PCC桩加固铁路软土地基现场试验研究

刘汉龙 ，周 密 ，陈育民 ，谢松兵，孙宏林

（1. 河海大学 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，南京 210098；2. 河海大学 土木与交通学院，南京 210098；3. 中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063）

1 引 言

软土地基处理方法很多，主要有桩基、水泥土搅拌桩、强夯法、真空预压、超载预压等。选择软土地基处理方法必须结合沉降控制标准、施工速度以及经济因素综合考虑。水泥土搅拌桩、真空预压、堆载预压等不能快速加载，施工工期长，制约工程进度。桩基础施工速度快，加固深度不受限制，适宜各种地质条件，并且路基工后沉降容易控制。在软土加固中使用桩网复合地基不仅可以发挥桩基的优势，而且可以有效利用天然地基承载力，扩大单桩加固范围，降低成本。桩网复合地基的主要目的是将路堤荷载通过桩体传递至较硬的地层或者基岩，以减少路堤的沉降。该技术非常适合于必须快速填筑以及总沉降和不均匀沉降控制严格并且软基下有坚硬持力层的地基。桩网复合地基是近年来发展起来的一种有效的处理软土地基的方法，该方法成功地解决了铁路路基工后沉降严格和施工周期短的两大技术难题。目前PHC桩、CFG等桩型的桩网复合地基已经在铁路路基加固中大量使用[1－2]。

现浇混凝土大直径管桩[3－4]（Cast-in-place concrete large-diameter pipe piles，以下简称PCC桩）是由河海大学刘汉龙等开发的一种新的地基处理技术，目前已获得8项国家专利，并获得中华人民共和国住房和城乡建设部发布的国家级行业标准[5]。PCC桩桩径大，混凝土用量省，可处理深层软土地基。该技术具有施工实用性强、施工质量控制方便、桩基检测容易、加固效果好等优点，特别是其单位加固面积综合单价与水泥土搅拌桩的费用相仿，经济优越性非常突出[6]。因此，采用 PCC桩桩-网复合地基对软基进行加固具有显著的沉降控制效果和明显的经济优越性。该桩具有刚性桩加固效果，而却仅有柔性桩加固费用，因此，具有很大的推广应用价值。该技术目前已经在江苏、浙江和上海等地高速公路工程推广应用[7－10]。铁路相对于公路对沉降控制以及路堤的稳定性提出了更高的要求。高速公路工后沉降控制标准为30 cm[11]；对于铁路，速度为200 km/h和250 km/h铁路路基一般路段工后沉降控制标准分别为15 cm和10 cm[12]。铁路特别是货运铁路线荷载相对于公路荷载较大，因此，其对地基的承载力有了更高的要求。并且铁路一旦某段出问题后，会影响整个线路甚至整个铁路系统的运营，造成的损失较大，因此，铁路地基无论是对地基的承载力，还是沉降控制要求都比公路高。这对地基的加固提出了更高的要求。

此次PCC桩首次在铁路上应用，因此，有必要对 PCC桩加固铁路地基的施工质量、地基承载特性、地基沉降特性和沉降控制效果等内容展开现场试验研究，为PCC桩在铁路路基加固处理的设计和应用提供依据。

2 工程概况

2.1 地质情况

试验段工程位于南京市，工程名称为南京南站联络线，设计时速为160 km/h，处理方式为PCC桩复合地基，标段编号为L1XDK10+260～L1XDK10+610。PCC段加固区域中心段位于水塘上，打桩前先将水塘水抽干，并开挖表层淤泥换填工程建筑垃圾碎石土 1.5 m，使得打桩机械设备及工程车能在地基上运行而不至陷入地基中。经沉降估算分析，工后沉降不满足控制标准，地基需加固处理。该地基复合地基承载力特征值的设计要求为 180 kPa。K388断面15 m以下和K560断面11 m以下均为强风化砂岩，为该地基的持力层；地表1.5 m为换填的建筑垃圾；换填层与持力层中间为淤泥质粉质黏土。试验段地基土的土体性质如图1所示。

图1 土体性质Fig.1 Soil properties

2.2 设计概况

PCC桩桩长为8～17 m，桩长以打穿软土层为桩长设计标准。其中K388断面桩长为16 m，K560断面桩长为 10 m。PCC桩直径为 1 m，壁厚为0.15 m，桩间距为2.5 m，三角形布置。由于此次是PCC桩首次在铁路地基上使用，故使用了保守设计（最小桩间距s =2.5 m）和最大壁厚（t =0.15 m）以增加工程安全系数。

