长短桩筏板复合地基现场测试研究

陈哲光

（中国土木工程集团有限公司，北京100038）

1 引言

铁路轨道的平顺性和安全性是保证高速铁路列车行车的重要保证。因此，高速铁路对路基的工后沉降和稳定有着极为严格的标准，对于无砟轨道而言，根据TB 10621—2014《高速铁路设计规范》，在一般路基地段工后沉降不能超过15mm。一般在渗透系数小的软土地基，工后沉降难以控制，因此出现不同地基处理方式改善软土物理力学性质。其中，长短桩复合地基就是一种新型地基处理方式，很多学者也对其展开研究，林志强等【1】根据在柔性基础下长短桩复合地基荷载传递机理，对工程质量事故的原因进行分析，找出工程质量事故的主要原因并提出避免类似工程质量事故的预防措施；李善珍等【2，3】对黄土地区的长短桩复合地基通过数值模拟方法分析，建议了合理的桩长和桩间距；马学宁等【4】基于现场试验和数值模拟的方法，分析了长短桩复合地基的沉降特性和长短桩的受力规律；王晓光【5】对湿陷性黄土地区的长短桩复合地基沉降进行理论分析。周同和等【6】、陆华等【7】和陈阳【8】也进行了长短桩复合地基的室内模型试验，研究长短桩复合地基的沉降特性和长短桩受力规律。现场试验方面，李波等【9】对上海软土地区的长短桩复合地基的沉降规律和桩土应力比进行了分析研究。

以上学者通过数值模拟、室内模型试验和现场试验的方法分析了长短桩沉降规律和桩土应力比等，但以上学者研究长短桩加固对象多为沿海地区软土和西北地区湿陷性黄土，对于黄淮冲积平原地区软土研究较少，且对于长短桩+筏板加固地基方式研究也较少。

因此，本文通过对黄淮平原地区软土采用素混凝土长桩+CFG 短桩+筏板方式进行加固，通过现场沉降、桩土应力、侧向变形、基底应力分布和孔隙水压力变化，分析长短桩在软弱土层的加固效果，为长短桩+筏板地基处理方式提供参考和借鉴。

2 现场测试

2.1 工程概况

试验段为某高速铁路里程路基全长1 455.31m。地处黄淮冲积平原区，本段全新统地层以软塑～可塑的粉质黏土、黏土层为主，分布厚度大，地层软弱、力学性质较差、地基承载力低、压缩性大，砂性土分布少，排水条件差，施工后在路堤荷载作用下，土体固结沉降完成过程长，工后沉降控制困难。表层为第四系全新统冲积层黏性土、粉土偶夹薄层砂类土；其下为上更新统冲积层黏性土、粉土地层。

各地层自上而下分布厚度及其主要力学特性如下：

1）粉土：褐黄色、褐灰色，饱和，稍密，局部夹有薄层粉质黏土、粉细砂，层厚1.5m。Es100～200=7.83MPa，N=5.49 击/30cm。

2）粉质黏土：黄褐色、灰褐色，局部为褐黄色，软塑，局部夹有薄层粉土、粉细砂及少量姜石，层厚6.68m。Es100～200=3.73MPa，N=5.41 击/30cm。

3）粉质黏土：褐黄色、黄褐色，局部为褐灰色，可塑，局部夹有薄层粉土、粉细砂及少量姜石，层厚9.42m。Es100～200=4.78MPa，Es300～400=9.86MPa，N=9.54 击/30cm。

4）粉土：褐黄色、褐灰色，饱和，中密，局部夹有薄层粉质黏土、粉细砂及少量姜石，层厚6.10m，Es300～400=11.6MPa，N=11.8 击/30cm。

5）粉质黏土：褐黄色、黄褐色，局部为褐灰色，可塑，局部夹有薄层粉土、粉细砂及少量姜石，层厚9.56m。Es100～200=5.14MPa，Es300～400=10.98MPa，N=14 击/30cm。

