沿海铁路桩-网复合结构地基沉降的试验与理论研究黄玉仁(中铁二十四局集团福建铁路建设有限公司 350013)摘 要： 通过温福高速铁路软土路堤试验段工程，对桩-网复合结构形式加固的软土地基，以现场实测资料为验证，分析了桩-网复合结构处理深厚软土地基的沉降规律，利用数值计算方法进行工后沉降推算，并研究了桩-网复合结构地基的沉降计算方法。 关键词：桩-网复合结构 深厚软土地基 沉降特性 沉降计算方法1 概述目前，我国高速铁路设计运行速度一般是 200350km/h，必须满足高速度、高密度、高舒适度和高安全性的要求。因此，高速铁路路基的设计在许多方面已深化和改变了传统的设计思路，其中集中体现在：铁路的设计正在从承载力控制设计向沉降控制设计发展，因而精确计算软土地基沉降成为急待解决的问题。正在建设的东南沿海高速铁路软土地基深度达 4060m ，强度低、压缩性高、透水性小、厚度大、深度大的深厚层软土分布很广。东南沿海多为全新统海陆交互地层，其软土层多属典型的海积滩涂溺谷相沉积、海积滨海泻湖相沉积淤泥淤泥，平均含水量达 68%以上，压缩性之高、强度之低国内罕见，软土地基的沉降控制是个极大的挑战。在我国，2004 年开始掀起的高速铁路建设热潮，铁路工程界意识到采用 “桩（PHC管桩、CFG 桩）桩帽土工网垫”形成的桩-网复合结构 1 处理深厚层软土地基的必要性，同时意识到有许多理论和技术问题还没有解决，才开始在武广客运专线、温福客货共线安排现场试验研究，开展设计前期的研究工作。2 工程概况温福铁路 DK275+000DK275+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 13.25m，为梯形断面，边坡坡率 1： 1.5，填筑高 5.05.6m 。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 0.42.1m；(2) 淤泥，浅灰色，流塑，层厚 10.519.7m；(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3.628m； (4) 花岗岩，全风化呈砂土状，标贯击数 N2550，厚12m；(5) 凝灰岩，- 2灰绿色或灰白色，全风化呈砂土状，标贯击数 N 1635，厚10m 。里 程 工 程 措 施DK275+000+090采用 CFG 桩加固，桩间距：路肩范围内 1.6m，边坡范围内 1.8m，桩长 2324m，桩径 0. 5 m，呈正方形布置。桩顶设直径 1.00.60m C15 钢筋混凝土扩大桩头，其上铺设厚 0.4m 碎石垫层，中间设单层双向土工格栅。DK275+090+400采用预应力管桩加固，桩间距：路肩范围内 2.5m，边坡范围内 3.0m，桩长 3044m，桩径 0. 5 m，呈正方形布置。桩顶设 1.61.60.35m C30 钢筋混凝土桩帽，其上铺设厚 0.4m 碎石垫层，中间设两层土工格栅。3 试验方案结合本工程试验目的及地基处理的工程措施，本次试验共布设了 8 个测试断面，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；辅观测断面主要进行地基应力及桩土应力的测试。全断面地基沉降观测：采用水平仪对每一个观测断面的沉降板、边桩及路基面观测桩进行沉降观测，了解在路堤荷载作用下桩-网结构中地基土及桩体的沉降变形规律。地基分层、深层沉降观测：利用分层沉降仪对每一个观测断面路堤中心的地基分层、深层沉降进行观测；对加固区及加固区下部土体的全程沉降变形直接进行测量，以了解桩网结构的应力传递规律。深层沉降管设置：在测试断面的中心布置一个分层沉降孔，分层沉降孔设在桩间土中，埋设深层沉降管时，每 23m 设磁环一个。