高速铁路黄土地基水泥土柱锤冲扩桩工作性能研究

杲斐

1.中铁二十一局集团有限公司，兰州 730070；2.兰州理工大学土木工程学院，兰州 730060

高速铁路对路基沉降要求十分严格，在湿陷性黄土区要特别重视控制路基沉降的地基加固工作。采用复合地基可以较好地发挥天然地基土体的承载潜能，具有较好的经济性和适用性［1］。在土质较为软弱的地区，复合地基已逐渐成为地基处理的主要形式［2］。Yoshikuni［3］通过研究碎石桩复合地基的力学特征，给出了散体桩复合地基固结的理论解。王长丹等［4-5］通过模型试验，测试了桩网复合地基与桩筏复合地基在湿陷性黄土区的加固效果。陈世雷等［6］依托中川铁路工程，探究了二灰掺和比对水泥土搅拌桩复合地基承载力的影响。王旭等［7］通过静载试验对黄土区水泥粉煤灰碎石（Cement Fly⁃ash Gravel，CFG）桩与振动沉管碎石桩复合地基的承载特性进行了评价。

柱锤冲扩桩是一种以较低成本减小地基变形，消除黄土湿陷性并提高承载力的地基处理方法，在黄土地基加固领域应用较广。毛伟等［8］依托大西铁路工程，探究了锤重、落距、夯击次数对桩身压实度、桩间土挤密系数、桩间土湿陷性以及地基承载力的影响。屈耀辉等［9］依托郑西铁路工程，描述了浸水条件下柱锤冲扩桩复合地基的沉降变形特征。李玉强等［10］通过静载试验研究了柱锤冲扩桩复合地基的承载特性。

柱锤冲扩桩理论落后于实践，国内对其研究较少，大多通过静载试验对其承载特性进行评价，也缺乏对以水泥土为桩材的柱锤冲扩桩系统性的研究。本文依托兰张三四线铁路工程，通过现场试验对水泥土柱锤冲扩桩的承载特性进行评价，分析桩土应力并测得水平挤密范围、最大挤密系数；采用有限元软件建立与现场工况对应的计算模型，分析单桩与复合地基的承载力特征值，并讨论桩体的力学特征与复合地基的破坏特征。

1 现场试验

1.1 场地工况与成桩设计

试验场地位于新建铁路兰张三四线永登车站附近。试验区地层主要为砂质黄土，灰黄色，土质较均匀，结构较疏松，土的含水率从顶部到底部由稍湿过渡为饱和，夹黏性黄土和砂透镜体；采用水泥土柱锤冲扩桩复合地基。

现场试验的成桩过程采用与永登车站地基相同的施工工法，水泥土柱锤冲扩桩桩长为12.0 m，桩孔径为0.4 m，分层夯填后可能会产生略微扩张。复合地基桩孔采用正方形布置，桩间距为1.2 m。孔内填料为P·O 42.5水泥、水和场地原状土的混合料。通过击实试验确定土的最大干密度为1.89 g/cm3，最优含水率为14.4%。混合料中水泥与土的质量比为1∶17。由于水泥土中水泥的含量对混合料的最优含水率影响较小［11］，所以水的掺量应满足土的最优含水率，应根据施工当天土的含水率进行调整。

成桩方式为冲击成孔，分层填料并夯实。其中夯机锤质量1.8 t，落距2.5 m；每填充1.5 m混合料夯锤10次，直至地表。成桩结束后需要养护28 d，方可进行静载荷试验。

1.2 试验设计与相关设备埋设

单桩边缘1.2 m范围内，每隔0.12 m用环刀取1份土样。复合地基相邻两桩之间用环刀等间距取5份土样，两对角桩之间用环刀等间距取6份土样。室内进行环刀样挤密系数试验，评价水泥土柱锤冲扩桩水平向挤密效果与挤密范围。静载荷试验的仪器与设备由反力系统、加载系统、沉降观测系统和应力观测系统四部分组成。沉降采集设备为RSM⁃JC5（A）静载荷测试仪。

单桩桩顶与复合地基加载区的四角布设千分表，复合地基桩顶和桩间土布设土压力盒，如图1所示。

图1 应力与沉降观测设备布置（单位：cm）

试验采用分级慢速维持荷载法，依据JGJ 79—2012《建筑地基处理技术规范》进行。单桩最大加载荷载为45 kN，复合地基最大加载荷载为260 kPa，加载分为9级，卸载分为5级。每级判稳条件与停止加载条件依据JGJ 79—2012确定。

