高速铁路沉降控制复合桩基的性状试验研究

徐林荣，王宏贵，左 王申，刘维正

（中南大学 土木工程学院，长沙 410014）

1 引 言

随着铁路运营速度的不断提高，对轨道平顺性的要求越来越高，工后沉降控制标准日趋严格。以固结排水法[1]、水泥土搅拌桩、碎石桩等柔性桩或半刚性桩竖向加固体复合地基[2]以及桩-网复合地基[3]为代表的常规地基处理方法，因有效加固深度、竖向增强体刚度和单桩综合承载性能（相对传统桩基）有限，应用于深厚软土地基处理存在明显局限性。由于能充分发挥桩的承载能力和沉降控制能力，沉降控制复合桩基处理技术应运而生，并于2005年首先应用于我国京津城际铁路几处松软土地基段，成为一种新型的高速铁路路基地基处理方式。此后沉降控制复合桩基广泛应用于我国在建高速铁路的软基处理工程。

沉降控制复合桩基顶部结构采用垫层加筏板的形式，也常称之为桩筏基础，源于建筑领域刚性疏桩的“减沉”理念。疏桩基础是现代桩-土共同作用理论的重要研究成果之一，是传统桩基与天然地基之间的过渡型基础形式，系指将常规基础设计的低承台摩擦型群桩（或端承作用较小的端承摩擦桩）的数量和间距进行精简疏布（一般5～6倍桩径或以上），与刚性承台底土体共同承载的桩基础。建筑工程领域对这一基础形式与地基处理技术进行了广泛的研究，分别通过室内模型试验[4－5]、实体工程测试试验[6－7]以及数值分析方法[8]，分析了桩-筏板-地基土的共同作用性状，研究了桩顶与筏板下土体反力变化分布规律、桩-土荷载传递及桩-土荷载分担比，以及沉降变形性状，并指出沉降控制复合桩基可充分发挥摩擦桩基础的极限承载力，从而有效减小或控制其沉降。

然而高速铁路沉降控制复合桩基作为一种新型的路基结构，与建筑基础相比，在上部结构物刚度、荷载形式和沉降控制标准方面存在较大差异。例如，由于基础刚度大小对复合桩基的工作性状有重要影响，高速铁路相对柔性的路堤结构效应不同于刚性基础；建筑地基要求的沉降一般不超过 120 mm，而无砟轨道路基的工后沉降控制在15 mm。因此，两者的承载机制必然相差较大，建筑领域内相对完善的刚性承台疏桩基础理论分析与设计方法不能简单应用于高速铁路路堤。

目前在高速铁路地基处理工程领域，相关研究人员[9－10]主要集中对 CFG 桩桩筏复合地基的沉降特性及变形规律进行现场试验研究，但该类刚性桩复合地基设计沿用传统设计方法，用桩数量大，采用小桩径、小桩间距的布桩方案，与沉降控制复合桩基的出发点不尽相同。而在铁路路基工程领域中，有关按疏桩理论设计的沉降控制复合桩基的现场试验及研究成果报道甚少[11－14]，理论研究严重滞后于工程实践。

鉴于沉降控制复合桩基在高速铁路地基处理工程中已被广泛推广应用，但其承载机制、变形规律、计算理论尚未成熟，也没相关经验可供参考，因此，开展现场原位试验研究十分必要。本文结合京沪高速铁路镇江试验段[15]开展了 CFG桩复合桩基处理工程的长期现场试验研究工作，全面观测了路基沉降变形、桩-土应力比和荷载分担比以及筏板应力随路堤填筑和固结时间变化的结果，为其沉降机制及计算分析方法研究积累了丰富的试验数据，并为优化其设计参数以及编制相关规范提供依据。

2 试验概况

2.1 试验段地基土的物理力学指标

试验工点位于京沪高速铁路镇江段 DK1073+500.6～DK1073+975.6，地形平坦，辟为水田、鱼塘。通过获取原状土样进行室内土工试验，得到试验段地基土的物理力学指标如表1所示。

