桩－筏(网)复合地基桩土应力比现场测试研究

陈宏伟，徐林荣

(中南大学土木工程学院，湖南长沙 410075)

桩土应力比是计算刚性桩(CFG桩、预应力管桩等)复合地基承载力和沉降量的重要指标，也是体现其工作状态的重要参数［1～2］。路堤荷载作用桩土应力比受桩体刚度、置换率、褥垫层厚度、土体特性等因素的影响，不同类型刚性桩复合地基，桩土应力比变化规律存在较大差异［3～4］。

目前国内外学者对刚性桩复合地基桩土应力比的研究主要从 4 个方面进行:模型试验［5～7］、现场测试［8～9］、理论计算［10～12］和数值模拟［13］，取得了丰富的研究成果，并在工程中应用，但也存在一定的局限性［14～15］。模型试验结果对工程具有借鉴意义，但难以体现实际路堤荷载形式;现场测试数据可靠，有时缺乏系统的对比分析;理论计算方法在工程实践中应用简单，却较难反映刚性桩复合地基受力变形的实际情况;数值模拟虽能较好解决桩土相互作用等问题，但由于本构关系复杂，计算参数和边界条件较难确定，难以在工程实践中应用。由于刚性桩复合地基桩、土、垫层相互作用机理复杂［16］，尚有待对桩土应力比进行深入研究。

工后沉降控制是高速铁路建设的关键技术之一，深厚软土地基是工后沉降控制的难题。沪宁城际高速铁路全长300.2km，路基比例高达34.66%，这对路基的工后沉降控制是极大的挑战。基于沉降控制设计理念，路基试验段采用了刚性桩复合地基，因其具有桩土共同承担荷载的优点，能有效提高地基承载力、减小工后沉降及不均匀沉降。本文通过现场测试获得了桩土应力变化规律，研究桩-筏(网)复合地基桩土应力比及荷载分担比变化规律，以期揭示路堤荷载作用下桩-筏(网)复合地基承载特性，为进一步理论研究及工程设计提供试验依据。

1 试验段概况

沪宁城际铁路采用无砟轨道，刚性桩复合地基试验段地处长江三角洲冲积平原，沟河纵横，水网密布，区域内多为软土地层，分布广，淤积深，局部深达40m，全线累计约有78km软土地段。试验段分别采用了CFG桩-筏复合地基(DK80+805，1号断面)、CFG桩-网复合地基(DK80+835，2号断面)和PHC桩-筏复合地基(DK80+935，3号断面)。里程及典型地质剖面如图1所示，地基土物理力学指标见表1。

图1 试验段地层剖面简图Fig．1 Stratigraphic section diagram of the test section

表1 试验断面地基土物理力学指标Table 1 Physico-mechanical indexes of the test section sub-soil

2 现场测试方案

2.1 CFG桩－筏复合地基

CFG桩强度 C20，桩径 0.5m，间距 1.8m，长16.5m，正方形布置。褥垫层厚0.6m，其上设C30钢筋混凝土筏板，厚0.5m，宽14.4m，单元长16.78m。筏板上填筑路堤后铺设无砟轨道。CFG桩-筏复合地基剖面见图2。采用钻孔法埋设量程为1.0MPa的钢弦式土压力盒，分别对桩顶、桩间土不同位置进行了土压力测试。土压力盒布置见图3。

图2 CFG桩－筏复合地基剖面图Fig．2 Profile of CFG pile-raft composite foundation

测试断面共埋设了21个土压力盒，编号从左至右，桩顶为单号(T1-1，T1-3，…，T1-19)，桩间土1/2桩距为双号(T1-2，T1-4，…，T1-18)，桩间土形心(T1-20)，桩间土1/4桩距(T1-21)。

2.2 CFG桩-网复合地基

图3 土压力盒布置图Fig．3 Arrangement of soil pressure cells

图4 CFG桩－网复合地基剖面图Fig．4 Profile of CFG pile-net composite foundation

CFG桩-网复合地基测试剖面如图4所示。CFG桩径0.5m，桩距1.8m，桩长8.0m，正方形布置。桩顶铺设0.5m厚中粗砂碎石垫层，其内铺设双层双向土工格栅。土工格栅抗拉强度为50kN/m，沿线路横断面方向铺设，幅宽4m，搭接宽度为0.1m，为保证土工格栅的整体性，幅之间用尼龙绳连结。碎石垫层土工格栅结构为:0.1m中粗砂+上层土工格栅+0.3m中粗砂+下层土工格栅+0.1m中粗砂。土压力盒及柔性位移计布置如图5所示。

