深厚软土层CFG桩板复合地基加固效果评估

2011-01-15陈麟

铁道标准设计 2011年2期

陈麟

(中铁五局集团有限公司,贵阳 550002)

1 概况

哈大铁路客运专线新营口站位于营口大石桥市东南部老边区柳树镇附近,紧邻渤海湾及辽河入海口,系典型的滨海相沉积地层。站场内地层广泛分布有黏土(人工种植土)、粉质黏土、粉土、淤泥质粉质黏土等,松软土及软土富含有机质及腐殖质,见贝壳碎片,流塑、局部软塑。仅在站场南端西海特大桥桥台的钻探中揭示有全风化的元古代辽河群(Ptlh)及太古界鞍山群(Aran)片麻岩,其层顶厚度55 m。新营口站设计里程为DK217+241.6～DK219+500,其中DK217+241.6～DK219+005.68段为路堤,长度约1.76 km。路堤平均填土高度约7 m,地面高程1.810～7.025 m,地形平坦,地表主要为稻田、蔬菜大棚、鱼塘等。场地内淤泥质粉质黏土及饱和粉土互层,重度γ0=18.1～20.0 kN/m3,含水量w=24.9%～40.4%,黏聚力Cq=11.8～67.5 kPa,内摩擦角φq=4.5～29.2°,各土层特征值fk=80～200 kPa,如图1所示。

复合地基加固采用“桩(CFG桩、水泥搅拌桩)+0.1 m厚碎石垫层+0.5 m厚钢筋混凝土板(板两侧为0.5 m厚褥垫层)”的结构形式。CFG桩桩径0.5 m,桩长30 m(站台范围桩长25 m),间距1.5 m,呈梅花形布置；CFG桩中间插打水泥搅拌桩(以下简称MIP桩,与CFG桩错排布置),桩径0.5 m,桩长12 m,试验段测试元件布置见图2。

图1 新营口站平面及试验段地质剖面示意

图2 部分测试元件布置示意(单位：m)

2 复合地基施工及试验段实测

2.1 复合地基施工简要

2007年10月开始进行CFG桩的施工,完成第1根桩混凝土浇筑后,发现混凝土充盈系数达到1.53,之后按“隔一打一”方式进行第2根桩施工,当钻进约20 m深时,第1根已经灌注的桩头突然发生下沉,下沉量约2.4 m。经分析认为地层中、上部流塑状态的软土层是造成扩、窜孔的主要因素,随后又按“隔二打一”方式施工,充盈系数仍然维持在1.36～1.44水平上,而桩头下沉为0.5～1.2 m,有一定回落趋势。最后按“隔三打一”并调整混凝土坍落度、拨管速度等工艺参数进行施工,平均混凝土充盈系数为1.4,桩头下沉在0～0.3 m,基本解决了桩头下沉问题,见图3(a)～3(c)所示。由于采取“隔三打一”措施,同一排CFG桩(沿路基横断面)需要13个回合才能施工完毕,加上清理余土、钻机转移(并避让已成桩)等因素后,实际CFG桩施工效率降低约2/3,至2009年3月才完成复合地基的施工,扣除两个冬休期6个月,有效施工时间约12个月。如按正常“隔一打一”方式则约需5个月的有效施工时间即可完成。

图3 各施工阶段图片

从现场CFG桩施工所钻出的软土来看,基本呈青灰色软塑～流塑状,个别地段软土、松软土与饱和粉土互层,极个别情况下的软土与流塑状泥沼接近。

2.2 试验段测试布置

经过对车站地质纵断面及现场实际调查,考虑试验断面的代表性及无砟轨道施工时便于持续观测等因素后,选取DK217+680、DK217+700两处作为试验断面。所埋设的测试元件以观测CFG桩、MIP桩、桩间土、钢筋混凝土板、土工格栅、孔隙水压力、路基的垂直、水平位移等受力、变形情况为主,所用测试元件主要为受力和变形两大类,其中土压力盒、孔隙水压计、钢筋应变计为受力类测试元件,柔性传感器、单点沉降计、液位计、剖面沉降管、测斜管、磁环沉降管、沉降板及应变计为变形类测试元件,其布置如图2所示。