2.2 试验设计

试验段沉降控制复合桩基设计断面参见图 1。路基底部宽为21 m，筏板宽为14.4 m。CFG桩桩长为14 m，桩径D为0.5 m，桩底端置于可压缩性土层上。筏板下桩间距为2.4 m（4.8D，D为桩径），筏板外侧桩间距为1.8 m（3.6D），均按正方形布置。桩顶铺设0.5 m厚的碎石垫层，筏板外侧垫层内铺设一层双向土工格栅。路堤高度为3.4 m，试验段另设置3 m高的预压土方。

现场选取观测断面埋设元件，主要观测与测试内容为:地基分层沉降、地表沉降、地基侧向（水平）位移、加固区及下卧层压缩量、路基面沉降、桩-土应力比、地表附加应力、筏板应力、土工格栅应力-应变、孔隙水压力等。现场埋设的观测仪器如图2所示。

图1 沉降控制复合桩基监测断面剖面图Fig.1 Test profile of composite pile foundation

图2 现场埋设的观测仪器Fig.2 Monitor instruments for stress and strain of foundation

3 沉降测试结果及分析

试验段沉降测试共采用了传统的沉降板、分层沉降管及新型测试元件单点沉降计分别对地基土沉降规律进行了测量，如图1所示。其中分层沉降管埋设于路基中心位置，单点沉降计布置在路基中心及路肩位置的桩间土表面，底端分别埋设于弱风化层（D2）、全风化层（D3、D4）及桩底位置（D1、D5）。按此埋设方案，可根据测量结果得到地表的总沉降量、加固区的压缩量以及下卧层的压缩量。

3.1 地基土沉降随荷载及时间的变化规律

沉降测试时间从筏板浇筑时起，至2010年 1月29日止，共计403 d。地基土在监测期间的沉降发展规律如图3～5所示。可见不同深度处各测点沉降发展规律类似，在路基填筑加载期和超载预压初期沉降发生较快，经预压后沉降均趋于稳定。其中分层沉降管测得地基中心桩间土最大沉降值为63 mm；单点沉降计测得加固区土体压缩量为31 mm，由地表至全风化层顶范围内的沉降量为41 mm。沉降板数据采集从路堤填筑时开始，至 2009年11月18日止，共计255 d。沉降板测得:筏板随荷载增加缓慢下沉，随着预压固结时间的增长，沉降变形速率越来越缓，最后逐渐趋于稳定状态。当荷载较小时，各测点下沉量基本相同；超载预压期间，筏板中心部位下沉量为13 mm，边缘位置平均下沉量为9 mm。沉降板与单点沉降计测试结果显示路基中心位置地基土压缩量略大于路肩处，表明筏板在路基荷载作用下发生了轻微弯曲。预压土方卸载后，地基土沉降略有回弹。

图3 分层沉降管测试结果Fig.3 Measured results of layered settlement gauges

图4 单点沉降计测试结果Fig.4 Measured results of single-point settlement sensors

图5 沉降板测试结果Fig.5 Measured results of settlement plates

3.2 地基土沉降沿深度方向分布规律

分层沉降管测得的试验段地基土沉降沿深度方向分布规律如图6所示。可见土体沉降量由上而下逐渐减小，地基土沉降主要发生在加固区范围内，桩底以下土层沉降量较小。这表明在垫层调节作用下，桩间土产生了较大的压缩量，体现了桩间土的承载作用。当填土荷载稳定后，下卧层沉降占地基土总沉降的比例稳定在25%左右，如图7所示。

图6 地基土沉降沿深度方向分布规律Fig.6 Variations of settlement with depth for subsoil

图7 下卧层压缩占地基土总沉降量比例Fig.7 Ratio of substratum settlement to total settlement

由于CFG桩体强度与弹性模量都较高，加固区沉降基于桩筏复合地基所采用的综合模量法或承载力比法分析时，由于没有考虑桩体刺入变形，加固区范围内土体压缩量计算结果相对于实际发生的沉降要小。沉降比的概念可被用来描述桩身范围内土层压缩量在总沉降中所占据比例，计算分析可得出桩筏基础沉降比随桩间距的增大而显著增大。相关模型试验成果也表明，桩距越大，桩身与土的相对滑移量就越大，桩端刺入量也越大[14]。

