桩－网复合结构桩土应力变化规律的试验研究

来源:用户上传      作者: 黄玉仁

　　[摘要] 通过温福高速铁路软土地基试验段工程，对采用预应力管桩、CFG桩加固的桩－网复合结构的桩、桩间土的应力进行现场实测，通过对实测数据的分析研究，揭示桩、桩间土的应力分布及变化规律。
　　[关键词] 高速铁路 软土地基 桩－网复合结构 应力分布规律
　　
　　1 概述
　　
　　温福高速铁路福建段软土地层多为全新统海陆交互相地层，其软土层属典型的海积滩涂―溺谷相沉积淤泥，其平均含水量达到75%以上，分布广、厚度大、指标差，其中压缩性之高、强度之低为国内罕见。软土层内多黏土、粗砂等透镜体夹层且厚度分部不均，变化较大。在温福线的设计中，对深厚层软土地基处理采用预应力管桩、CFG桩等进行加固，并采用“桩－桩帽－土工网垫”的复合结构形式（后面简称“桩－网复合结构”）。鉴于桩－网复合结构在我国铁路软土路基的地基加固工程中的应用刚起步，缺乏试验研究数据，因此在温福铁路全面开工前，选择温福正线DK275+000～+400段，开展现场软土地基处理及填筑试验研究。通过对桩基承载力、应力传递及变形规律，桩、土应力的分布及变化、地基变形等实测数据的分析研究，对桩网复合结构的加固设计（单桩承载力、桩型、桩间距、桩帽及网垫层等）进行验证。
　　
　　2 工程概况
　　
　　温福铁路DK275+000~DK275+400试验段地形平坦，为水田，地面标高4.0m左右，路基面宽度为13.1m，为梯形断面，边坡坡率1：1.5。工点范围均为第四系地层覆盖，上部为全新统滨海滩涂―溺谷相沉积形成，底部粘土属坡残积成因，下伏基岩为燕山期凝灰岩、侵入岩，地基土各层的岩性分述如下：(1)粉质黏土，硬塑，局部夹少量砾石，层厚0.4~2.1m；(2)淤泥，浅灰色，流塑，层厚10.5~19.7m；(3)粉质黏土，软硬分布不均，海陆交互相成因夹粗砂、砾石、碎石土、淤泥质黏土等透镜体，厚3.6～28m； (4) 花岗岩，全风化呈砂土状，标贯击数N＝25～50，厚>2m；(5) 凝灰岩，灰绿色或灰白色，全风化呈砂土状，标贯击数N＝16～35，厚>10m。
　　
　　3 试验方案
　　试验断面设置。本次试验共布设完成了8个观测断面，其中主测试断面4个，辅测试断面4个。主测试断面进行路基全断面变形观测、全断面应力观测、褥垫层土工格栅应变测试、桩间土及桩变形、应力等多个项目的测试与观测；辅测试断面主要进行地基应力及桩土应力的测试，分别在DK275+055、DK275+155、 DK275+250、 DK275+380路基设计断面位置，利用土压力测试仪对埋设在每个辅测试断面褥垫层顶、底面不同位置（桩顶及桩间土）处的土压力盒进行应力测试，了解加荷沉降过程中桩、土应力的变化规律及相应的桩土应力比。每个辅测试断面路肩下设置10个土压力盒，桩、土各5个。
　　
　　4 测试数据分析
　　
　　4.1 DK275+055断面
　　DK275+055断面为CFG桩加固软土地基，测试桩、土应力比的压力盒集中布置在路肩范围内，分别布设在桩顶、桩间土上方，具体测试结果见下表：
　　
　　从DK275+055断面的情况来看，加载初期，随填土高度的增加，桩顶及桩间土压力均迅速增加，桩土应力比（路堤横断面相同部位桩顶应力与桩间土应力的比值，简称“应力比”）为0.89，桩间土承担了较多的压力，但桩间土压力随加载间歇期地基土沉降的进行而迅速消散，填土施工结束时，桩顶平均应力为229.8kPa，桩间土平均应力为32.67kPa，桩土应力比接近于7，由于桩间土模量小，变形大，而CFG桩桩体变形很小，桩间土与桩体的变形不协调，桩间土发生沉降变形将应力通过土工格栅垫层传递至桩体，导致桩间土所受压力进一步减小，桩顶压力进一步增大。随着填土的增高及时间的推移，桩间土压力逐渐减少，桩顶应力则相应缓慢上升，通过土工格栅垫层的变形协调作用，路堤内部桩与桩之间产生较稳定的“拱效应”，绝大部分填土荷载通过“拱效应”传递到桩顶。恒载（路基填筑完成）1年后，桩顶平均应力增大为254.4kPa，桩间土平均应力降低为7kPa，桩土应力比超过35。
　　4.2 DK275+155断面
　　DK275+155断面为预应力管桩加固软土地基，测试桩、土应力比的压力盒集中布置在路肩范围内，分别布设在桩顶、桩间土褥垫层底层和表层上方，具体测试结果见下表：
　　
