沿海铁路桩-网复合结构地基沉降的试验与理论研究

1、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

2、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

3、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、 (4) 花岗岩，全风化呈砂土状，标贯击数N2550，厚>12m；(5) 凝灰岩，灰绿色或灰白色，全风化呈砂土状，标贯击数N1635，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1.0×0.60m 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1.6×

5、;1.6×0.35m 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

6、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

7、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）315177742#（左路肩，桩）385873793#（中 心，土）244767764#（中 心，桩）365680856#（右路肩，土）304775827#

8、（右路肩，桩）38618288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）23313

9、2402#（左路肩，桩）282213123#（中 心，土）39561051114#（中 心，土）41741051166#（中 心，桩）182616157#（中 心，土）161826308#（右路肩，土）193983889#（右路肩，桩）121399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

10、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）92125272#（左路肩，桩）81310103#（中 心，土）266768684#（中 心，土）203245456#（中 心，桩）56107#（中 心，土）143131318#（右路肩，土）162421209#（右路肩，桩）2667从沉降资料分析来

11、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）314131312#（左路肩，土）223858573#（中心，土）376879794#（中心，土）385859596#（中心，桩）182418187#（中心，土）162832378#（右路

12、肩，桩）351519199#（右路肩，土）32496868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

13、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：mm断面位置DK275+050DK275+150DK275+245DK275+375桩顶桩间土桩顶桩间土桩顶桩间土桩顶桩间土填筑结束372819312182832恒载3个月584820508362753恒载22个月85789895402

14、366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+05094102105100DK275K275+24525141117DK275+37543295843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

15、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用应力扩散法、当量层法等方法。在常用的群桩沉

16、降理论计算地基沉降的方法中，通常采用建筑地基基础设计规范（GB50007-2002）推荐方法的单向压缩分层总和法、铁路桥涵地基和基础设计规范（TB10002.5-2005）推荐的方法、等代墩基法等方法。6.1 试验段的沉降计算 DK275+050断面CFG桩段现场桩及土层参数表E(压缩模量)MPaV（泊松比）密度（kg/ m3）H厚度（m）级配碎石500.31.9×1030.6AB填料500.31.9×1031.9夯填土480.21.95×1032.0褥垫层1000.151.9×1030.4桩帽2.2×1040.152.4×1030.

17、6桩2.2×1040.152.4×10323粉质黏土6.330.41.89×1032淤泥1.270.421.54×10318黏土6.620.41.94×1036碎石土6.620.251.94×1033.5黏土6.620.41.94×1036全风化花岗石420.213. 5根据上述参数，计算沉降量结果如下表： 表6-1沉降计算方法沉降量（mm）复合地基法加固区复合模量法一般桩的复合模量法1增大复合地基模量法119应力修正法306桩身压缩量法40下卧层布辛纳斯克公式结合分层总和法43应力扩散法111当量层法98群桩沉降计算方法建

18、筑地基基础设计规范（GB50007-2002）137铁路桥涵地基和基础设计规范（TB10002.5-2005）推荐方法1676.1.2 DK275+245断面预应力管桩段现场桩及土层参数表E(压缩模量)MPaV（泊松比）密度（kg/ m3）H厚度（m）级配碎石500.31.9×1030.6AB填料500.31.9×1031.9夯填土480.21.95×1032.2褥垫层1000.151.9×1030.4桩帽3×1040.132.5×1030.35桩3.6×1040.132.5×10335粉质黏土6.330.41.8

19、9×1032淤泥1.270.421.54×10319粉砂3.70.31.59×1034黏土6.620.41.94×10311凝灰岩全风化360.21.95×103根据上述参数，计算沉降量结果如下表： 表6-2沉降计算方法沉降量（mm）复合地基法加固区复合模量法一般桩的复合模量法18增大复合地基模量法230应力修正法809桩身压缩量法41下卧层布辛纳斯克公式结合分层总和法7应力扩散法20当量层法17群桩沉降计算方法建筑地基基础设计规范（GB50007-2002）31铁路桥涵地基和基础设计规范（TB10002.5-2005）推荐方法38地基沉降计算

20、方法将复合地基沉降计算结果表6-1、表6-2，与桩顶、桩间土沉降实测数据（表5-1）、根据实测资料进行预测的结果（表5-2）相比较，分析得出如下结论：CFG桩段地基群桩沉降计算方法所计算的沉降量（表6-1）分别为137mm、167mm，与根据实测数据所预测的沉降量（表5-2）平均100 mm较为接近，计算方法需要修正。因此，采用CFG桩加固软土的地基，其沉降量可用现行的建筑地基基础设计规范或铁路桥涵地基和基础设计规范公式计算，计算结果修正系数应分别取0.60.8。预应力管桩段地基群桩沉降计算方法所计算的沉降量（表6-1）分别为31mm、38mm，与根据实测数据所预测的桩顶沉降量31 mm很接近。但与桩间土实测数据（表5-1）平均65mm相比，计算结果修正系数为2.0。7 结束语7.1地基沉降的理论计算CFG桩和预应力管桩加固的软土地基，其沉降量可用现行的建筑