单点沉降计测得沉降控制复合桩基加固区桩间土压缩量为31 mm，分层沉降磁环测得同水平位置桩间土压缩量为40 mm，施工过程对分层沉降磁环影响较大，单点沉降计测试元件深埋地基土中，几乎不受施工干扰，测量精度较高；沉降板测试数据显示，施工期间总沉降量为13 mm，远远小于单点与分层测试数据。单点沉降计与沉降板测试结果对比表明，桩与桩间土存在差异沉降，这是因为桩间土参与承载，产生压缩变形的主要部分产生在加固区，达到75%，致使桩间土与桩身接触面发生明显的相对滑移。桩土产生的相对滑移变形造成桩顶区域存在负摩擦区。

从沉降测试结果来看，高速铁路沉降控制复合桩基桩土位移有别于房建领域桩筏基础，其沉降机制发生了变化，沉降控制复合桩基加固区内土体发生的沉降远大于下卧层沉降，这与其基于疏桩理论设计的背景是相符的。常规复合地基计算分析方法忽略了加固区范围内的桩-土相互作用，应用于沉降控制复合桩基沉降计算时产生了显著的计算误差。面临高速铁路路基沉降控制趋于“零沉降”的高标准要求，亟待改进并提出适合高速铁路复合桩基沉降计算方法。

4 土压力测试结果及分析

土压力盒埋设于测试断面桩顶及桩间土形心位置，埋设方案参见图8。测试时间从筏板浇筑时起，至2010年1月29日止，共计403 d。

4.1 土压力沿路基横向分布规律

由图8可见，路基荷载作用下，筏板外侧桩顶应力最大值为25 kPa，而筏板下方桩顶应力最大值为1650 kPa，明显高于筏板外侧。这一方面是由于坡脚处荷载较小造成的，另一方面也表明筏板下各桩的承载能力得到了更充分的发挥。

路基荷载作用下筏板下方桩-土应力呈锯齿状分布，桩顶应力明显高于桩间土。对比筏板下方各桩桩顶应力测试结果可见，边桩桩顶应力（T5）最大，中心桩（T9）次之，中间桩桩顶应力（T7）最小。这与刚性基础底部的应力分布规律相符。

图8 土压力沿路基横向分布Fig.8 Lateral distribution of earth pressure

4.2 桩土承载规律分析

测试断面桩-土应力比如图9～10所示。当填土荷载稳定后，筏板外侧桩-土应力比可视为一常数（约为1.2），卸载后又减小到1。筏板下方各处桩-土应力比在荷载稳定后仍然逐渐增大，最大值达到180，且在卸载后有明显的增长。结合沉降测试结果分析可知，卸载后复合地基沉降发生轻微回弹。由于桩-土模量的差异，桩顶回弹量要略多于桩间土，从而承担了更多的荷载，也就导致卸载后桩-土应力比显著增大。

图9 筏板下方桩-土应力比变化规律Fig.9 Variations of pile-soil stress ratio under raft

图10 筏板外侧桩-土应力比变化规律Fig.10 Variations of pile-soil stress ratio outside raft

测试断面桩-土荷载分担情况如图 11～12所示。在填筑初期，筏板下方的桩间土承担了较大的荷载，达到40%，说明了沉降控制复合桩基方案在初期相对于“有桩无土”的常规桩基础充分利用了浅层地基承载力。路基填筑至预定高度后，筏板外侧CFG桩承担荷载比例稳定在8%左右；而筏板下方CFG桩承担荷载比例则呈现明显的增长趋势，最大值达到90%。表明了在垫层的调节作用下，筏板底土体所受荷载随着地基土的固结下沉逐渐向桩顶转移，最终桩体成为承受上部荷载的主体。相比之下，筏板外侧CFG桩复合地基的桩体承载作用发挥明显不足，经济性较差。从优化设计的角度来看，可以采用桩长较小的 CFG桩或者成本更低的复合地基处理形式作为替代方案。