　　从DK275+155断面的情况来看，在施工填筑期，随填土高度的增加，桩顶和桩间土的土压力均在增加，相对来说桩间土压力增长幅度不大，而且在填土间歇期，随着沉降的进行，桩间土压力迅速降低，桩间土最大压力出现在填筑速率最大时候，褥垫层表层桩间土最大平均压力为54kPa，底层为69kPa，近似等于其自重压力。桩顶压力则随填筑的进行迅速增加，填土施工完成时，桩顶位置褥垫层顶、底面的平均应力分别为165kPa、221kPa，桩间土平均应力分别为7kPa、12kPa，桩土应力比分别为23.57、18.42。由于桩间土模量小，变形大，而管桩桩体的沉降变形很小，几乎可以忽略，桩间土与桩体的变形不协调，通过褥垫层的协调作用，从而在桩与桩之间产生“拱效应”，导致桩间土所受压力进一步减小，填土荷载通过“拱效应”传递到桩顶，使桩顶压力进一步增大。随着时间的推移，桩间土压力逐渐减少，趋近于0，桩顶应力则相应缓慢增加。当填土完成1年后褥垫层表层桩顶应力增大为222.67kPa，底层增大为298.67 kPa。从上表可以看出，当填土完成一个月后，桩土应力比已经接近60，说明土工垫层的应力调整在填土结束后不久已经完成，桩－桩帽－网垫层－填土已经形成了一个较稳定的结构，而路堤的沉降观测及测斜试验结果也证实了这一点。
　　4.3 DK275+250断面
　　DK275+250断面为预应力管桩加固软土地基，测试桩、土应力比的压力盒集中布置在路肩范围内，分别布设在桩顶、桩间土褥垫层底层和表层上方，具体测试结果见下表：
　　
　　DK275+250断面由于在桩间距、填筑高度、填筑速率等要素方面与DK275+155断面相同或类似，因此整体结果与DK275+155断面情况类似。填筑期褥垫层表层桩间土最大平均压力为23kPa，底层为25.5kPa。填土施工完成时，桩顶位置褥垫层顶、底面的平均应力分别为208kPa、198.5kPa，桩间土平均应力分别为7.67kPa、3.75kPa，桩土应力比分别为27.13、52.93。填土完成1年，后褥垫层表层桩顶应力增大为283.67kPa，底层增大为298.00 kPa。
　　4.4 DK275+380断面
　　DK275+380断面为预应力管桩加固软土地基，测试桩、土应力比的压力盒集中布置在路肩范围内，分别布设在桩顶、桩间土褥垫层底层和表层上方，具体测试结果见下表[1]：
　　
　　DK275+380断面填筑期褥垫层表层桩间土最大平均压力为43.33kPa，底层为38.25kPa。填土施工完成时，桩顶位置褥垫层顶、底面的平均应力分别为168.67kPa、95.67kPa，桩间土平均应力分别为1.67kPa、5.5kPa，桩土应力比分别为101.2、17.39。填土完成1年后褥垫层表层桩顶应力增大为220.00kPa，底层增大为126.33 kPa。
　　从4个辅助断面的桩、桩间土应力测试可以看出，桩土应力比在不同时间不同荷载作用下是不同的，有如下的基本规律：
　　① 桩土应力比随着荷载的增加而增加。由于桩顶应力持续增加，桩间土应力基本维持不变，因此，桩土应力比持续增加。
　　② 桩土应力比随时间的增加而增加。路基填筑完成后，路堤荷载不再变化，但实测桩间土应力随时间、沉降的进行下降较快，桩间土平均应力下降相对缓慢，桩顶应力缓慢增加。
　　③ 桩土应力比随桩间距的增加而增加。填土高度相同情况下，桩净间距越大，桩土应力比越大。沉降稳定后，0.6m净间距CFG桩平均桩土应力比小于净间距为0.9m预应力管桩。
　　④ 桩土荷载比随时间、荷载的增加持续增加。CFG桩桩帽面积置换率为30.7%，预应力管桩为34%。根据实测的应力，路基填筑完成时CFG桩、预应力管桩路肩范围内桩、土荷载比（桩帽面积承担荷载与单位加固面积内总荷载的比值，简称“荷载比”）为65%，路基填筑完成1年后分别达73%、90%。路基填筑完成1年后，CFG桩、预应力管桩路堤全断面荷载比分别为60%、82%，小于路肩范围内。可见边坡范围内土拱作用效果弱些，桩间土相对承担荷载更多，路肩范围内应力集中现象更明显，土拱作用更强。
　　综上所述，路堤填筑期间，由于路堤“土拱效应”的作用，路堤基底应力分布桩顶应力集中明显，桩间土应力较低，在垣压期间，路堤应力进一步向桩顶集中，桩土应力比、荷载比缓慢增长。填筑稳定1年后，CFG桩平均桩土应力比为35，预应力管桩平均桩土应力比在100～170之间，桩土荷载比在73%～90%之间，桩体承担了大部分路堤荷载，桩间土平均应力＜10kpa，桩间土承担荷载较小，设计时按路堤荷载完全由桩承担是偏于安全的，也是合理的。
　　
　　参考文献
　　[1] 余雷.路堤软土地基加固试验研究报告, 2006.

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