铁路地基中带桩帽的ＣＦＧ桩复合地基工程特性分析

谢登亮

摘要CFG桩复合地基设置桩帽对CFG复合地基的工程特性影响巨大，对桩帽尺寸的合理设计是实现协调承载和变形控制的技术关键。进行了1组CFG复合地基离心模型试验，测试了地基变形、桩身应变等数据。试验数据表明：在桩顶设置桩帽能有效发挥CFG桩的承载能力，提高地基的稳定性。

关键词离心模型试验；地基路堤；CFG桩复合地基；桩帽效应

前言

随着我国各项基础行业的高速发展，CFG桩复合地基技术已经得到了广泛的应用和认知。目前，国内铁路设计时速越来越快，为满足行车安全，这就要求整个路基结构必须稳定，连续，耐久。

本文针对铁路软土地基，采用带桩帽高强度桩复合地基技术的应用情况，利用土工离心模拟试验技术进行了1组带桩帽的桩复合地基的离心模型试验。测试了地基变形、桩身应变、筋带受力等数据。

1模型设计与试验方法

1.1试验设备及传感器

本次试验所使用的离心机某大学的TLJ-2型土工离心机，其主要性能指标为：离心机半径(摆动吊斗表面至主轴中心)3m；有效半径(模型重心至主轴中心)2，7m；加速范围10～200g；最大载荷1000～500kg；最大载荷时，吊斗底板最大挠度≤0.5mm；模型箱有效容积0.8m(长)×0.6m(宽)×0.6m(高)。

试验采用的传感器包括：3个沉降板一位移计(量测路堤中心地基表面的沉降)，15个桩身应变测试点(共测了3根桩，每根桩布置5个应变测点，分别距桩顶10，21.5，59、96.5，145mm)，10个筋带应变测试点(共测试2条筋带，每条筋带布置5个应变测点，分别距路堤中心0，80.5，155.5mm)，5个微型土压力盒(均位于路堤中心附近。3个布置于桩帽顶面，2个布置于相邻桩间土)。

1.2试验方案

1.2.1工点概况

试验模型尺寸由原型地基和路堤按模型率N=80换算得出，模拟了在3m桩间距条件下的2组带桩帽尺寸(880mm880mm)和无桩帽的路基。模型路堤高100mm，模型地基软土层厚150 mm，模型桩直径6.25mm，长度150mm，按正三角形布置，桩间距37.50mm(6倍桩径间距)，模型桩帽尺寸分别为0.11mm。

1.2.2模型材料

由于离心模型试验是以相似理论为基础的缩尺模型试验。所以模型试验用的材料与边界条件要满足相应的相似原则与条件。

a)地基软土

模型所用地基软土由王万线现场工点取回，其主要物理力学为：天然古水率为34.5％，密度为18.93 kN／m3，c=21.41 kPa，=8.63°。取样点位于地表下1m；由于距实验室较远，天气较热，尽管采取了密封措施途，但试样的水分难免会有所损失，其强度指标偏大。统计分析表明，平均值的0.95置信区间分别为c[13.48 kPa，29.94 kPa]，[5.33°，11.93°]。试验中取下置信界限c=13.48 kPa，=5.33°为强度控制指标。

在离心机中进行的固结试验表明，当软土地基制备含水率为37％时，在80g的离心机运行3h后，其固结强度与原型较为接近。

b)路堤填土

模型所用路堤填土由现场工点取回，为粉质粘土。重型击实试验的最佳古水率为10.4％，最大干密度为19.1kN／m³。

c)桩体材料

CFG桩材料为C15～C20混凝土，直径为50cm。按应变等效(EA相等)及密度等效原则，采用0.3mm厚白铁皮制作模型管桩，外径6.25mm，管内填充矿粉(重量等效)。

d)拉筋材料原型拉筋材料为土工格栅，若按模型比例缩小将无法实现。接强度相似原则，本次试验用抗拉强度375 MPa、延伸率8％的紫铜带模拟，带宽10mm，布置成30mm×30mm的网格，其强度等效为300kN／m的原格栅抗拉强度(该值明显大于50 kN／m的设计土工格栅强度是因为更低强度的铜带模型格栅在制作上出现了困难)。

e)桩帽材料

原型桩帽材料为C20～C25混凝土，厚400 mm。模型采用模置E=210×10³MPa的铁板来模拟，按抗弯刚度等效原则得铁板厚2.6mm，正方形边长为11mm。

1.3试验过程

模型地基制作完毕后，在n=80 g的离心加速度下周结3h，使模型地基软土强度与实际基本一致。然后，在预定位置布设模型桩，安装相应传感器，再在路堤坡脚范围内铺设细砂夹一层铜带的加筋垫层，再放上预制好的模型路堤，之后布设剖面变形测量网格。模型制作完成之后，即可按试验方案进行离心加载。

在模型试验正式加载前，为保证模型各部分，尤其是传感器的紧密接触，消除模型制作过程产生的一些不利影响，首先进行了在16g离心加速度条件下的2min预压。试验中，用一次成形的路堤来模拟原型路堤的分层填筑，模型路堤高100 mm，分成4次加载，每次加载按荷载等效的原则算出相应离心加速度。每层填筑时间按原型填筑45d进行换算，模拟路堤填筑施工期时间为180 d；之后模拟185d年的放置期，然后模拟为期4a的工后运行期。

整个试验过程包括制模、离心加载运转、拆模、数据记录等步骤，其中制模包括地基软土的配制、砂垫层的铺设、路堤模型的制作、相关传感器的加工和埋设，拆模后还将测试模型土层的相关物理力学数据，用于试验数据进行分析。

2试验结果与分析

2.1地基变形

试验数据表明，在桩间距为6倍桩径的情况下，加桩帽，地基变形逐渐减小。地基沉降随加载时间逐渐增加，路堤施工期增长较快，工后运营期逐渐减小。

当桩帽边长分别为11mm时，对应的地基施工期与工后沉降如表5所列。依据新建客运专线铁路设计暂行规定，时速300，250，200 km／h有砟轨道一般路段路基工后沉降量应不大于5,10,15cm。所对应的4a工后沉降分别为0.39mm，基本满足规范要求。桩帽边长的地基施工期与工后沉降

桩帽边长／mm

11

施工期／mm

3.92

工后沉降／mm

1.89

2.2桩体受力

试验数据表明，桩身应变沿桩深表现出先增大后减小的基本趋势。

数据表明，路堤填筑完成后的地基固结阶段，随着时间的增加，模型的桩身应变均表现出减小的趋势。

2.3垫层拉筋受力

试验数据表明，土工格栅应变值沿路基横向表现出在路堤中心及两侧边坡处较小，在左右路肩附近位置较大的基本规律，呈M形分布。

随时间延长，模型筋带应变逐渐增加，施工期、放置期及工后1a增长明显，其后趋于稳定。

3结论

在CFG桩顶布置桩帽能有效发挥桩的承载能力，调整桩和桩间土之间的荷载分配，提高地基稳定性；能实现减小地基变形、降低垫层拉筋受力、改善桩土受力的工程效果。CFG复合地基的桩帽尺寸对桩帽顶面和桩间土承受的压力及垫层拉力有重大影响，合理设置桩帽覆盖率是实现桩土协调承载和控制地基沉降变形的重要条件。