不同垫层下管桩复合地基现场对比试验研究

邵国霞,苏　谦,尹紫红,李　婷,谢　康,曹政国

(1.西南交通大学土木工程学院,四川 成都 610031; 2.中铁二院工程集团有限责任公司,四川 成都 610031)

对于一般路基的工后沉降铁路客运专线要求控制在15 mm以内,为了满足此严格要求,在客运专线深厚软土地基处理上大范围地应用了桩-网、桩-筏复合地基进行加固.桩-网复合地基通常在碎石垫层里加铺土工格室、土工格栅等加筋体,使地基在水平方向和竖直方向对抗变形的能力得到增强,提高地基承载力,减小地基沉降.桩-筏复合地基是通过桩顶设置的混凝土板将上部荷载充分传递到桩上面.不同型式的复合地基作用特性各不相同,为了选择合理的地基处理型式,对不同型式的复合地基的工作特性进行对比分析显得尤为重要.

国内外学者通过试验加筋垫层作用机理对桩网复合地基、桩板复合地基进行了研究[1-15],但多数只是针对具体的某一型式的复合地基或加筋垫层进行研究.本文在某客运专线某试验段分别对管桩+钢筋混凝土板复合地基、管桩+桩帽+土工格室复合地基、管桩+桩帽+土工格栅复合地基3种加固型式的桩土应力、沉降及垫层受力和变形进行了测试,研究不同加筋垫层条件下管桩复合地基受力和变形规律,并且将柔性垫层下和刚性垫层下管桩复合地基受力和变形特性进行了对比分析.研究结果可为深厚软土地基处理提供参考,指导工程实践中选择最佳的处理方式加固深厚软土,达到较好的技术、经济效果.

1　试验段概况

某无砟轨道客运专线的设计时速为350 km/h,管桩复合地基试验段范围覆盖层由黄淮冲积形成,表层为第四系全新统冲积层(Q4al)黏性土、粉土偶夹薄层砂类土,其下为上更新统冲积层(Q3al)黏性土、粉土地层.试验段范围浅层松软土地层(可压缩层)厚度约为30～49 m.试验段分别采用了预应力管桩+钢筋混凝土板复合地基(DK280+228)、预应力管桩+桩帽+土工格室复合地基(DK280+651)、预应力管桩+桩帽+土工格栅复合地基(DK281+347.10).

2　现场试验方案

各试验段地基剖面及测试元器件布置如图1所示.试验段DK280+228设计为预应力管桩+钢筋混凝土筏板复合地基,采用PHC高强度预应力混凝土管桩,桩径为0.4 m,桩间距为2.4 m,正方形布置,长为35.0 m,桩顶铺设0.2 m的碎石垫层,其上铺0.6 m 的C45钢筋混凝土筏板.

(a)预应力管桩+钢筋混凝土筏板复合地基(b)预应力管桩+桩帽+土工格室复合地基(c)预应力管桩+桩帽+土工格栅复合地基剖面图图1　地基剖面及测试元器件布置图(单位：m)Fig．1　Foundationprofileandtestcomponentlayout(unit：m)

试验段DK280+651设计为预应力管桩+桩帽+土工格室复合地基,采用PHC高强度预应力混凝土管桩,桩径为0.4 m,桩间距为2.2 m,正方形布置,桩长为32.0 m;桩帽截面为0.8m×0.8 m×0.3 m,混凝土强度为C45;桩帽顶部铺设0.6 m的碎石垫层,其内铺设抗拉强度不低于200 kN/m的土工格室,在垫层上部设置盐渍土隔断层,由0.2 m厚中粗砂夹铺一层复合土工膜组成.

试验段DK281+347.10设计为预应力管桩+桩帽+土工格栅复合地基,采用PHC高强度预应力混凝土管桩桩径为0.4 m,桩间距为2.4 m,正方形布置,桩长32.0 m;桩帽截面为1.2 m×1.2 m×0.35 m,强度为C45;桩帽顶部铺设0.6 m的碎石垫层,其内铺设一层抗拉强度不低于250 kN/m的土工格栅,在垫层上部设置盐渍土隔断层,由0.2 m 厚中粗砂夹铺一层复合土工膜组成.

3　试验结果对比分析

3.1　桩顶应力、土压力分析

由于路基结构横向对称,测试所得桩顶应力和桩间土压力沿横向对称相等,因此只取路基中心、线路中心(即左线中心,“路基中心”左侧2.5 m)、路肩和靠近坡脚位置进行分析.图2、3分别是管桩桩板、管桩+桩帽+土工格室、管桩+桩帽+土工格栅桩间及桩顶静土压力变化过程曲线图.

