高速铁路CFG桩-帽-网结构路基沉降控制的现场试验研究

2012-05-14徐建业

铁道勘察 2012年4期

王建周俊徐建业

(1.铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251;2.西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031)

桩网结构路基，通常由上部路堤、水平拉筋垫层、桩复合地基、下卧层地基共同组成，如图1所示。它具有施工简便、费用相对较低、加固效果较好等优点，目前已成为我国高速铁路建设中地基处理主型措施之一。针对这一新型路基结构的相关研究已从理论分析、数值模拟、室内模型试验、现场测试等方面大量展开［1-7］，并取了较丰富的成果。端承条件下的工后沉降控制效果已为工程实践所验证，但存在深厚下卧层时的控制效果还为广大工程技术人员所担心，相关研究也不多见。

图1 桩网结构路基的组成

某高速铁路全线的轨道结构形式采用无砟轨道，对于工后沉降的要求达到了毫米级(一般路基工后沉降应小于等于15 mm［8］)。天津段地基表层为巨厚覆盖层，采用桩-帽-网结构作地基处理时桩无法穿透，工后沉降是设计人员关注的核心问题之一。为此，选择典型的路基现场工点进行了现场试验，系统测试了路堤荷载作用下的地基土、桩、路堤的沉降，并对测试数据进行了分析。

1 试验设计

1.1 工点概况

试验工点位于天津特大桥与青沧特大桥之间，试验段里程范围为DK190+124.0～DK190+356.2。工点附近地形平坦，地势开阔，线路以填方通过，路堤填高6.8～7.2 m，路基面宽13.6 m，边坡坡度1∶1.5。

主要地层自上而下分别为:黏土，黄褐色，硬塑，厚0～1.3 m，σ0=120 kPa;粉质黏土，黄褐色—灰褐色，软塑—硬塑，厚1.4～2.4 m，σ0=130 kPa;粉土，黄褐色、黑灰色、浅灰色，密实，潮湿，厚1.7～3.7 m;粉砂，灰黑色，稍密，饱和，含云母，夹10% ～15%的黏土，厚4.7 m，σ0=90～110 kPa;粉砂，黄褐色—浅黄色，密实，饱和，含云母，局部夹粉土薄层，含贝壳碎片，厚9.5～13.9 m;粉质黏土，黄褐色，软塑，含铁锈斑纹，厚4.6 m，σ0=140 kPa。

试验段DK190+140.0～DK190+191.0范围内地基以CFG桩-帽-网结构处理，桩径0.5 m，间距1.7 m，正方形布置，每排19根桩，共30排。桩长22.8 m左右，桩顶设直径1.0 m厚0.4 m的圆形桩帽，其上设0.6 m厚碎石垫层，垫层内夹铺两层强度为120 kN/m的土工格栅。

1.2 试验方案

测试断面里程为DK190+165，路堤高7.2 m，采用液位计、单点沉降计及沉降板测试了地基不同部位的桩顶及桩间土沉降，具体布置如图2所示。

图2 传感器布置(单位:m)

2 试验数据及分析

2.1 路堤填筑曲线

路堤填筑从2008年3月13日开始，于同年3月28日填至7.2 m，3月29日开始为期半年的堆载预压，堆载高度为3.5 m。路堤填筑曲线如图3所示。

2.2 液位计测试

液位计布置于左路堤坡脚附近、左路肩、左线中心及路基中心桩顶或桩间土顶面，测试数据如图4～图7所示。

图3 路堤填筑曲线

图4 左坡脚处桩顶与桩间土顶面沉降

图5 左路肩处桩顶与桩间土顶面沉降

图6 左线中心处桩顶与桩间土顶面沉降

由图4～图7可知，地基沉降变形曲线大致可分成三个阶段，即路堤(含堆载土层)填筑期(3月30日前)、静置一期(3月31日至6月5日)、静置二期(6月6日至9月30日)。

三个阶段的沉降速率依次减小，趋于稳定。各阶段不同部位的沉降及沉降速率如表1、表2所列。

由表1、表2可知，左坡脚、左路肩、左线中心及路基中心等处路堤填筑期内桩顶与桩间沉降占各自测得沉降的百分比分别为61%、76%，62%、65%，63%、64%，61%、65%，表明沉降主要(＞60%)发生在路堤填筑期间;各处填筑期末的桩土沉降差分别为18.26 mm、8.07 mm、3.55 mm、7.92 mm。

图7 路基中心处桩顶与桩间土顶面沉降

表1 地表不同部位沉降 mm

表2 地表不同部位沉降速率 mm/d

采用双曲线法进行沉降预测，可得以上各处桩顶及桩间土的最终沉降，如表3所列。

表3 实测沉降与双曲线法预测沉降 mm

计算公式如式(1)