该测试断面共埋设了19个土压力盒(路基左侧在土工格栅下方，右侧位于土工格栅上方，编号从左至右，桩顶为单号(T2-1，T2-3，…T2-19)，桩间土1/2桩距为双号(T2-2，T2-4，…T2-18)。

图5 传感器布置示意图Fig．5 Layout of the sensor distribution

2.3 PHC桩-筏复合地基

PHC桩-筏复合地基，预应力管桩桩径0.5m，间距2.4m，桩长36m，正方形布置。褥垫层厚0.6m，筏板厚0.5m。测试剖面如图6所示。在PHC管桩顶部和桩间土埋设了17个土压力盒(见图7)，桩顶为单号(T3-1，T3-3，…，T3-15)，桩间土1/2 桩距为双号(T3-2，T3-4，…，T3-14)，桩间土 1/4 桩距(T3-16、T3-17)。

图6 PHC桩－筏复合地基剖面图Fig．6 Profile of PHC pile-raft composite foundation

图7 桩土应力测点布置Fig．7 Layout of pressure cells

3 测试结果分析

3.1 桩土应力横向分布规律

桩土应力沿路基横向分布规律如图8所示。由图8可知，在3个测试断面桩顶和桩间土应力沿路基横向分布呈锯齿形，桩顶应力明显大于桩间土应力。

图8 桩土应力横向分布Fig．8 Lateral distribution of pile-soil stress

在路堤荷载作用下，由于桩体弹性模量远大于桩周土，桩土之间形成差异沉降，由于钢筋混凝土筏板刚度较大，强迫桩和桩间土沉降相同，大部分荷载由桩体承受，桩顶应力远大于桩间土，桩顶应力集中现象明显，荷载大部分由桩体承担，桩间土的承载荷载较小，CFG桩-筏复合地基桩顶最大荷载为 1056kPa，PHC桩-筏板复合地基桩顶最大荷载为 1084kPa。CFG桩-网复合地基桩顶应力集中程度随填土荷载的增加逐渐提高，桩间土应力衰减，这是由于桩土差异沉降较大，土工格栅和褥垫层逐渐在路堤内形成土拱，荷载向桩顶转移，使桩体承受了大部分荷载，桩顶最大荷载为962kPa。

3.2 桩间土应力变化规律

桩间土应力变化曲线如图9所示。

图9 桩间土应力变化曲线Fig．9 Soil stress curves between piles

实测结果表明:桩间土应力随着填土荷载的变化而相应发生变化，超载预压初期变化明显，超载预压期桩间土压力基本保持稳定，卸载后桩间土压力明显减小，随后逐渐稳定。

填筑初期，通过筏板和褥垫层对路堤荷载的调整，CFG桩-筏和PHC桩-筏复合地基桩间土承担荷载较大，随着填土荷载的增加，桩间土压力逐渐增大但趋势愈渐平缓，卸载后桩间土应力明显回弹，而后逐渐趋于稳定，CFG桩-筏复合地基桩间土应力平均值为198kPa，当上部荷载从填筑初期2.1m超载预压至5.1m时，PHC桩-筏复合地基桩间土应力平均增加1.8倍，在超载预压期间保持相对稳定平均值为67kPa。填筑初期CFG桩-网复合地基桩间土应力增长速率较慢，随着路堤荷载增加，上下层土工格栅桩间土应力存在明显差异，土拱逐渐形成和拉膜效应开始发挥作用，在超载预压期间，桩间土应力增长缓慢，表明在土拱作用下，土工格栅将更多荷载传递到桩顶，卸除超载至设计标高后，桩间土应力平均值稳定在398KPa。

3.3 土工格栅变形分析

柔性位移计可以测量土工格栅各点筋带拉伸变形，应变为变形值与位移计标距之比。土工格栅应变测试结果如图10所示。

图10 土工格栅应变曲线Fig．10 Strain curves of geogrid

测试结果表明，土工格栅应变随填土增高而增加，上层土工格栅应变明显大于下层土工格栅。桩间土形心位置土工格栅变形最大，桩顶处变形最小，这是由于桩土之间产生了差异沉降，使土工格栅的抗拉强度得到发挥。通过在褥垫层中设置双层双向土工格栅，对减小路堤不均匀沉降具有明显的效果。

