置。褥墊層厚0.6m，筏板厚0.5m。測試剖面如圖6所示。在PHC管樁頂部和樁間土埋設(shè)了17個土壓力盒(見圖7)，樁頂為單號(T3-1，T3-3，…，T3-15)，樁間土1/2 樁距為雙號(T3-2，T3-4，…，T3-14)，樁間土 1/4 樁距(T3-16、T3-17)。

圖6 PHC樁－筏復(fù)合地基剖面圖Fig．6 Profile of PHC pile-raft composite foundation

圖7 樁土應(yīng)力測點(diǎn)布置Fig．7 Layout of pressure cells

3 測試結(jié)果分析

3.1 樁土應(yīng)力橫向分布規(guī)律

樁土應(yīng)力沿路基橫向分布規(guī)律如圖8所示。由圖8可知，在3個測試斷面樁頂和樁間土應(yīng)力沿路基橫向分布呈鋸齒形，樁頂應(yīng)力明顯大于樁間土應(yīng)力。

圖8 樁土應(yīng)力橫向分布Fig．8 Lateral distribution of pile-soil stress

在路堤荷載作用下，由于樁體彈性模量遠(yuǎn)大于樁周土，樁土之間形成差異沉降，由于鋼筋混凝土筏板剛度較大，強(qiáng)迫樁和樁間土沉降相同，大部分荷載由樁體承受，樁頂應(yīng)力遠(yuǎn)大于樁間土，樁頂應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，荷載大部分由樁體承擔(dān)，樁間土的承載荷載較小，CFG樁-筏復(fù)合地基樁頂最大荷載為 1056kPa，PHC樁-筏板復(fù)合地基樁頂最大荷載為 1084kPa。CFG樁-網(wǎng)復(fù)合地基樁頂應(yīng)力集中程度隨填土荷載的增加逐漸提高，樁間土應(yīng)力衰減，這是由于樁土差異沉降較大，土工格柵和褥墊層逐漸在路堤內(nèi)形成土拱，荷載向樁頂轉(zhuǎn)移，使樁體承受了大部分荷載，樁頂最大荷載為962kPa。

3.2 樁間土應(yīng)力變化規(guī)律

樁間土應(yīng)力變化曲線如圖9所示。

圖9 樁間土應(yīng)力變化曲線Fig．9 Soil stress curves between piles

實(shí)測結(jié)果表明:樁間土應(yīng)力隨著填土荷載的變化而相應(yīng)發(fā)生變化，超載預(yù)壓初期變化明顯，超載預(yù)壓期樁間土壓力基本保持穩(wěn)定，卸載后樁間土壓力明顯減小，隨后逐漸穩(wěn)定。

填筑初期，通過筏板和褥墊層對路堤荷載的調(diào)整，CFG樁-筏和PHC樁-筏復(fù)合地基樁間土承擔(dān)荷載較大，隨著填土荷載的增加，樁間土壓力逐漸增大但趨勢愈漸平緩，卸載后樁間土應(yīng)力明顯回彈，而后逐漸趨于穩(wěn)定，CFG樁-筏復(fù)合地基樁間土應(yīng)力平均值為198kPa，當(dāng)上部荷載從填筑初期2.1m超載預(yù)壓至5.1m時，PHC樁-筏復(fù)合地基樁間土應(yīng)力平均增加1.8倍，在超載預(yù)壓期間保持相對穩(wěn)定平均值為67kPa。填筑初期CFG樁-網(wǎng)復(fù)合地基樁間土應(yīng)力增長速率較慢，隨著路堤荷載增加，上下層土工格柵樁間土應(yīng)力存在明顯差異，土拱逐漸形成和拉膜效應(yīng)開始發(fā)揮作用，在超載預(yù)壓期間，樁間土應(yīng)力增長緩慢，表明在土拱作用下，土工格柵將更多荷載傳遞到樁頂，卸除超載至設(shè)計標(biāo)高后，樁間土應(yīng)力平均值穩(wěn)定在398KPa。

3.3 土工格柵變形分析

柔性位移計可以測量土工格柵各點(diǎn)筋帶拉伸變形，應(yīng)變?yōu)樽冃沃蹬c位移計標(biāo)距之比。土工格柵應(yīng)變測試結(jié)果如圖10所示。

圖10 土工格柵應(yīng)變曲線Fig．10 Strain curves of geogrid

測試結(jié)果表明，土工格柵應(yīng)變隨填土增高而增加，上層土工格柵應(yīng)變明顯大于下層土工格柵。樁間土形心位置土工格柵變形最大，樁頂處變形最小，這是由于樁土之間產(chǎn)生了差異沉降，使土工格柵的抗拉強(qiáng)度得到發(fā)揮。通過在褥墊層中設(shè)置雙層雙向土工格柵，對減小路堤不均勻沉降具有明顯的效果。