1.3 试验结果与分析

1.3.1 水平挤密效果

单桩与复合地基各试验点水平向挤密系数见图2、图3。

图2 单桩桩周土挤密系数

图3 复合地基桩间土挤密系数

由图2可知：单桩桩周土挤密系数最大为0.962，挤密系数随距桩边缘距离增大非线性减小，最终收敛为原状土的挤密系数（场地原状土挤密系数为0.889）。可推断单桩挤密范围在0.5 m（1.25倍桩径）左右。

由图3可知：复合地基相邻两桩之间的桩间土挤密系数最大为0.976，最小为0.953；两对角桩之间的桩间土挤密系数最大为0.959，最小为0.909。正方形布桩的复合地基相邻两桩之间距离较短，成桩时桩间土受到反复挤压，挤密效果显著提升；两对角桩之间距离较长，远大于两倍的单桩挤密范围，最大、最小挤密系数与单桩相似。

综上所述，水泥土柱锤冲扩桩能够有效地提升桩周土的挤密系数；复合地基的桩间距减去桩直径的距离应控制在1.0 m（2.50倍桩径）的范围内，以便桩间土能达到较好的挤密效果。

1.3.2 承载力特性

单桩与复合地基荷载-沉降曲线见图4。因加载能力有限，单桩与复合地基静载荷试验均未加载到JGJ 79—2012描述的破坏状态。由图4可知：单桩竖向抗压极限承载力不小于441 kN，复合地基极限承载力不低于260 kPa。

图4 不同地基的荷载-沉降曲线

由图4（a）可知：荷载从0增至150 kN时，沉降增长缓慢，并呈现线弹性。荷载达到150 kN往后表现为光滑的弧形；加载曲线整体呈现缓变型，无明显拐点。卸载后，单桩立刻产生回弹，且表现出回弹滞后现象。

由图4（b）可知：荷载从0增至57.8 kPa时，地基沉降较小；荷载由57.8 kPa达到231.1 kPa时，沉降曲线近似为线性，未发生明显陡降；加载至260 kPa后，地基的沉降突然增加，但未表现出明显的破坏特征。卸载后，地基的回弹滞后现象更加明显。

1.3.3 桩土应力特征

复合地基桩土应力比随荷载变化曲线见图5。可知：加载过程中，桩土应力比在加载第一级时出现陡增，当桩土应力比到达峰值12.65后，其随着荷载的增大而非线性减小，最终收敛于4.00左右。

图5 复合地基桩土应力比随荷载变化曲线

综上所述，在荷载作用初期，桩土应力比随荷载的增大而增大；随着荷载的进一步增大，桩体产生塑性变形，桩身应力逐渐向桩间土转移，应力比减小，直至桩和桩间土共同进入塑性状态，应力比趋于某一定值，与散体桩特征相似。

2 数值模拟

2.1 模型的建立

有限元模型以现场试验为载体，桩与土的材料参数均与现场试验相匹配。由于相对于土体，水泥土的弹性模量较大，破坏应变较小，十分容易在加载初期进入屈服状态，因此将水泥土柱锤冲扩桩的本构模型设为弹塑性；土体本构模型为常用的摩尔-库伦模型；为了方便计算，其余材料本构模型均设为弹性。材料物理力学参数见表1。

表1 材料物理力学参数

单桩与复合地基模型的应力与应变均属于轴对称问题，在计算时可将三维问题转化为二维平面问题［12］。模型中，边界条件为土体左右两侧约束水平位移，土体下部约束水平与竖向位移。单桩与复合地基模型宽14.4 m，高20.0 m，其中下卧层厚8.0 m。桩体直径0.4 m，长12.0 m，复合地基桩间距为1.2 m，承压板2.5 m×0.8 m，垫层2.5 m×0.2 m，见图6。

图6 单桩与复合地基网格模型

本文采用接触对算法。将桩体侧面设为master surface，土体侧面设为slave surface，采用surface⁃to⁃surface离散方法，接触跟踪方法设为small sliding；考虑到施工工法为分层夯填，桩与土之间接触紧密，接触面切向行为采用弹性滑移变形模型，属性设置为rough，法向行为采用接触压力-过盈模型，属性设置为hard。网格单元的形状为四边形，单元类型为CPE4。