在路堤正式填筑之前，对已安装好的深层沉降仪、沉降板、边桩等进行复测，测定初始数据。观测采用二等水准测量，观测精度不低于 1mm。深层沉降磁环深度采用高精度磁性探测仪测得，要求每次测两组数据，误差应小于 2mm。沉降在施工期间每一填筑层进行一次观测，在沉降量突变的情况下，每天观测 23次，当两次填筑的时间间隔较长时，每 3 天至少观测一次。路堤经过分层填筑达到预压高程后，在预压期的前 23 个月内，每 5 天观测一次；三个月后 15 天观测一次；半年后一个月观测一次，一直观测到设计要求的时间。连续观测了 22 个月。每次观测完成后及时整理、汇总测量结果。4 试验成果及分析4.1 DK275+050 断面 CFG 桩加固软基 2路堤全断面总共布设 6 块沉降板，其中 2、4、7 号沉降板位于桩顶，1、3、6 号位于- 3桩间土上，5 号为深层沉降管。测得桩顶、桩间土沉降数据如下表(单位：mm)： 沉降板号及位置 填筑结束 恒载 3 个月恒载 12 个月 恒载 22 个月1#（左路肩，土）31 51 77 742#（左路肩，桩）38 58 73 793#（中 心，土）24 47 67 764#（中 心，桩）36 56 80 856#（右路肩，土）30 47 75 827#（右路肩，桩）38 61 82 88从沉降实测资料来看，桩间土沉降与桩顶沉降似乎相当，其值在 7090mm 之间，甚至部分桩顶沉降还大于桩间土沉降。加载期间沉降速率较大，最大沉降速率为67mm/d，填筑结束后沉降趋势变缓，但沉降仍持续发展，到恒载 12 个月以后沉降趋于稳定，但由于应力向桩顶集中，桩顶沉降变形仍有发展。4.2 DK275+150 断面预应力管桩加固软基路堤全断面总共布设 8 块沉降板，其中 2、6、9 号沉降板位于桩顶，1、3、4、7、8号位于桩间土上，5 号为深层沉降管。测得桩顶、桩间土沉降数据如下表(单位：mm)： 沉降板号及位置 填筑结束恒载 3 个月恒载 12 个月 恒载 22 个月1#（左路肩，土）23 31 32 402#（左路肩，桩）28 22 13 123#（中 心，土）39 56 105 1114#（中 心，土）41 74 105 1166#（中 心，桩）18 26 16 157#（中 心，土）16 18 26 308#（右路肩，土）19 39 83 889#（右路肩，桩）12 13 9 9- 4从沉降实测资料来看，桩顶在填筑结束 12 个月后最终沉降为 615mm，变形量很小，管桩自身刚度很大，持力层为全风化花岗岩，沉降在填筑结束 3 个月就完成了，基本不随时间的变化而变化。因此，可以将管桩桩体部分沉降视为“零沉降” 。路堤中心桩间土的最大沉降量分别为 111mm、116mm，7 号沉降板不是放置在四根管桩中心的沉降最大点，而是放在正方形一条边的中心，因此沉降数据偏小只有 30mm。左右侧路肩桩间土的沉降分别为 40mm、88mm。桩间土沉降在加载期间沉降速率较大，最大沉降速率为 35mm/d，加载结束后沉降趋势变缓，但沉降仍持续发展，到恒载 12 个月以后沉降趋于稳定。4.3 DK275+245 断面预应力管桩加固软基( 单位：mm ) 沉降板号及位置 填筑结束 恒载 3 个月恒载 12 个月 恒载 22 个月1#（左路肩，土）9 21 25 272#（左路肩，桩）8 13 10 103#（中 心，土）26 67 68 684#（中 心，土）20 32 45 456#（中 心，桩）5 6 1 07#（中 心，土）14 31 31 318#（右路肩，土）16 24 21 209#（右路肩，桩）2 6 6 7从沉降资料分析来看，桩顶在填筑结束 12 个月后最终沉降为 010mm，沉降量非常小。