图11 筏板下桩-土荷载分担比变化规律Fig.11 Variations of pile-soil load sharing ratio under raft

图12 筏板外侧桩-土荷载分担比变化规律Fig.12 Variations of pile-soil load sharing ratio outside raft

由于筏板外的地基处理形式可以视为常规CFG桩复合地基，因此，测试结果也反映出沉降控制复合桩基与常规 CFG桩复合地基承载机制的差异。筏板的存在导致桩顶应力集中程度明显增加，强化了桩体承载作用。因此，沉降控制复合地基中桩-土应力比与CFG桩的荷载分担比均明显大于常规CFG桩复合地基，充分地发挥了桩体承载能力，从而可更好地控制沉降。

5 筏板力学性状测试结果及分析

沉降控制复合桩基中的筏板可显著加强各桩协同承载能力，并可加大上部荷载刚度，从而有效控制路基的总沉降及不均匀沉降，对沉降控制复合桩基的地基处理效果至关重要。本文在筏板内部沿路基纵向与横向分别布置钢筋计与应力计，全面测试了路基荷载作用下筏板的受力变形性状。数据采集从路堤填筑时开始，至2010年1月29日止，共计326 d。

5.1 筏板横向受力变形性状

由图13～14可见，在路基荷载作用下，筏板横向钢筋受力总体表现为底部处于受拉状态，顶部处于受压状态，钢筋应力由筏板中心向外略有减小。这表明筏板发生了轻微弯曲，与沉降测试结果相符。测试位置混凝土总体处于受压状态，局部轻微受拉，拉应变值为15×10-6。试验段筏板为双向配筋，测试过程中筏板横向钢筋最大拉应力为5.8 MPa，远小于钢筋抗拉设计强度300 MPa；混凝土最大拉应变为43×10-6，经验算混凝土最大拉应力为2.52 MPa，与混凝土抗拉强度标准值2.01 MPa相近，尚未达到极限值，混凝土未开裂。说明虽然筏板底部横向钢筋是按最小配筋率配置的钢筋，但仍然足够安全。

5.2 筏板纵向受力变形性状

由图15～16可见，沿路基纵向筏板内的钢筋及混凝土总体均处于受压状态。钢筋应力测试结果表明，筏板受力沿路基纵向变化不大，计算分析中可将其简化为平面应变问题。测试过程中筏板纵向钢筋最大压应力为9.3 MPa，远小于钢筋设计抗压强度（与钢筋抗拉强度相当）；混凝土最大压应变为83×10-6，经验算混凝土最大压应力 4.86 MPa，而混凝土抗压强度标准值为30 MPa，筏板混凝土与钢筋抗压强度尚未充分发挥。

图13 筏板横向钢筋应力分布规律Fig.13 Distribution of stress of transverse reinforcement in raft

图14 筏板横向混凝土应变分布规律Fig.14 Distribution of strain of transverse concrete in raft

图15 筏板纵向钢筋应力分布规律Fig.15 Distribution of stress of longitudinal reinforcement in raft

图16 筏板纵向混凝土应变分布规律Fig.16 Distribution of strain of longitudinal concrete in raft

6 结 论

（1）沉降控制复合桩基的桩间土在初期承担较大荷载，导致在桩顶处与桩间土出现差异沉降，其中地基土总沉降的75%发生在加固区；经超载预压后，各测点的沉降速率趋缓，沉降趋于稳定状态。

（2）现场土压力测试结果揭示，复合桩基的桩-土应力比与桩-土荷载分担比在路基填筑和预压期间随地基土的固结而增大，最后分别稳定在180与90%。

（3）路基荷载作用下筏板混凝土及钢筋应力-应变较小，筏板结构的厚度与配筋率可进一步优化。

（4）沉降控制复合桩基相对常规CFG桩复合地基的桩顶应力集中程度明显增加，充分发挥了桩体的承载能力，并实现了荷载深层传递，达到有效减小工后沉降的效果。

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