2.2 数值模拟结果与分析

2.2.1 模拟与试验结果对比

将数值模拟计算得到的水泥土柱锤冲扩桩单桩与复合地基的荷载-沉降曲线，与现场试验结果进行对比，见图7。

图7 荷载-沉降模拟曲线与试验曲线对比

由图7可知：数值模拟与试验得到的单桩、复合地基荷载-沉降曲线具有较高的拟合度，说明有限元模型中设置的材料参数、边界条件与接触属性具有合理性。

2.2.2 承载力特征值

单桩与复合地基的荷载-沉降曲线见图8。可知：单桩与复合地基的荷载-沉降曲线均为缓变型。

图8 不同地基的荷载-沉降曲线计算结果

参考JGJ 79—2012、GB 50025—2018《湿陷性黄土地区建筑标准》和TB 10106—2010《铁路工程地基处理技术规程》并综合考虑水泥土柱锤冲扩桩的工作性能、工程需求与场地条件，当荷载-沉降曲线为缓变型时，单桩竖向抗压极限承载力为桩顶总沉降达40 mm时所对应的荷载值，承载力特征值为极限承载力除以安全系数2；复合地基承载力特征值取s/b=0.01（s和b分别为沉降和荷载板边长）时所对应的压力，且当采用边长或直径大于2 m的承压板进行试验时，b按2 m计。得到单桩与复合地基承载力特征值分别为412 kN与315 kPa。

2.2.3 桩体力学特征

在单桩模型顶部以桩体中轴线为中心，设置一1.0 m×0.2 m的垫层，材料与网格属性同复合地基模型一致，按等增量将420 kPa荷载分6级施加到垫层顶部，轴力与侧摩阻力随深度的变化曲线见图9。

图9 桩体轴力、侧摩阻力分布

由图9可知：①桩身侧摩阻力主要集中于上部，峰值出现在深度1 m范围内，而侧摩阻力的大小反映了桩土之间的相对滑移状态，因此桩身变形主要集中在上部；②随着荷载的增大，桩的上部侧摩阻力增长明显，而中下部变化不大，说明增加的荷载主要由上部侧摩阻力承担；③受负摩阻力影响，轴力在浅层处先增长，后随深度增加而减小并趋于缓和；临界桩长以下侧摩阻力趋近于0，小于桩材本身的重力，轴力随深度增加表现出增长的趋势；④临界桩长随着荷载的增大而增加，加载到70 kPa时临界桩长为6 m，加载到140 kPa时临界桩长为8 m，加载到420 kPa时临界桩长超过12 m。

2.2.4 复合地基破坏特征

复合地基在不同荷载下的塑性区和竖向变形分布见图10、图11。可知：荷载较小时，塑性区只出现在桩体部分，竖向变形的分布区以桩体和承台为中心向四周扩展；随着荷载增大，桩间土出现塑性区并逐渐扩大，竖向变形分布区以承台为中心呈泡状向四周辐射；荷载为700 kPa时，复合地基桩间土的塑性区连接地表并相互贯通，承台下部的地基下沉，两侧隆起，结合上文所得到的复合地基荷载-沉降曲线，说明此时复合地基完全破坏，类型为整体剪切破坏。

图10 不同荷载下复合地基塑性区分布

图11 不同荷载下复合地基竖向变形分布（单位：10-1 m）

3 结论

1）水泥土柱锤冲扩桩单桩水平挤密范围大致为0.50 m（1.25倍桩径），地表处最大挤密系数能达到0.96；当复合地基相邻两桩桩间距为1.2 m的时候，桩间土挤密系数最大为0.976，最小为0.953，相比原状土挤密系数0.889有显著提升。

2）加载初期，水泥土柱锤冲扩桩的桩土应力比处于增长阶段，在加载第一级时到达峰值12.65；之后呈非线性减小，并随着桩体与桩间土全部进入塑性而逐渐稳定，最终维持在4.00左右。

3）水泥土柱锤冲扩桩单桩与复合地基的荷载-沉降曲线均为缓变型；经计算，单桩承载力特征值为412 kN，复合地基承载力特征值为315 kPa，说明水泥土柱锤冲扩桩具有良好的承载性能，能够满足工程需要。

4）随着荷载的不断增大，桩周土出现塑性区，且塑性区面积逐渐扩展，当加载到700 kPa时，塑性区连接地表并相互贯通，承台下部的地基下沉，两侧隆起，复合地基呈现整体剪切破坏特征。