京沪高速铁路凤阳试验段载荷试验研究

高 峰

京沪高速铁路采用无砟轨道技术,对轨下路基的要求非常严格,因此常常采用CFG桩复合地基进行基底处理,使工后沉降能满足无砟轨道后期运营要求。而CFG桩质量和复合地基的承载能力将是保证这种地基处理方式正常工作的保障。论文以京沪高速铁路凤阳试验段载荷试验为研究对象,进行了不同地基处理方式下的对比分析。

1 工程基本条件

1.1 工程地质条件

试验工点区上覆风化土属第四系全新统冲积层,下伏基岩为元古界五河群峰山李组角闪岩,地层岩性叙述如下:①-1黏土(Qa13),厚5.4 m～7.6 m,w=25.44%,γ=19.1 kN/m3,e=0.82,Cu=37.3 kPa,φu=20.44°,av=0.35,Es0.1-0.2=6.02 MPa,Ps=0.4 MPa～3.2MPa,σ=160 kPa;①-2黏土(Qa13),厚4.9 m～8.95m,w=22.67%,γ=20.1 kN/m3,e=0.67,Cu=75.6 kPa,φu=27.3°,av=0.19,Es0.1-0.2=9.69 MPa,Ps=2.2MPa～6.6MPa,σ=200 kPa;②-1全风化角闪岩(Pt1z),厚2.5 m～6.5m;②-2强风化角闪岩(Pt1z),厚0m～3.6m。试验工点地下水较发育,埋深约0.1 m～0.8m,属孔隙潜水,无侵蚀性,主要受大气降水及地表水补给。

1.2 试验段设计方案

为比较不同设计参数条件下复合地基的优劣性,复合地基分成四个区(A～D区),A,B和C区为CFG桩帽结构,D区CFG桩筏结构;工点设计方案见表1。

表1 凤阳试验段复合地基设计方案m

2 现场试验研究

现场采用单桩承载力试验和单桩复合地基载荷试验,确定复合地基的承载力状况。通过对载荷试验过程中在桩顶与桩间土埋设土压力盒应力的分析,确定复合地基中桩土荷载分担特性。

单桩和单桩复合地基载荷均采用慢速维持荷载法。由千斤顶、油泵、反力大梁、配重铁块组成反力系统。试验仪器设备包括武汉岩海公司研制生产的RS-JYC桩基静载荷测试分析系统、电子数显位移传感器(精度0.01mm)、QY500-20C试验专用千斤顶(双油路)、静载试验反力装置和高压油泵加压系统等。

1)单桩试验加载方式。在受检桩上安放荷载板,将液压千斤顶置于荷载板上,千斤顶中心、荷载板中心与受检桩中心三者处于同一纵轴上,通过高压油泵和压力表控制加载,压重平台提供反力,由固定在基准梁上的百分表量测受检桩的沉降量。

2)单桩承载力确定标准。单桩竖向抗压静载试验主要依据JGJ 106-2003建筑基桩检测技术规范要求进行,采用慢速维持荷载方法。

3)单桩复合地基载荷试验加荷方式。试验主要依据JGJ 79-2002建筑地基处理技术规范要求进行。

4)单桩复合地基承载力特征值确定标准:a.当压力—沉降曲线上极限荷载能确定,而其值不小于对应比例界限的2倍时,可取比例界限;当其值小于对应比例界限的2倍时,可取极限荷载的一半;b.当压力—沉降曲线是平缓的光滑曲线时,可按相对变形值确定:对水泥粉煤灰碎石或夯实水泥土桩复合地基,当以卵石、圆砾、密实粗中砂为主的地基,可取s/b或s/d等于0.008所对应的压力;当以黏性土、粉土为主的地基,可取s/b或s/d等于0.01对应的压力。对有经验的地区,也可按当地经验确定相对变形值。按相对变形值确定的承载力特征值不应大于最大加载压力的一半。