6）粉质黏土：褐黄色、黄褐色，局部为褐灰色，可塑，局部夹有薄层粉土、粉细砂及少量姜石，含少量的铁锰质结核、铁锰质氧化物斑块，层厚12.86m，推荐承载力基本值=170kPa。

7）粉质黏土：黄褐色、灰褐色，硬塑，局部夹有薄层粉土及少量姜石。层底埋深39.00～46.40m。Es600～800=18.75MPa，N=31.77击/30cm。

地下水主要为孔隙潜水，局部略具承压性，地下水受大气降水、地表水补给，水量较丰富。地下水具明显的动态变化特征，随季节、降水量变化而变化，测时地下水埋深2.9～4.2m，标高34.36～35.87m。地下水主要以地下径流及人工开采为主要排泄方式。

2.2 测试元件布置

长短组合桩地基中，长桩为素混凝土桩，桩径0.6m、长31～37m；短桩为CFG 桩，桩径0.5m、长25m；桩间距2.5m，按正方形间隔布设。桩顶设C45 钢筋混凝土筏板，筏板厚0.6m，板下设0.2m 厚垫层。路基填高6～7m，路基本体采用A、B 组填料填筑，上部预压土高度3m，设计预压期12 个月。主断面监测及元件布置图如图1 所示，3 个单点沉降计；1 个分层沉降计；1 个孔隙水压力计；土压力盒：桩顶7 个，桩间土7 个，筏板以上3 个；1 个测斜管；1 个水位观测孔。

图1 主断面监测及元件布置图

2.3 测试元件埋设

监测剖面元件埋设工作如图2～图4 所示。为保证元件能得到科学合理的数据，元件的埋设过程也十分重要，各个元件现场埋设过程参考文献【10】进行埋设。

图2 单点沉降计

图3 分层沉降计

图4 孔隙水压力计

2.4 现场试验测试频率

监测元件埋设到位后，监测频次，结合现场施工进展开始了监测数据的收集。具体监测工作要求如下：

1）在路堤正式填筑前，对所有埋设元件设备进行复测，作为初始读数。

2）在路堤填筑施工期间，各元件设备一般情况每天（上午）测试1 次，各种原因暂时停工期间，前2d 每天（上午）测试1 次，以后每3d 测试1 次。

3）路堤填筑施工完成后，前15d 内每3d 观测1 次，第15～30d 每星期观测1 次，第30～90d 每15d 观测1 次，以后的每个月观测1 次。

在实际监测工作中，观测时间间隔还考虑地基沉降值与沉降速率影响，当2 次连续观测的沉降差值大于4mm 时加密观测频次；当出现沉降突变、地下水变化及降雨等外部环境变化时也增加观测频次。

3 测试结果分析

3.1 沉降变形分析

第587d 为预压土卸载完成日，卸载后测试沉降，沉降有所减小，即发生回弹现象，回弹量是1.09mm, 且沉降变形趋于稳定。截至637d，地基面沉降为14.6mm。

由图5 可知：长短桩加固区段各监测断面的地基面、加固区和下卧层的沉降均随着上部填土高度的增大而增大，第44d填筑开始至第166d 填筑（含预压土）完成期间，沉降量及沉降速率均为较快速增长阶段；恒载摆放期，沉降仍在发展，但沉降速率明显变缓；至第271d，加固区沉降已趋稳定，地基面和下卧层沉降仍在缓慢发展。

图5 地基沉降随时间变化图

从图6 中可知，地基土各分层的沉降量随路基填土和预压填土荷载的增大而增大，尤其在加载初期，沉降变化很明显。当上部荷载恒定后，地基各土层沉降均逐渐趋于收敛。当卸载完成后测试沉降，沉降有所减小，即发生回弹现象，且沉降变形很快趋于稳定。

3.2 侧向位移分析

试验现场主测断面右侧设置了1 个测斜管，但受元件自身或埋设效果等影响，该测斜孔仅0～23.0m 工作正常，23.0m以下监测数据异常。该测点处侧向位移沿深度变化曲线如图7所示，由图7 可知：