式中:t为任一时刻，St为任一时刻的预测沉降，t0为预测起始时刻，S0为预测起始时刻的沉降，A、B为待定参数。

由表3可知，预压半年后工后沉降占总沉降的比例小于等5%，工后沉降均不超过3 mm，满足规范要求。

2.3 单点沉降计测试

单点沉降计监测CFG桩桩顶平面与底部埋设点之间桩间土的压缩沉降。布置3个测点于路基中心处，分别测试桩顶至桩底(地表以下23.4 m)、桩底以下1 m(地表以下24.4 m)、桩底以4 m(地表以下27.4 m)三个范围内桩间土的压缩沉降。测试结果如图8所示。

图8 单点沉降计测试结果

由图8可知，在路堤及超载土层填筑期间，路基中心附近两桩中间沉降量为33.08 mm，四桩中间土沉降量为33.3 mm，差值仅0.22 mm;观测期末的累积沉降量分别为50.73 mm、50.11 mm，差值0.62 mm。

由图8可知，CFG桩加固区桩间土的压缩变形可分为二段:路堤填筑期间和静置期。其中加固区范围内桩间土的总压缩变形为14.02 mm，填筑期间为12.5 mm，为总压缩量的89%，静置期间为1.52 mm，为总压缩量的11%;加固区及桩端以下1 m范围内桩间土的总压缩量为16 mm，其中下卧层的压缩量为1.98 mm，约为总压缩量的12%;加固区及桩端以下4 m范围内桩间土的总压缩量为32.14 mm，其中下卧层的压缩量为18.12 mm，约为总压缩量的56%。

由前述可知，路基中心处液位沉降计测得的桩间土沉降为54.09 mm，单点沉降计测得CFG桩加固区的压缩沉降为14.02 mm，为前者的26%，则下卧层沉降的占比为74%，是总沉降的主要组成部分。

2.4 沉降板测试

沉降板测试路基顶面(左右路肩、左右线中心、路基中心)在堆载预压(静置期间)的作用下所产生的沉降变形，不同时刻的测试结果如图9所示，路基中心处沉降与时间关系曲线如图10所示。

由图9可知，路基面沉降曲线成锅形分布，中间沉降量较大，两侧较小。由图10可知，随时间延长，沉降逐渐减小，趋于稳定，但2008年7月10日左右连降大雨，路肩及边坡受到冲刷，导致沉降骤增且在观测期末出现明显稳定的迹象。由地基沉降曲线(图7)可知，地基沉降逐渐趋于稳定，可以认为沉降骤增是由路基本体产生的。路基本体的沉降值如表4所列。

由表4可知，路堤本体的静置180 d时压缩沉降量为9.9 mm，为路堤填高的1.4‰。从沉降曲线看，路堤沉降尚未稳定，这主要是由于路堤填筑体没有完成相应的路堤面保护层、防冻层和防排水措施，而在此期间正逢雨季所致。因此，做好路基防水非常重要。

图9 路基面沉降测试结果

图10 路基面中心沉降-时间曲线

表4 路基本体180 d沉降值

2.5 分层沉降(磁环)测试

磁环式分层沉降管测试桩间土沿深度方向的沉降变形，测试结果如图11所示。图11中CFG桩顶和桩端处高程分别为3.4 m和－19.4 m。

由图11可知，观测期末路基中心处测得的桩间土总沉降为60.3 mm，与液位沉降计测试结果(54.09 mm)相比，前者约为后者的1.1倍。考虑到两种传感器埋设方式的差异，可以认为两种测试数据均有效。

图11 磁环式分层沉降管测试结果

由图11还可知，路堤及超载土层填筑完成时，上部磁环沉降量较大，下部沉降量较小，在静置时间2～3月以后，沉降曲线基本重合，沉降量几乎不再增加，趋于稳定。测试数据表明，若以静置180天时的地表沉降为基准，填筑结束时的沉降占比为62.7%，静置两个月后为91.8%;间地基土的沉降曲线可分成三段，分别为第一段3.4～－19.4 m(即加固区)、第二段－19.4～－30 m、第三段－30～－52 m，压缩沉降分别为12.9 mm、29.4 mm、18 mm。在填筑结束六个月时，下卧层沉降量占到了总沉降量的78.59%，几乎是加固区沉降量的4倍。加固区范围内的沉降也可分为三段，第一段为3.4～－9 m，沉降10.6 mm，约占82%，平均应变为0.85‰;第二段－9～－17 m，沉降0.6 mm，平均应变0.075‰;第三段－17～－19.4 m，沉降1.7 mm，平均应变0.71‰。可知加固区桩间土附加应力为上半部分(约占加固区的54%)及桩端附近(约占加固区19%)受力较大，中间部分受力较小。

由图11还可知，沉降变形影响深至地表以下52.7 m。将地基视为均匀体，采用BOUSSINISQU解计算该处的附加应力为45 kPa，该处地基原存应力约843～1 001 kPa(地基土层重度16～19 kN/m3)，附加应力为原存应力的4.5%～5.3%。考虑到下卧层沉降占比较大，在与工点地质条件类似情况下，以附加应力与原存应力比值表示，压缩层范围应计算至应力比5%处。