5)桩土荷载分担和承载力发挥系数试验。载荷试验同时对桩土分担情况进行分析,研究载荷过程中桩土应力比和桩土荷载分担情况,分别在桩顶和桩间土中埋设土压力盒。数据采集用振弦式频率测试仪进行记录,采集时间、频率与载荷试验过程中变形观测记录一致。

3 现场检测试验成果分析

3.1 单桩载荷试验

本次单桩静载荷试验完成四根桩,分别为1号,4号,6号,10号的CFG试桩。选取代表性桩绘制出试验桩的Q—s曲线,如图1所示。

从图1可见,试验桩的Q—s曲线加载至1 540 kN时基本呈缓变形状;Q—s曲线加载至1 680 kN时出现明显下降趋势。依据规范规定,单桩极限承载力可取为1 540 kN,对应的沉降量为5.87mm;则单桩的承载力特征值为770 kN,对应的沉降量为1.88mm。

经对试验桩数据进行整理和计算,将其极限承载力和相应的承载力特征值汇总,如表2所示。

表2 试验段单桩载荷试验承载力取值表

从表2可见,桩径为0.5 m桩长分别为12m和10m时单桩极限承载力分别为1 820 kN,1 540 kN,桩径为0.4m桩长分别为12 m和9m时单桩极限承载力分别为1 260 kN,1 120 kN。同一直径的承载力特征值随着桩长增大而增大;同一桩长,随着桩径增大而增大。

最大加载量所对应的沉降量较大,最小值也达到46mm以上;极限承载力所对应的沉降量都在15mm以内,最大值接近14mm;承载力特征值所对应的沉降量更小,最大值才接近4mm。这说明设计单桩承载力控制在试验桩的承载力特征值范围内,可满足高速铁路所要求的沉降控制要求。

3.2 复合地基载荷试验

试验段共完成单桩复合地基载荷试验13处,A区桩号分别为34-M,41-M和49-M,B区分别为57-M,65-M,C区分别为178-L,185-L和193-L,D区分别为219-K,225-M和233-K。选取代表性桩233-K的复合地基载荷试验数据曲线,绘制如图2所示。

从图2可见,233-K桩复合地基的最终沉降量分别为19.15mm,289 kPa时对应的沉降量分别为1.58mm,对应的s/b值均小于0.01。故复合地基承载力特征值不小于最终加荷值的一半,按曲线延伸变化趋势,最终确定233-K桩复合地基的承载力特征值应为340 kPa。其值大于相应复合地基承载力设计值,说明承载力特征值满足施工设计承载要求,并存在提高承载力、控制沉降变形的发挥潜力。

经对复合地基载荷数据进行整理分析,将其复合地基载荷试验数据汇总,将各区进行数据比较分析,如图3所示。

从图3可见,随着施加荷载增加,沉降变形增大。荷载300 kPa之前,A区和B区的沉降变形量的差异性不明显,C区和D区的沉降变形量的差异性不明显;荷载300 kPa～400 kPa范围内时,A区,B区和C区的结构形式对沉降控制较好,D区结构形式对沉降控制较差;荷载400 kPa之后,各种结构形式对沉降控制都较差,但B区对沉降控制相对较好些。从A,B,C和D区综合来看,在以沉降变形控制为主的CFG桩复合地基设计过程中,单纯依靠加长CFG桩桩长,并不是提高CFG桩复合地基承载力的最有效的办法。要考虑到桩径、桩身强度对复合地基承载力的影响,以及复合地基载荷试验承压板影响深度的有限性。在承载力没有充分发挥的情况下,可适当增加桩间距或减小桩径,即为减小复合地基置换率。

4 结语

1)同一直径的单桩承载力特征值随着桩长增大而增大,同时,在同一桩长的条件下,单桩承载力随着桩径增大而增大。2)通过现场的抽样试验,设计CFG桩都在承载力特征值范围内,可满足高速铁路所要求的承载力要求。3)复合地基承载力特征值能满足施工设计要求,并存在承载力发挥的潜力。

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