桩身和桩帽均使用C20素混凝土浇筑，圆形桩帽的直径为 1.2 m，厚度为 0.2 m。桩帽上方铺设0.6 m厚碎石垫层，垫层中间铺设一层土工格栅，土工格栅屈服强度为180 MPa。

路堤高度为3 m，边坡坡率1:1.75，坡脚设排水沟。路堤于2009年5月30正式填筑，2009年7月2日完成填筑。

2.3 现场检测与监测情况

为研究 PCC加固铁路路基的变形特性及加固效果，开展了静载试验、开挖检测和小应变检测，同时对 L1XDK10+388（以下简称为 K388）和L1XDK10+560（以下简称为 K560）两个断面进行了全断面监测。监测内容为：桩土压力、孔隙水压力、水平位移、表面沉降、分层沉降、土工格栅张力等。仪器布置见图2所示。K388断面和K560断面布置形式完全一样，仅孔压计和分层沉降埋设深度依据加固区的深度不同而有所不同。其中桩A为路堤中心的PCC桩。现场监测工作从2009年5月30日开始，直至2009年12月25日结束。

图2 仪器布置剖面图Fig.2 Layout of instrumentations

3 质量检测

3.1 低应变检测

低应变动力测试技术主要是用弹性波测试检查地基桩体的完整性及长度，并可检查出桩体是否有裂缝、断裂、泥土流入以及缩颈、扩颈等桩体等缺陷。该测试技术的优点是：①测试方法简便，仪器便于携带；②效率高，可在测试现场即时得知准确的测试结果，根据测试现场所得出的测试曲线，便可得知桩体完整性的缺点和存在的问题以及桩体的长度；③测试结果准确性高；④测试过程对周围环境的干扰小；⑤测试成本较低。PCC桩检测采用激振点和接受点成90o夹角以获得最佳效果[13]。当入射波在桩身段遇到裂隙时会发生明显反射，表明该桩中间有断桩而产生的裂隙，如没有裂隙，波只会在桩底与土体的交界面上发生明显反射[14]。检测数量按10%比例控制。测试的典型波形如图3所示，从检测结果来看，本次低应变试验效果较好。由图可知，测试波波速正常，桩身无明显反射，桩底反射明显，该测试表明，该PCC桩桩身无裂隙。测试结果表明基于合适的激发和接收装置，采用低应变检测技术测试现浇大直径管桩的施工质量是可行的，检测结果能较好地反映现浇大直径管桩的施工质量。

图3 PCC桩低应变检测曲线Fig.3 Low strain test curve of PCC pile

3.2 静载试验

静载试验用以测试地基加固后的承载力。笔者对复合地基进行了现场检测，荷载板尺寸为 2 m×2 m，静载试验所加荷载为1 440 kN，采用逐级等量加载；分级荷载为最大加载量的1/10，其中第1级取分级荷载的2倍，最大加载量不少于特征值的两倍，每加一级荷载前后均读桩顶沉降数。

试验桩为现场随机选择，桩长为15 m。复合地基典型静载试验PS特征曲线如图4所示。由荷载-沉降曲线可知，在达到预定荷载1 440 kN时，对应的压力荷载为360 kPa，为设计荷载180 kPa的两倍。由图4可知，荷载-沉降曲线呈缓变型，由此可见，试验桩施加的荷载未达到极限荷载，充分保证了桩的承载力达到设计要求。由于PCC桩直径大，桩土接触面积大，侧摩阻力比等截面的实心桩大，故该桩承载力大且经济。

3.3 开挖检测

由于PCC桩直径较大且内部呈中空状，因此，可采用人工将桩芯土挖除的方法对管桩的施工质量进行检测，现场开挖是检测大直径管桩质量最直观、最有效的方法。在人工将桩芯土挖除后可自上而下直接观察混凝土桩身的完整性，该项工作应在桩基施工完工14 d后进行，因开挖检测费时、费力、同时还带有一定的风险，因此，应适当控制开挖检测的数量，一般单个工程可开挖2～3根。美国土木工程桩基规范定义桩基不同于其他结构的一个显著特征是当桩打入地基后，不能用常规的视觉方法去检测其施工质量[15]，PCC桩打破了这一传统认识，不同于其他桩基检测的一个优点是 PCC桩能直观地开挖检测。现场开挖检测如图5所示，由图可见，本次施工的PCC桩内外壁光滑，没有断桩、离析、缩径等不良现象，施工质量完好。