(a)DK280+228筏板顶面和垫层下桩间土压力(b)DK280+651垫层顶面和垫层下桩间土压力(c)DK281+347垫层顶面和垫层下桩间土压力图2　桩间土压力变化曲线Fig．2　Soilstresscurvesbetweenthepiles

(a)DK280+228桩顶应力(b)DK280+651桩顶应力(c)DK281+347桩顶应力图3　桩顶应力变化曲线Fig．3　Pile⁃topstresscurves

由图2、3可知:不同处理措施下,桩间土、桩顶的应力变化规律基本吻合,随上部填土荷载的变化而变化,受填筑荷载影响较大,桩间土及桩顶应力在填筑荷载初期曲线变化较大,主要由施工机械引起,在填土荷载施工期变化较大,在恒载时间区段内基本稳定;由于上部填土荷载为梯形荷载形式,荷载通过路基结构传递后,路基中心位置、线路中心位置、路肩位置处桩间土压力依次减少,同样,桩顶应力也表现出类似的规律;在路基填筑期间桩间土应力和桩顶应力的变化曲线可分为3个阶段,在预压土填筑初期桩土应力都保持较小的增长速率,部分时间段内呈现桩间土应力稍大于桩顶应力的现象,说明在填筑初期,路堤荷载主要是由桩间土来承担,复合地基中的拉膜效应和土拱效应还没有有效地发挥作用;在填筑中期阶段内,桩间土应力增长速率在初期的基础上略有降低,而桩顶应力呈现快速增长的趋势;由此造成桩土应力出现了一定的差值,并且差值越来越大,说明土拱效应发挥作用结果明显,上部荷载逐渐由桩间土转向管桩承担;填筑后期阶段,桩土应力增长速率都出现明显的下降趋势,逐渐达到相对稳定的状态.另外,由图3(a)可知,由预应力管桩+钢筋混凝土板形成的复合地基,筏板下的桩间土在填筑期间变化值较小,说明在筏板下桩间土应力分布已经相对均化.

3.2　桩土应力比分析

管桩区的桩土应力比变化过程反映了桩土荷载分配的过程,图4为桩土应力比变化曲线图.

由图4可知:在填土初期,上部荷载较小,管桩高承载力的特性还未显现,桩、土分担的荷载均较小,桩土应力比也较小;随着荷载的增加,由于管桩刚度远大于桩间土刚度,管桩分担的荷载越来越多,不同位置的桩土应力比也越来越大;在等载期间随着预压时间的增大,桩土沉降差不断调整,路基中心处、路肩下和坡脚处的桩土应力比均缓慢增大,但增幅较小,根据文献[1]研究结果可知,管桩复合地基受力与变形状态逐渐趋于协调、稳定.

(a)DK280+228桩土应力比(b)DK280+651桩土应力比(c)DK281+347．1桩土应力比图4　桩土应力比变化曲线Fig．4　Pile⁃soilstressratiocurves

表1为管桩区预压土填筑完毕后桩土应力一览表.

由表1可知:同种类型复合地基桩土应力比随着距路基中心距离的远近逐渐增大;桩板的桩土应力比明显大于桩网;土工格栅桩土应力比平均值小于土工格室.主要因为预应力管桩+钢筋混凝土筏板复合地基中,筏板和垫层形成了类似加筋梁板结构的作用,土工格栅、土工格室、梁板3种加筋措施下加筋体的强度越来越大,对桩间土的提兜作用越大,将桩间土上的路堤荷载更多地转移到桩上,提高了桩土应力比,在预应力管桩+钢筋混凝土筏板复合地基结构中桩土应力比大幅提高.

表1　管桩区填土完毕桩土应力Tab.1　Pile-soil stress ratios at the pipe pile area,after soil filling

3.3　土工格室、土工格栅受力分析

土工格室的加筋作用是利用它与格室内填料相互共同作用形成复合整体的抗弯、抗拉和抗剪强度的特性,通过土工格室垫层所具有的强抗剪能力,改善浅层软土的应力状态,使地基的剪切破坏面向深层发展,达到临界破坏状态所需要的极限荷载较高.

土工格栅的加筋作用是利用筋材的抗拉特性,通过与周围土界面的摩擦咬合作用产生应力传递.改变土体中的应力应变场,增进土的强度和韧性,从而改善填料变形性能,提高土体稳定性.分析现场测试数据发现,相对于路基中心成对称性布设的柔性位移计拉伸量基本相等,将取相对于路基中心对称位置的柔性位移计拉伸量平均值进行土工格栅、土工格室的受力分析.