图4 桩及桩间土应力

2.3 测试结果

2.3.1 桩、土应力

表1为试验段路基实际施工时序,由图4可知,在路基本体施工期间,随着填土荷载的增加,CFG桩桩顶应力在0.25～1.75 MPa变化,路基中心处的桩顶应力为填土荷载自重压力的13.9倍,且离路基中心越远CFG桩桩顶应力越小。MIP桩桩顶应力则在39～210 kPa变化,从路基横断面来看,应力变化较小,如图4(a)、(b)所示；在填土→预压→卸载→无砟轨道施工过程中,路肩以内的CFG桩和MIP桩桩顶应力变化反映了荷载加载历史的变化。从图4(d)可知,地表处CFG桩桩-土应力比在15～281变化,而CFG桩与MIP桩桩顶应力比则在1.5～11.2变化,至2010年7月30日其比值分别维持在161.7、9.3；而MIP桩与桩间土的应力比则变化较小,平均为17.7。这充分说明,复合地基中的CFG桩是主要的承载构件,其桩土应力比随荷载的变化而呈正相关变化,MIP桩则主要对桩间土体起局部加固作用,加固区的桩间土承受的荷载非常小,从实测来看,桩顶下0～4 m范围实测的桩间土压在整个加载历史中均在4.5～11.0 kPa变化,至2010年7月30日地表处桩间土附加应力维持在9.4 kPa左右。

表1 试验段路基施工时序

2.3.2 孔隙水压

测试结果表明,加固区内孔隙水压与土体深度呈近似线性关系。各深度位置的孔隙水压力随着填土荷载的增加而增加,在堆载预压期间则有消散趋势,在整个施工期间孔隙水压则会随环境降水强弱而有所波动。而超孔隙水压基本为负值,最小值为-50 kPa。

2.3.3 变形及沉降

(1)地基沉降

图5 各类沉降时程

图5(a)、(b)为CFG桩桩顶及地表桩间土剖面沉降管的实测沉降时程曲线,从图中可知,桩顶最大沉降值为41.7 mm,发生最大沉降的测试日期为2010年7月24日；在钢筋混凝土板范围内沉降值波动很小,沉降曲线较板以外均匀；而桩间土的最大沉降值为44.6 mm,发生最大沉降的测试日期为2010年7月24日。图5(c)则系根据剖面沉降管路基中心处地表沉降记录整理出来的沉降曲线,可知复合地基沉降已经趋于收敛。

(2)分层沉降

根据单点沉降计的测试,图5(d)系地表以下0～30 m、0～40 m的分层压缩情况。至2010年7月30日,0～30 m复合地基加固范围压缩量6.5 mm,而地表以下0～40 m范围土体压缩量32.6 mm。可知复合地基的沉降主要来自下卧层,而下卧层的沉降约占总沉降的80%。

(3)邻近施工观测断面

图6则为邻近施工断面的沉降板观测情况,观测期内最大沉降值在40.2～44.4 mm。

根据评估单位审批的新营口站路基沉降评估报告显示,48个沉降板观测断面在堆载预压6个月后的累计沉降量在24.8～45.4 mm,其中最小值发生在DK217+310断面,最大值发生在DK217+950断面。

3 数值模拟分析

根据地勘报告提供的各土层参数并结合现场复合地基载荷试验结果以及加载强度(填土、预压、运梁荷载、无砟轨道施工等)、加荷速率情况,采用目前土工结构较流行的FLAC3D和Plaxis软件建模分析,以便在数值分析中用有限差分和有限元相互对照比较[2]。

图7(a)、(b)分别是两个软件的网格模型。由于对称关系,以路基中心为对称轴,取对称断面进行分析。模型的横向宽度取半个路基宽度的3倍,深度按土体竖向附加应力小于0.1倍的自重应力来确定。模型底部采用固定边界,侧表面限制其水平向位移,将CFG桩和MIP桩结构单元与土体单元进行耦合,地基土体视为摩尔-库伦理想弹塑性材料,路基填料、CFG桩、混凝土板等视为线弹性材料。为更好地模拟各单元之间的耦合情况,在有限元分析(Plaxis)中引入接触单元(Interface Element),用以模拟钢筋混凝土板、土工格栅、CFG桩、MIP桩等结构单元与土体之间的接触状况。

