桩帽对载体桩复合地基沉降影响的现场试验

2018-07-03裴生平

铁道勘察 2018年3期

裴生平

(中铁隧道集团三处有限公司，广东深圳 518052)

1 概述

载体桩的承载力主要来自载体。它可将上部荷载有效地传递给下面的持力土层，以达到提高承载力的目的。随着高速铁路的发展，载体桩的应用已经从房屋建设的地基处理扩展到路基的软基处理方面。许多专家学者对其加固机理及变形规律等进行了研究[1-5]。陈洪运等[6]根据现场N63.5的试验结果，分析得出桩体扩大端的挤土效应明显的结论。闫雪峰等[7]对复合地基的设计与施工进行了探讨。周斌[8]根据现场试验验证了载体桩在高速铁路路基中的适用性，并总结了其沉降特性。罗浩[9]、陈洪运[10，11]进行了载体桩施工工艺等方面的研究，并在试验的基础上进行理论计算分析。张淑媛[12]采用现场试验的方法对高速铁路载体桩与CFG桩复合地基沉降特性进行对比研究，得出载体桩复合地基桩土应力比大于CFG桩复合地基桩土应力比的结论。张健等[13]分析了影响载体桩承载力的因素以及载体桩受时间效应的影响因素。雷金波等[14，15]采用足尺现场试验，对带帽刚性单桩复合地基的荷载分担比进行研究。杨启安等[16]对复合地基中载体桩的侧摩阻力进行了研究，得出载体桩顶以下一定范围内存在负摩阻力，并且桩身的侧摩阻力较小等结论。以下主要对筏板-碎石垫层-桩结构中有桩帽与无桩帽时的试验结果进行比对，分析桩帽对沉降发生阶段、发生深度及沉降值的影响。

2 试验段概况

某试验段地质纵断面如图1，自上而下主要地层情况为：地面以下8.4 m主要粉质黏土和黏土层，在8.4～12 m深度范围内有一层中密-密实的细砂层，其下主要为粉土、松软土的粉质黏土和黏土互层。采用正方形布置的载体桩(如表1)，分别选取有桩帽载体桩和无桩帽载体桩加固段进行沉降观测，每段选择两个观测断面(主断面、附断面)。路基填筑材料为AB组，高2.2 m；预压土高3.5 m。无桩帽断面预压34 d，监测时长275 d；有桩帽断面预压时长47 d，监测时长283 d。

表1 试验断面载体桩布置情况 m

图1 某试验段地层剖面[17](高程单位：m；承载力单位：kPa)

图2 各测试断面液位沉降计及单点沉降计布置

为了判定压缩层厚度，采用液位沉降计和单点沉降计的联合监测法。在复合地基桩顶及桩间土内埋设单点沉降计和液位沉降计，监测单点沉降计锚头与沉降盘之间土体的压缩变形和该点处的地基沉降。液位沉降计、单点沉降计平面布置见图2。液位沉降计安装于桩顶，其平面位置和单点沉降计安装深度见表2(因YW-4-4和YW-4-5传感器损坏，表中未列出)。

表2 单点沉降计和液位沉降计安装位置 m

注：YW-代表液位计；DD-代表单点沉降计。

3 监测结果与分析

3.1 无帽载体桩

对于主断面，液位沉降计监测得的桩顶平面沉降量及单点沉降计所测得的不同深度的压缩量如图3所示。

图3 无帽载体桩主断面荷载-时间-变形曲线

由图3可知，监测结束时，YW-3-2测得路基中心线附近桩顶的沉降量为94.9 mm，桩间土最大沉降量为99.6 mm。桩顶与桩间土沉降差约为5 mm，即桩身上刺入量为5 mm。不同阶段的沉降变形实测值见表3。

表3 无桩帽断面沉降变形监测结果 mm

根据表3的统计结果，预压土堆载开始后，地基沉降变形迅速发展；沉降主要发生在预压静置期间。从路基中心向两边，沉降量呈减小趋势(靠近中线位置沉降量达94.9 mm)，路堤边缘沉降量为52.4 mm，由路堤荷载引起的沉降量为42.5 mm。填筑阶段累积沉降量为总沉降量的21.3%；预压土静置30 d时，预压范围内的累计沉降量达到了总沉降量的85%以上，静压阶段的沉降量占总沉降量的64%以上；卸载后，沉降变形增长趋势逐渐减缓，至监测结束时，该试验断面的沉降变形趋于稳定。

由DD-3-2监测值可知，加固区压缩量小于8.3 mm，仅占总沉降量的8.7%；由YW-3-1和DD-3-1联合测得的数值知，距离桩顶面16 m以下土层的累计压缩变形量为28 mm，占总沉降量的28.1%。由YW-3-2和DD-3-2联合测得的数值知，距离桩顶面7.8 m以下土层的累计压缩变形量为76.6 mm，占总沉降量的76.9%。由此可见，下卧层沉降量占相当大的比例。参考附断面的监测数据，距离桩顶面30 m以下土层的累计压缩变形量为9.65 mm，为总沉降量的12.1%。

3.2 有帽载体桩

对于有桩帽的载体桩复合地基断面，液位沉降计监测到的桩顶平面沉降量及单点沉降计所测不同深度的压缩量随时间变化的曲线如图4所示。由图4可知，随着路堤的填筑，沉降量增加较快，在静置期时沉降趋于平缓。受负荷施工车辆的影响，卸载后的沉降曲线有一定波动，但总体较为稳定；单点沉降计的沉降曲线比较平缓。

图4 有帽载体桩主断面沉降变形-荷载-时程曲线

由图4可知，监测结束时，YW-4-2测得路基中心线附近桩顶的沉降量为85.49 mm，桩间土实测最大沉降为88.11 mm，桩顶与桩间土沉降差约为3 mm。由此可见，有桩帽时桩的上刺入量明显减小。不同阶段的沉降变形实测值见表4。

表4 有帽断面沉降变形监测结果 mm

由表4知，填筑阶段累积沉降量为总沉降量的55%以上；静置30 d时累积沉降量为总沉降量的76%以上，预压范围内的沉降量甚至达到了总沉降量的89%以上。经对比，无桩帽的载体桩复合地基沉降量主要发生在预压阶段，而有桩帽的复合地基填筑结束时，就已发生了55%以上的沉降；两者预压固结30d后的沉降占总沉降量的比例相差不大。这说明，由于桩帽的存在，将更多的上部荷载传递到下卧层，使沉降提前发生，缩短了沉降的时程。

由联合单点沉降计DD-4-1及液位沉降计YW-4-1的测值可知，距离桩顶40 m以下深度土层的累计压缩变形量为3.05 mm，仅为桩顶面到40 m深度范围内土层总的压缩变形量的3.6%；由单点沉降计DD-4-2得，本断面复合地基加固区土体压缩变形量为8.7 mm，占总沉降量的10.2%。由DD-4-3和YW-4-1知，桩顶平面以下30 m的压缩量为16.6 mm，约为总沉降量的18.9%。经比较，有桩帽的载体桩复合地基的沉降发生深度有所增加。