图6 路基分层沉降随时间变化图

图7 路基侧向位移随时间变化图

1）填土高度达6.6m，开始首次观测，至70d 第二次测试时填土高度为9.6m（填筑完成），此时已产生明显的侧向位移；此后的填土高度不变，处于恒载摆放期，路堤侧向位移逐渐增大，但增加幅度相对较小，并趋于稳定。

2）地基土侧向位移随着深度的增加明显呈减小的趋势，截至125d 地表最大侧向相对位移达到了6.00mm，深度20m以下地基土侧向位移最大值一般小于1mm。可见，采用长短桩桩筏结构时，在约束侧向位移及其影响深度方面作用明显。地基土侧向位移随着深度的增加明显呈减小的趋势，截至449d地表最大侧向相对位移达到了6mm，深度20m 以下地基土侧向位移最大值一般小于1mm。

3）从发展阶段看，填筑期的侧向位移量、沉降速率均较大，期间侧向位移速率为1.84～3.05mm/月；填筑完成后的恒载摆放期侧向位移量明显减小，平均位移速率为0.85mm/月，并基本趋于稳定。

3.3 长短桩+筏板体系基底应力分布

为研究长短桩桩筏复合地基路基基底应力的分布规律，于基底桩顶、桩间土不同位置处埋设土压力盒进行应力测试，量测施工和预压期内基底应力变化。路基面下基底压力均值与路基填筑高度的时程曲线如图8 所示，路堤基底压力随路堤荷载的增加而逐渐增大，相同荷载作用下垫层的结构性越强，路基面下基底压力越小。

图9a、图9b 分别为路基填筑预压的过程中，长短桩桩筏复合地基路基基底应力的分布规律。从图9 中可知，在预压荷载较小时，基底压力在路堤荷载较小时分布较为均匀，随着预压荷载的增大，路基面下基底压力呈抛物线型分布，即两路肩下小中心处大，且中心处压力随路堤填高而增加的幅度最大，但随着预压荷载的进一步增大，路基面下基底压力随路堤荷载的增加呈马鞍型分布，即两侧大中间小，而后基底中心压力快速增加。路基预压荷载结束后，基底压力呈明显的马鞍型分布。此外，长短桩复合地基中，由于素混凝土与周围土体的刚度差异较大，比CFG 短桩承担较大的荷载。

图8 桩筏结构路基基底土压力随时间变化图

图9 桩筏结构路基基底应力分布模式

3.4 桩土应力分析

从图10 中可知，当路基填土高度在3.0m 以下时，素混凝土桩和CFG 桩的桩土应力比在填土初期快速增大；当路基填土高度达到6.0m 时，素混凝土桩和CFG 桩的桩土应力比迅速增大，随后趋于稳定；当路基填土高度达到9.0m 后，素混凝土桩和CFG 桩的桩土应力比都在一定的区间波动，但随着加载时间的增长，素混凝土桩桩土应力比有一定的增大，而CFG 桩桩土应力比有一定的减小。路基中心处和路肩下素混凝土桩桩土应力比基本一致，CFG 桩的桩土应力比也基本一致，坡脚附近桩土应力比都比较小，但素混凝土桩桩土应力比大于CFG 桩桩土应力比。路基中心处和路肩素混凝土桩桩土应力比为10.9～13.0，路基中心处和路肩下CFG桩桩土应力比为5.9～7.1，素混凝土桩的桩土应力约为CFG桩的2 倍；坡脚附近素混凝土桩桩土应力比为2.4～3.4，坡脚附近的CFG 桩桩土应力比为1.9～2.5，素混凝土桩的桩土应力约为CFG 桩的1.3 倍。说明素混凝土桩分担的荷载比CFG 桩分担的荷载大。

图10 桩土应力随时间变化曲线图

在预压期间，随着预压时间的增大，路基中心处、路基下和最靠近坡脚处的素混凝土桩和CFG 桩桩土应力比均呈缓慢增大规律，但增幅较小，表明长短桩桩筏结构复合地基受力与变形状态逐渐趋于协调。素混凝土桩桩土应力比随着填土荷载的增大到稳定呈增大—稳定—再增大的趋势；CFG 桩的桩土应力比随着填土荷载的增大到稳定呈增大—稳定—有一定减小的趋势。