3.4 樁土應(yīng)力比與荷載分擔(dān)比分析

3.4.1 樁土應(yīng)力比

樁土應(yīng)力比測試結(jié)果如圖11所示。CFG樁-筏復(fù)合地基在填土初期階段樁土應(yīng)力比增加速率較快，在超載預(yù)壓階段仍然逐漸增大，最大值達(dá)到12.4。卸載后樁與樁間土都發(fā)生回彈，但CFG樁回彈量大于樁間土，樁土應(yīng)力比仍繼續(xù)增加，之后逐漸保持穩(wěn)定(平均值7.6)。

圖11 樁土應(yīng)力比Fig．11 Pile-soil stress ratio

CFG樁-網(wǎng)復(fù)合地基樁土應(yīng)力比增長速率較慢。隨著上部荷載增加，樁土差異沉降逐漸擴(kuò)大，樁土應(yīng)力比逐漸增大，褥墊層和土工格柵形成土拱后荷載向樁頂轉(zhuǎn)移。卸載后，樁土應(yīng)力比逐漸變?yōu)榉€(wěn)定，褥墊層底部樁土應(yīng)力比(平均值4.2)明顯大于褥墊層頂部樁土應(yīng)力比(平均值2.3)，這說明褥墊層和土工格柵對協(xié)調(diào)樁土受力起到了明顯的作用，使CFG樁體承擔(dān)更多荷載。

PHC樁-筏復(fù)合地基，由于預(yù)應(yīng)力管樁剛度較大，樁頂應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，荷載基本由樁體承擔(dān)，隨著筏板上填土荷載的增加樁體分擔(dān)的荷載比例逐漸增加，樁土應(yīng)力比增大，卸載后樁土應(yīng)比平均值為4.3，這說明剛度較大的筏板強(qiáng)迫樁頂沉降與樁間土相同，使樁間土承擔(dān)部分荷載。

3.4.2 荷載分擔(dān)比

荷載分擔(dān)比隨時間變化曲線見圖12。

圖12 樁－土荷載分擔(dān)比Fig．12 Partitioned loading percentages pile-soil

CFG樁-筏復(fù)合地基在填筑開始階段，樁間土承擔(dān)大部分荷載(88.3%)，隨著荷載增加，由于CFG樁的剛度遠(yuǎn)大于樁間土剛度，樁體承擔(dān)的荷載比例迅速增加，卸載后樁和樁間土荷載分擔(dān)比分別為67.8%和32.2%，這說明筏板和褥墊層能夠起到較好的應(yīng)力轉(zhuǎn)移與傳遞作用。

在填筑初期CFG樁-網(wǎng)復(fù)合地基，樁體承受荷載較小，樁和樁間土荷載分擔(dān)比分別為8.4%和91.6%，隨著荷載的增加，褥墊層和土工格柵形成土拱，樁土的荷載分擔(dān)比例在50%左右，這說明通過設(shè)置褥墊層和雙向土工格柵能有效調(diào)節(jié)樁土荷載分擔(dān)，更好地發(fā)揮樁間土的承載能力。

在加載初期PHC管樁承擔(dān)荷載較小，其高承載性能未得到體現(xiàn)，隨著荷載的增加，由于預(yù)應(yīng)力管樁剛度遠(yuǎn)大于樁間土，筏板迫使樁頂承受更多的荷載，卸載后樁和樁間土荷載分擔(dān)比分別為75.4%和24.6%。這說明預(yù)應(yīng)力管樁承載能力強(qiáng)，承擔(dān)了大部分路堤荷載，樁間土的承載力沒有得到充分的發(fā)揮。

4 結(jié)論

(1)路堤荷載作用下樁-筏(網(wǎng))復(fù)合地基樁頂和樁間土應(yīng)力沿路基橫向分布呈鋸齒形，樁頂應(yīng)力遠(yuǎn)大于樁間土，樁頂應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯。

(2)樁間應(yīng)力隨著填土荷載的變化而相應(yīng)發(fā)生變化，超載預(yù)壓初期變化速率較大，卸載后樁間土壓力明顯減小，并逐漸穩(wěn)定。

(3)復(fù)合地基樁土應(yīng)力比與填土荷載呈非線性關(guān)系。在填筑初期樁土應(yīng)力比增加速率較快，卸載后樁與樁間土都發(fā)生回彈，但樁回彈量大于樁間土，樁土應(yīng)力比仍繼續(xù)增加，卸載后逐漸穩(wěn)定。褥墊層的設(shè)置能有效調(diào)整樁土應(yīng)力比，減緩樁頂應(yīng)力集中使樁間土承載能力得到發(fā)揮。

(4)在樁-筏(網(wǎng))復(fù)合地基褥墊層中設(shè)置雙層雙向土工格柵，對減小路堤不均勻沉降具有明顯的效果。褥墊層調(diào)整樁土荷載分擔(dān)，保證樁土共同承擔(dān)荷載起著明顯效用，是保證樁與樁間土形成復(fù)合地基的一項(xiàng)重要措施。

(5)CFG樁-筏(網(wǎng))復(fù)合地基樁間土發(fā)揮了較好的承載作用，PHC樁-筏復(fù)合地基，樁體承載能力強(qiáng)，樁頂應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，承擔(dān)了大部分路堤荷載，樁間土的承載力沒有得到充分的發(fā)揮。

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