图7(c)为路基中心处CFG桩桩身附加应力分布情况(FLAC3D),其值在1.30～1.49 MPa变化,呈上下端大而中部略小的分布形态；图7(d)则是FLAC3D和Plaxis分别给出的桩间土附加应力的分布情况,由图可见,加固区内桩间土附加应力很小,在桩上部约28 m范围的附加应力值在1.54～12.17 kPa,平均约3.5 kPa。桩下部28～30 m段则突变至110～140 kPa,然后再随深度递减,正是由于桩板复合地基在深厚软土层中的这种荷载传递特性,说明其沉降主要来自下卧层,表2中Plaxis分析结果表明下卧层的沉降占总沉降的78.5%,与实测基本一致；图7(e)则为数值分析给出的施工阶段固结沉降曲线,从图中可知,堆载预压结束时的理论沉降量为59 mm,理论最终沉降量约为69 mm,可以满足工后沉降小于15 mm的要求。

图7 数值分析结果

4 现场实测与数值模拟比较

根据表2给出的现场实测与数值模拟结果,比较分析如下：

(1)CFG桩、MIP桩的桩顶应力实测值与理论分析结果在1.46～1.52 MPa,符合性较好。

表2 现场实测与数值分析部分结果对比

注：1.“邻近施工断面观测值”系DK217+950断面2010-6-25观测值,拟合后预测最终沉降为48.1 mm；

2.“试验段测试值”栏内复合地基总沉降值系0～40 m范围地层压缩值,而剖面管测试的地表总沉降值为44.6 mm,测试时间为2010-07-30,见图6(c)。

(2)实测桩顶0～4 m范围的桩间土附加应力分布与数值模拟基本一致。

(3)在分层沉降中：①数值分析复合地基加固区压缩量较单点沉降计实测值大8.33 mm。②数值分析表明,至2010年7月24日的沉降值为60.4 mm,最终沉降为68.8 mm。2010年7月24现场剖面管测试值为44.5 mm,而根据DK217+710断面实测系列拟合后最终沉降预测值为47.6 mm。理论分析与现场实测二者分别相差15.9、21.2 mm。③尽管实测与理论分析有一定差距,但理论分析所揭示的规律则与实测是一致的,如荷载传递规律、下卧层的沉降是总沉降的主要部分等。

(4)有关研究显示[4～5],营口地区淤泥质粉质黏土随应力水平增加表现出非线性流变特性,如图8所示。当复合地基加固区土的附加应力(有效应力)很小时,如本案例加固区仅在1.54～12.17 kPa之间,此时软土的非线性黏塑性黏滞系数变化很小且随时间增加近于水平直线。而土的附加应力在CFG桩底端则达到110～140 kPa。由图8可知,当土的有效应力为118 kPa时,塑性黏滞系数则呈明显的非线性变化。由此可见,正是由于桩板复合地基的这种以桩为主要传力构件的特性,使得加固区内尽管有软土存在,但因其有效应力很小,所以桩间土的固结变形亦很小,加固区的压缩变形则以复合地基压缩变形为主,但由于CFG桩的存在,加固区的压缩变形量有限,这也从理论上证明了桩板复合地基的沉降主要来自下卧层这一结论。

图8 营口地区软土黏塑性黏滞系数

尽管常用的本构关系(如摩尔-库伦模型等)尚不能全面描述软土的流变特性,但仍然可以对实测参数进行拟合,并与特定现场条件建立对应关系。所以,尽管理论分析与现场实测在量值上始终有所差异,但理论分析所揭示的规律性则是可信的。

(5)秦沈客运专线是我国最早修建的准高速铁路,为探索、研究软土地基加固的可靠性采用了当时主流的软土加固手段。以A-14标段为例[3],从DK271+040到DK280+600,路基长约9.6 km,软土地基加固形式有换填砂垫层、袋装砂井、粉喷桩、碎石桩、塑料排水板等。从62个观测断面实测沉降值来看,除个别将浅层软土挖除换填地段外,路堤施工2年后的沉降为120～380 mm,平均沉降量为200 mm。虽然其中也有粉喷桩、碎石桩等桩基加固形式,但主要还是以排水固结方式为主,况且粉喷桩、碎石桩等单一加固手段的荷载传递效率远不能和现在广泛采用的CFG复合地基相比,所以这一段路基在观测期内沉降量平均达到了200 mm,预测年均沉降速率达到了5.6～16.4 mm(指2002年6月后5年内的年均沉降速率)。由此可见,CFG复合地基技术具有较短施工周期、最终沉降和工后沉降很小的优势，是其他软土加固技术所无法比拟的。