卸载后桩与桩间土都发生明显回弹，且桩土应力比也略减小，之后很快保持稳定。

3.5 孔隙水压力分析

孔隙水压力测试设置部分主监测断面线路中线附近，有1孔，设6 个孔隙水压力计，分别埋设于各黏性土层的中部。在路基填土施工期间，对不同深度处的孔隙水压力计进行测试，得到不同深度处孔隙水压力在路基施工和预压期间的变化规律，如图11 所示。

图11 孔隙水压力随时间变化图

1）长短桩复合地基不同深度处孔隙水压力在路基分层填筑期间产生骤然增大，出现峰值，而在施工停顿期则逐渐消散。

2）当路基每层填筑停顿期间，由该填土层引起的超孔隙水压力在未得到完全消散的条件下，紧接着填筑下一层路基填土，引起超孔隙水压力叠加，至路基预压填土完成时，长短桩复合地基不同深度处的孔隙水压力出现最大峰值，地基面以下12.0m（加固区）、20.0m（加固区）、25.0m（CFG 桩桩底）、38.0m（素混凝土桩桩底）和52.0m（下卧层底层）的孔隙水压力分别为121.7kPa、200.1kPa、261.4kPa、392.6kPa 和439.0kPa，累积的超孔隙水压力分别为110.3kPa、111.5kPa、123.4kPa、121.4kPa 和99.7kPa，结合图11 中孔隙水压力变化图形，表明在上部路基填土荷载逐级增大的作用下，复合地基深度越大，超孔隙水压力叠加作用越明显。

3）在117d 上部路基填土荷载恒定后，随着预压时间的增大，复合地基不同深度处的超孔隙水压力逐渐消散，至222d后，地基面以下12.0m、20.0m、25.0m、38.0m 和52.0m 超孔隙水压力分别为32.5kPa、28.1kPa、54.8kPa、52.4kPa 和56.0kPa，相比预压土填筑完成时，超孔隙水压力分别减小70.5%、74.6%、55.5%、56.8%和43.9%。

4）预压土卸载完成后，地基土已完成固结，沉降已经平稳。

4 结论

针对长短桩桩筏结构复合地基，通过现场埋设复合地基沉降变形和受力监测传感器，研究了长短桩+桩筏结构复合地基的沉降变形和荷载传递规律，得出以下主要结论：

1）从试验段长短桩桩筏结构复合地基的地基面沉降监测看，自开始路基填筑，至228d（约7.6 个月）地基总沉降量为10.57～14.56mm，平均沉降值12.6mm。

2）从地基土分层沉降看，加固区的压缩沉降量和沉降速率明显大于下卧土层。监测表明，随着路基摆放时间增加，下卧层的压缩量增量大于加固区范围内的压缩量增量，说明在上部荷载恒定后，后期路基沉降主要由下卧土层压缩沉降产生，但其剩余沉降量已较小。

3）长短桩+桩筏结构复合地基侧向位移随着深度的增加基本呈减小的趋势，地基浅部水平位移较大，深部较小。随着时间的推移，地基土侧向位移速率逐渐减小，预压土填筑完成稳定后侧向位移量明显减小，侧向位移速率趋于稳定。

4）在预压期间，素混凝土桩和CFG 桩桩土应力比开始比较稳定，在预压荷载稳定后45d，素混凝土桩桩土应力比有增大的趋势，而CFG 桩桩土应力比有减小的趋势。

5）基底压力在路堤荷载较小时分布较为均匀，随着预压荷载的增大，路基面下基底压力呈抛物线型分布，但随着预压荷载的进一步增大，路基面下基底压力随路堤荷载的增加呈马鞍型分布，长短桩复合地基中，刚度较大的长桩承担较多的荷载。

6）在上部路基填土荷载逐级增大的作用下，长短桩复合地基超孔隙水压力产生骤然增大然后逐渐消散的过程，由于路基每层填土间期过短，超孔隙水压力未完全消散而产生叠加作用，且深度越大叠加作用越明显。