3.4 桩土应力比与荷载分担比分析

3.4.1 桩土应力比

桩土应力比测试结果如图11所示。CFG桩-筏复合地基在填土初期阶段桩土应力比增加速率较快，在超载预压阶段仍然逐渐增大，最大值达到12.4。卸载后桩与桩间土都发生回弹，但CFG桩回弹量大于桩间土，桩土应力比仍继续增加，之后逐渐保持稳定(平均值7.6)。

图11 桩土应力比Fig．11 Pile-soil stress ratio

CFG桩-网复合地基桩土应力比增长速率较慢。随着上部荷载增加，桩土差异沉降逐渐扩大，桩土应力比逐渐增大，褥垫层和土工格栅形成土拱后荷载向桩顶转移。卸载后，桩土应力比逐渐变为稳定，褥垫层底部桩土应力比(平均值4.2)明显大于褥垫层顶部桩土应力比(平均值2.3)，这说明褥垫层和土工格栅对协调桩土受力起到了明显的作用，使CFG桩体承担更多荷载。

PHC桩-筏复合地基，由于预应力管桩刚度较大，桩顶应力集中现象明显，荷载基本由桩体承担，随着筏板上填土荷载的增加桩体分担的荷载比例逐渐增加，桩土应力比增大，卸载后桩土应比平均值为4.3，这说明刚度较大的筏板强迫桩顶沉降与桩间土相同，使桩间土承担部分荷载。

3.4.2 荷载分担比

荷载分担比随时间变化曲线见图12。

图12 桩－土荷载分担比Fig．12 Partitioned loading percentages pile-soil

CFG桩-筏复合地基在填筑开始阶段，桩间土承担大部分荷载(88.3%)，随着荷载增加，由于CFG桩的刚度远大于桩间土刚度，桩体承担的荷载比例迅速增加，卸载后桩和桩间土荷载分担比分别为67.8%和32.2%，这说明筏板和褥垫层能够起到较好的应力转移与传递作用。

在填筑初期CFG桩-网复合地基，桩体承受荷载较小，桩和桩间土荷载分担比分别为8.4%和91.6%，随着荷载的增加，褥垫层和土工格栅形成土拱，桩土的荷载分担比例在50%左右，这说明通过设置褥垫层和双向土工格栅能有效调节桩土荷载分担，更好地发挥桩间土的承载能力。

在加载初期PHC管桩承担荷载较小，其高承载性能未得到体现，随着荷载的增加，由于预应力管桩刚度远大于桩间土，筏板迫使桩顶承受更多的荷载，卸载后桩和桩间土荷载分担比分别为75.4%和24.6%。这说明预应力管桩承载能力强，承担了大部分路堤荷载，桩间土的承载力没有得到充分的发挥。

4 结论

(1)路堤荷载作用下桩-筏(网)复合地基桩顶和桩间土应力沿路基横向分布呈锯齿形，桩顶应力远大于桩间土，桩顶应力集中现象明显。

(2)桩间应力随着填土荷载的变化而相应发生变化，超载预压初期变化速率较大，卸载后桩间土压力明显减小，并逐渐稳定。

(3)复合地基桩土应力比与填土荷载呈非线性关系。在填筑初期桩土应力比增加速率较快，卸载后桩与桩间土都发生回弹，但桩回弹量大于桩间土，桩土应力比仍继续增加，卸载后逐渐稳定。褥垫层的设置能有效调整桩土应力比，减缓桩顶应力集中使桩间土承载能力得到发挥。

(4)在桩-筏(网)复合地基褥垫层中设置双层双向土工格栅，对减小路堤不均匀沉降具有明显的效果。褥垫层调整桩土荷载分担，保证桩土共同承担荷载起着明显效用，是保证桩与桩间土形成复合地基的一项重要措施。

(5)CFG桩-筏(网)复合地基桩间土发挥了较好的承载作用，PHC桩-筏复合地基，桩体承载能力强，桩顶应力集中现象明显，承担了大部分路堤荷载，桩间土的承载力没有得到充分的发挥。

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