与哈大客运专线先后开工建设的还有武广客运专线、京沪高速等也采用了CFG复合地基加固软土路基的案例。如武广客运专线清源境内某软土路基采用CFG桩(桩长20 m)+褥垫层的形式,由于桩基置于较可靠的(上古生界泥盆系上统天子岭组)灰岩层上[7],虽然达到了软土地基加固效果,但其桩-土应力比很小,桩的潜力尚未得到充分发挥。京沪高速某试验段的工程地质与新营口站类似,可作为持力层的粉砂层的层顶厚度达到33.6 m,经试验研究后[8],提出桩板结构具有较明显优势,并指出如采用桩网结构则宜增加桩帽的建议。

5 结语

结合新营口站工程地质、水文、复合地基加固方式、阶段施工特点等条件以及理论分析的情况,经上述比较分析后可以得出如下结论。

(1)深厚软土层桩板复合地基的承载特性

加固区土体附加应力无论是从实测(桩顶以下0～4 m)还是数值模拟的情况来看,平均只有数 kPa,分析表明在桩底端处土体附加应力增大至110～140 kPa后呈递减趋势,说明桩板复合地基有效地改变了加固区土体的结构,起到了类似刚性基础的作用,将上部荷载有效地传递至深层土体。

(2)深厚软土层桩板复合地基的变形特性

从本案例的实测与分析来看,加固区的压缩变形量主要由CFG桩板复合地基的设计参数决定,CFG桩在桩间土的侧向约束下,其压缩变形量有限。下卧层土体尽管仍然具有较大的可压缩性,但其压缩量则由其有效应力水平决定,随着深度的增加,土体自重应力越来越大,由上部荷载影响而产生的附加应力毕竟有限,因此最终沉降和工后沉降能够较好地得到控制,而下卧层的附加应力分布状况及其土体流变特性则决定了复合地基的最终沉降量。

(3)新营口站CFG桩板复合地基特点

①钢筋混凝土板主要起到将上部荷载较均匀地分配到CFG桩及MIP桩上,并对板范围内不均匀沉降有明显的改善作用。

②虽然MIP桩相对CFG桩较柔,但其对CFG桩间土的加固作用不可小视。特别当软土厚度大、与松软土互层时,在CFG桩间插入MIP短桩是值得采用的一种方法。

③根据路堤等恒载及活载分布情况,沿路基横向分区域设置长短CFG桩是明智的作法。

④根据调整后预压土高度的沉降观测拟合分析表明,当预压6个月后即可满足无砟轨道铺设评估技术条件要求。

从CFG复合地基加固技术发展来看,从单一桩到桩-网结构到桩-帽结构再到桩板(筏)结构,发展到插入MIP短桩、根据地基上部荷载特点进行长短CFG桩布置,应该说,新营口站复合地基正是这种多元复合地基的一种尝试。

(4)加固效果

从现场48个施工观测断面的沉降评估结果来看,新营口站路基观测期内的沉降在27.6～48.1 mm,预测工后沉降为1.4～4.4 mm,相邻断面工后沉降差3.1～3.8 mm,路桥过渡段差异沉降、折角均远小于规范值,满足无砟轨道铺设评估技术条件要求。

(5)建议

①复合地基如采用桩帽结构,如哈大客运专线新盖州站即为桩帽结构，因桩帽需投入大量一次性模板,其实际施工效率和成本并不比桩板结构低。因此,对于工程量较大的深厚软土层CFG复合地基,以采用桩板结构为宜。

②深厚软土层CFG复合地基工程量较大,仅新营口站CFG桩就达到110万m,约合40 000余根,不仅充盈系数达到1.4、且锯平桩头工作量就达到约4万个,加上“隔三打一”的低效率,应及时在概、预算定额中反映这些因素。

[1]铁道第三勘察设计院集团有限公司.哈大客运专线沈大施路-206A,哈大客运专线沈大施变路-204A施工图设计[Z].天津：铁道第三勘察设计院集团有限公司,2008.