图4 静载试验P-S曲线Fig.4 Static load test P-S curve

图5 PCC桩施工后开挖检测Fig.5 Excavation inspection after PCC pile construction

4 试验结果分析

4.1 桩土荷载变化规律

K560与K388断面的桩土应力如图6所示，桩土荷载分担比如图7所示。由应力发展的规律大致可以分为4个阶段：第1阶段为填土初期，桩顶应力等于桩间土应力，该阶段土拱未形成，由于桩间土的面积为桩顶面积的3.77倍，故荷载主要由土体承担；第2阶段，随着填土的增加，土拱逐步形成，荷载从土体逐步转移到桩顶，在第2阶段结束时，桩顶应力继续大幅度增加，而桩间土应力变化微小，说明此时土拱完全形成，路堤填土高度达到土拱临界高度，该阶段桩的荷载分担比迅速增加，而土的荷载分担比逐渐减小；第3阶段土拱形成，填土高度大于土拱临界高度，由于固结产生沉降，桩土荷载进一步调整，更多的荷载传递到桩顶，然后逐步趋于稳定，桩的荷载分担比进一步增加，土的荷载分担比进一步减小，并最终趋于稳定。填土完成后由于土体固结作用使得桩间土应力减小，桩顶应力增加的这一现象也在其他桩型复合地基通过现场试验观测到[16]；第4阶段，桩顶和桩间土应力稳定、荷载分担比稳定。截至2009年12月25日监测结束时，K388和K560两断面的桩顶应力分布为127 kPa和125.6 kPa，桩间土应力分别为27 kPa和25.4 kPa；K388断面桩分担荷载55%，土分担荷载45%；K560断面桩分担 57%，土分担 43% 。由桩间土应力可知，土拱效应将大部分荷载传递到桩顶，减小了桩间土受力。

Fig6 桩土应力-时间关系曲线Fig.6 Stress of pile and soil vs. time curves

图7 荷载分担比-时间关系曲线Fig.7 Loading share ratio vs. time curves

4.2 沉降随荷载时间变化规律

断面K560与K388的桩顶和桩间土表面沉降分别如图8、9所示。K560断面（桩长为10 m）和K388断面（桩长为16 m）的PCC桩均打入持力层，由图8、9可知，PCC桩复合地基沉降特性大致可以分为4个阶段：第1阶段为填土初期，桩顶不发生沉降，桩间土缓慢沉降，桩土差异沉降等于土体沉降量，由于该阶段没形成土拱，桩承担的荷载小，且桩打穿了软土层，故基本没有沉降；第2阶段，随着填土的增加，土拱逐步形成，荷载从土体逐步转移到桩顶，该阶段桩顶逐步缓慢沉降，桩间土沉降迅速发展，该阶段桩顶沉降相对于桩间土沉降量很小，桩土差异沉降仍然近似等于桩间土沉降量；第3阶段土拱形成，桩顶和桩间土沉降继续发展，逐步以共同的速率沉降并逐步趋于稳定，桩间土差异沉降逐渐趋于稳定，加固区桩与桩间土将形成一个共同体整体承受荷载，整体下沉。由于该工地位于高架桥预制场附近，路堤填土完成后，重达130 t的运梁车将高架桥大跨度钢筋混土预制梁从该工地运送到其他工地安装，运梁车荷载产生的地基沉降也是该部分沉降的一部分；第4阶段，沉降稳定，桩土差异沉降稳定。监测结束时K388和K560断面桩顶沉降分别为41 mm和27 mm，桩间土表面沉降分别为127 mm和100 mm。由图8、9可知，沉降在填土结束后3个月内稳定。

图8 K560断面表面沉降-时间关系曲线Fig.8 Curves of surface settlement vs.time for section K560

图9 K388断面表面沉降-时间关系曲线Fig.9 Curves of surface settlement vs. time for section K388

4.3 沉降随深度变化规律

断面K560与K388的桩间土分层沉降分别如图10、11所示。第1阶段为填土初期，各个深度桩间土缓慢沉降；第2阶段，随着填土的增加，土拱逐步形成，表层桩间土沉降迅速发展，深层桩间土仍然发展缓慢；第3阶段土拱形成，各层桩间土逐步以共同的速率沉降并趋于稳定，各层桩间土的沉降差逐渐趋于稳定；第4阶段，沉降稳定，各层桩间土沉降差稳定。分层沉降与表面沉降有着良好的对应关系，也验证了沉降监测的正确性。由图10、11可知，加固区内的桩间土在阶段2和阶段3逐渐与桩形成一个共同体，共同承担荷载，在阶段3的后期，桩土共同体形成，整体下沉，后期沉降主要为非加固区土体固结而产生的沉降。