路堤中心桩间土圆形沉降板最大沉降量分别为 68mm、45mm。左右侧路肩桩间土的沉降分别为 27mm、20mm，7 号沉降板最大沉降量为 31mm。管桩桩顶沉降几乎不随时间发展，桩间土沉降在加载结束 3 个月后沉降趋于稳定。4.4 DK275+375 断面预应力管桩加固软基(单位：mm)沉降板号及位置 填筑结束 恒载 3 个月 恒载 12 个月 恒载 22 个月1#（左路肩，桩）31 41 31 312#（左路肩，土）22 38 58 573#（中心，土） 37 68 79 79- 54#（中心，土） 38 58 59 596#（中心，桩） 18 24 18 187#（中心，土） 16 28 32 378#（右路肩，桩）35 15 19 199#（右路肩，土）32 49 68 68桩顶在填筑结束 12 个月后最终沉降为 1831mm；路堤中心桩间土圆形沉降板最大沉降量分别为 79mm、59mm。左右侧路肩桩间土的沉降分别为 57mm、68mm，7 号沉降板最大沉降量为 34mm。管桩桩顶沉降几乎不随时间发展，桩间土沉降加载结束 3 个月后沉降趋于稳定。4.5 深层沉降成果及分析DK275+150、DK275+245、DK275+375 预应力管桩断面深层沉降测试数据表明，地基表层最大沉降量分别为：105mm、63mm、71mm，与沉降板观测结果相当，从单个磁环的变形情况来看，下卧层（持力层为全风化至强风化）的压缩量为 1220mm，地基的主要变形层集中在 23m 范围内，也就是淤泥层范围，其压缩量占总变形量的 80%左右。4.6 地基沉降量预测利用 22 个月实测的荷载时间沉降曲线，选择双曲线方程式法对沉降曲线进行拟合，进而推算后期沉降或最终沉降量，从而对加固效果进行评估并指导下一步施工，这种信息化的施工方法已越来越引起国内外岩土界专家和学者的重视。桩顶、桩间土沉降实测数据的平均值汇总表 5-1 单位：mmDK275+050 DK275+150 DK275+245 DK275+375断面位置桩顶 桩间土 桩顶 桩间土 桩顶 桩间土 桩顶 桩间土填筑结束 37 28 19 31 2 18 28 32恒载 3 个月 58 48 20 50 8 36 27 53恒载 22 个月85 78 9 89 5 40 23 66桩顶最终沉降推测计算结果汇总表 5-2 单位：mm断面位置 左路肩 路堤中心 右路肩 平均值DK275+050 94 102 105 100DK275+150 32 36 25 31DK275+245 25 14 11 17- 6DK275+375 43 29 58 43表 5-2 显示，桩顶最终沉降值，CFG 桩段最大 105mm，预应力管桩段最大 58mm。以填筑结束后 3 个月为桩顶最终沉降的起算点计算，CFG 桩路堤工后沉降为 42mm，预应力管桩路堤工后沉降为 916mm。以填筑结束后 1 年实测数据计算，CFG 桩路堤年沉降速率为33 mm/年，预应力管桩路堤年沉降速率为 35 mm/年，满足高速铁路规范要求。6 地基沉降计算方法研究根据桩-网复合结构作用机理和地基沉降规律的分析，桩-网复合地基作为复合地基的一种特殊形式，可以利用复合地基的计算方法估算地基沉降 3 。同时，由于桩-网复合地基的土工格栅或土工格室的碎石垫层（褥垫层）可以起到保证桩土共同承担荷载的作用，从而起到柔性承台的作用，因而也可用群桩沉降的计算方法 4 。通常把复合地基总沉降量 S 分为复合地基加固区压缩量 S1 和复合地基下卧层压缩量S2 二部分，即 S= S1 + S2，其中 S1的计算方法主要有复合模量法、应力修正法、桩身压缩量法等方法； S2的计算方法通常采用分层总和法计算，在分层总和法计算中，作用在下卧层土体上的荷载或土体中附加应力常采