在路基填筑和预压期间,距离线路中心各位置的土工格栅、土工格室拉力变化规律如图5所示.

在不同填土高度和预压时间下,垫层土工格栅、土工格室拉力沿路基横向分布规律如图6所示.

(a)DK280+651土工格室拉力(b)DK281+347．1土工格栅拉力图5　加筋材料拉力变化曲线Fig．5　Tensioncurvesofthereinforcedmaterial

(a)DK280+651土工格室拉力横向分布(b)DK281+347．1土工格栅拉力横向分布图6　加筋材料拉力沿路基横向分布Fig．6　Lateraltensiondistributionofthereinforcedmaterial

从图5中可知:随着路基填土荷载的增大,各位置的土工格栅、土工格室拉力逐渐增大,增长速率与路堤填筑速率正相关;当填土荷载处于稳定期,土工格栅、土工格室拉力逐渐趋于稳定.

从图6中可知,在不同填土高度条件下,路肩下土工格栅、土工格室拉力最大,线路中心处次之,靠近坡脚处和路基中心处较小.路基中心地基土固结沉降引起的水平拉力最小,路肩处土工格栅、土工格室路基沉降引起的水平拉力与桩网兜土所产生的水平拉力叠加最大.

填土完成时拉力见表2.由表2可知,路基中心处、路肩处、坡脚处的土工格室所受水平拉力均大于土工格栅,与文献[9]和[13]研究结果一致.

在路基填土和预压期间,路肩下垫层中的土工格室、土工格栅拉力最大.土工格栅最大拉力值为1.04 kN,土工格栅尺寸为2.5 cm×2.5 cm,沿线路纵向1.0 m范围内横向分布40根土工格栅,则沿线路纵向1.0 m范围内土工格栅最大拉力为41.47 kN.土工格室拉力最大值为4.39 kN,土工格室尺寸为40 cm×40 cm,考虑网带与线路横向呈45°,故每延米范围内有4根网带.则沿线路纵向1.0 m范围内土工格室最大拉力为1.55 kN;单根网带厚为0.45 mm,网带高为50 mm,网带最大应力为68.4 MPa.

表2　土工格栅、土工格室拉力Tab.2　The tension of the geocell and geogrid

3.4　沉降分析

图7为管桩不同结构复合地基地基面沉降曲线.

图7　管桩不同结构复合地基地基面沉降曲线Fig.7　Surface settlement curves of the pipe-pile composite foundation with different types of cushion layer

由图7可知:管桩+筏板的加固效果总体比管桩+桩帽+网(土工格室或土工格栅)复合地基效果好,其地基面沉降量约为桩网结构(土工格栅或土工格室)的68.46%～72.56%;桩网结构中铺设土工格室地段沉降量略小,主要因为铺设土工格室时提高了桩土应力比,垫层的荷载分散作用较强,导致加固区和下卧层附加荷载减少,从而降低了沉降的变形量;在路堤和预压土填筑阶段,随着荷载的增加,地基沉降变形快速发展,填筑后的静置期,在前期阶段沉降变形增长较快,并随着时间的增长沉降速率放缓逐渐趋于平稳.根据各阶段沉降曲线的变化特征可以将不同处理措施下地基沉降分为快速发展、缓慢发展和稳定3个阶段.

4　结　论

(1) 路堤荷载作用下,桩顶和桩间土应力沿路基横向由路基中心向路肩、坡脚处逐渐减少.土工格室垫层加固桩土应力比实测值为2.30～6.25;土工格栅垫层加固桩土应力比为2.47～5.42,说明土工格室加固效果较土工格栅加固有所改善.钢筋混凝土板加固桩顶应力远大于桩间土压力,现场实测桩土应力比为8.05～14.81,混凝土筏板加固桩土应力比远大于桩网结构.

(2) 对于土工格栅、土工格室两种不同水平加筋垫层加固下的桩网复合地基,随着路基填土荷载的增大,土工格栅、土工格室拉力逐渐增大;稳定后,路肩位置拉力最大,在相近的上部路堤荷载的作用下土工格室所受拉力大于土工格栅.

(3) 两种不同形式的桩网复合地基沉降控制效果相近,土工格室的加固效果稍优于土工格栅.管桩加钢筋混凝土板对路基沉降的加固效果最好.沉降稳定后,混凝土筏板加固的管桩复合地基地基面沉降分别为土工格栅和土工格室桩网复合地基地基面沉降的68.46%和72.56%.

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