图10 K560断面分层沉降-时间关系曲线Fig.10 Curves of layered settlement vs.time for section K560

图11 K388断面分层沉降-时间关系曲线Fig.11 Curves of layered settlement vs.time for section K388

4.4 超孔压随时间荷载变化规律

断面K560与K388的桩间土超孔隙水压力如图12所示。第1阶段为填土初期，加固区内各个深度桩间土超孔压缓慢增加；第2阶段，随着填土的增加，加固区内超孔压逐步达到最大值；第3阶段，随着固结的发展，加固区内超孔压逐步消散；第 4阶段，超孔压消散完成。由图12可以知，最大超孔压在填筑结束时出现，最大值为25 kPa。由孔压消散图可知，由于土拱作用，填土荷载大部分被传递到桩上，加固区最大超孔压仅为25 kPa，并且填土完成后3个月基本消散。超孔压的消散、桩土应力和沉降变化有着较好的对应关系，这也验证监测中沉降、土压力以及超孔压监测结果的正确性。

图12 超孔隙水压力-时间变化曲线Fig.12 Excess pore water pressure vs. time curves

4.5 水平位移及土工格栅张力变化规律

从图13、14可以看出，管桩加固区的最大水平位移量为13 mm，其中K560最大水平位移出现在地表以下4 m处，K388出现在地表以下5.5 m处。边桩测得K560与K388断面路堤坡脚处水平位移分别为11 mm和10 mm，与图13、14最顶层的水平位移吻合较好。由边桩位移和地基沿深度的水平位移图可知，管桩由于其刚度较大所形成的复合地基可较好地限制路基的侧向变形，路基稳定性高，不会产生桥台、路基滑移现象。水平荷载试验表明，单桩壁厚12 cm，桩径1 m的PCC桩能抵抗80 kN的水平荷载[17]。与等截面积圆形实心混凝土桩相比[18]，在同等荷载条件下，PCC桩的最大水平位移约为圆桩的1/3，较大幅度地减小路基的侧向变形，提高了稳定性。土工格栅张力由柔性位移计的变形率结合土工格栅的抗拉材料属性计算获得。土工格栅张力在第1阶段和第2阶段迅速发展，在第3阶段末达到最大值，其最大张力为12.1 kN，远小于格栅能承受的最大张力216 kN。水平位移的观测结果表明，现浇大直径管桩复合地基软基处理方法非常好地控制了地基及路堤的侧向变形，确保了路基的稳定性，可以适应快速施工的要求。

图13 K560断面水平位移-深度变化曲线Fig.13 Curves of lateral displacement vs.depth for section K560

图14 K388断面水平位移-深度变化曲线Fig.14 Curves of lateral displacement vs.depth for section K388

5 结 论

（1）现场检测表明：PCC桩静载荷试验表明，直径为1 m，桩长为15 m的PCC桩复合地基的承载力为1 440 kN，满足了该铁路设计承载力要求。低应变检测结果表明，基于合适的击发和接收装置，采用小应变动测技术测试 PCC桩的施工质量是可行的，检测结果能较好地反映现浇大直径管桩的施工质量。开挖检测表明，施工的PCC桩内外壁光滑完整、没有断桩、离析、夹泥、凹陷、缩径等不良现象，施工质量较好。

（2）PCC桩桩网复合地基加固铁路路基沉降稳定快，路堤填筑结束后3个月可以达到稳定，满足了铁路路基快速施工的要求。

（3）现场加固试验区的观测结果表明，对于3 m高的路堤，最大沉降为12.7 cm，路堤填土结束后，经过 3个月，沉降达到了稳定。最大水平位移为13 mm，表明有PCC桩复合地基具有很好的抵抗水平变形的能力。现场加固试验区的观测结果还表明，15 cm的壁厚充分满足了铁路软基处理的承载力及管桩施工的工艺性要求，具有较好的经济性；现场深层水平和边桩位移观测数据表明，经现浇大直径管桩加固后的地基承载力高，具有很好的抵抗水平位移的能力，路基稳定性得到了很大的提高，路堤填筑过程中不存在失稳问题。

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