DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2017.08.029
桩筏复合结构加固高速铁路深厚软基长期性状的现场试验研究
付贵海1, 2，魏丽敏1，邓宗伟2，蒋建清2
(1. 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙，410075；
2 湖南城市学院 土木工程学院，湖南 益阳，413000)
摘要：结合杭甬高速铁路上虞北站深厚软土地基处理加固工程，开展典型路基断面桩筏复合结构长期工作特性的现场试验研究，测试获得筏板变形、地基沉降、桩顶反力、筏板钢筋应力及筏板下土压力随时间的变化规律。研究结果表明：桩筏复合结构可以满足深厚软基高铁无砟轨道工后沉降控制要求；筏板沉降沿路基横向呈现中心大、边缘小的分布形式，桩顶反力则沿筏板横向呈边缘大、中间小的马鞍形分布；铺轨6月后，筏板的累计工后沉降仅为0.48 mm，边缘处桩顶反力约为平均桩顶荷载的1.41倍、中心处桩顶反力约为平均桩顶荷载的0.75倍；筏板与其下的地基之间存在接触压力，且沿筏板横向呈抛物线型分布，大约承担 30%上部荷载。
关键词：高速铁路路基；桩筏复合结构；软土地基；现场试验
中图分类号：TU473 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2017)08-2195-08
Field test on long-term behaviors of pile-raft composite structure strengthening high-speed railway deep ground
FU Guihai1, 2, WEI Limin1, DENG Zongwei2, JIANG Jianqing2
(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;
2. School of Civil Engineering, Hunan City University, Yiyang 413000, China)
Abstract: Combined with the deep soft soil foundation treatment and reinforcement project of Shangyu north station of Hangzhou—Ningbo high-speed railway, long-term field tests for behaviors of pile-raft composite structure of typical subgrade section were carried out. The change rules with time of raft deformation, soil settlement, pile top load, steel stress of raft and earth pressure under raft were obtained by test. The results show that pile- raft composite structure can control post-construction settlement of high-speed railway ballastless track in deep soft soil. The distribution of the raft settlement along transverse direction of subgrade presents large in center and small in margin, while the reaction force of pile top is saddle shaped in the transverse direction of raft. In six months after track-laying, the total post construction settlement of raft is only 0.48 mm, the pile top reaction at the edge is about 1.41 times of the average pile top load, and the pile top reaction at the center is about 0.75 times of the average pile load. The contact pressure between raft and foundation soil is distributed along transverse direction of the raft in a parabolic type, and approximately 30% of the upper load is undertaken by the foundation soil.
Key words: high-speed railway subgrade; pile-raft composite structure; soft soil foundation; field test
随着无砟轨道在高速铁路中的广泛应用，高速铁路路基工程的工后沉降控制标准越来越严格，路基加固形式不断革新，桩网复合地基法[1-4]、桩筏复合地基法[5-9]、桩板结构法[10-12]、桩筏复合结构法[13]等新型加固方法在高速铁路深厚软土地基加固工程中得到应用，并取得了较好效果。高速铁路路基中的桩筏复合结构相当于建筑工程中的桩筏基础，于2009年被首次应用于杭甬高速铁路路基加固工程。相比于上述其他方法，桩筏复合结构由于采用桩顶与筏板锚固连接的形式，具有承载力高、刚度大、整体性好及沉降小的特点，对于深度超过30 m的软土，采用桩筏复合结构进行加固更为合适。近年来，国内外研究者针对桩筏复合结构在建筑基础工程中的受力变形机制进行研究，取得了一些研究成果[14-18]，加深了对桩筏复合结构的认识。但是，建筑荷载属于刚性荷载，路堤荷载属于柔性荷载，由于荷载形式不同，桩筏复合结构的受力、变形规律也可能有所不同。在铁路路基工程中，有关桩筏复合结构的现场试验及研究成果的报道相对较少[19-20]，桩筏复合结构在高速铁路软基加固中的受力变形机制尚不清楚，也没有相关经验可供参考；传统的桩筏基础或桥梁工程中低桩承台的设计方法偏于保守，造成物力和人力资源的浪费，因此，开展桩筏复合结构加固深厚软基工作性状的现场试验研究显得十分必要。本文作者结合杭甬高速铁路上虞北站深厚软基加固工程，开展典型路基断面桩筏复合结构长期工作特性的现场试验研究，测得不同施工阶段的筏板变形、地基沉降、桩顶反力、筏板内钢筋应力及筏板下土压力随时间的变化规律，探讨桩筏复合结构加固深厚软土地基的工作机理和控制沉降的效果，以便为优化其设计参数提供参考依据。
1 试验概况
1.1 地形地质条件
试验工点位于杭甬高速铁路上虞北站段DK72+898.52~DK74+400，地处苗圃区，其地形地貌为滨海平原区，地势平坦、开阔，分布深厚淤泥质黏土，地面高程4.0~5.1 m。地表水主要为池塘水和沟渠水；地下水以第四系孔隙潜水为主，埋深0.5~2.5 m，其补给来源主要是大气降水及地表水。地表水和地下水均对混凝土结构无侵蚀性。主要地基土的物理力学性质指标如表1所示。
1.2 试验设计
试验段地基采用桩筏复合结构加固, 桩间距2.5 m，桩径0.5 m，PHC管桩桩长43~47 m，桩端嵌入细圆砾土层，按正方形布置。桩筏复合结构筏板厚0.5 m，采用C30钢筋混凝土浇筑，其底部铺设0.1 m厚的 C15混凝土。沿线路纵向每块筏板长14.98 m，2块筏板之间设伸缩缝，缝内用沥青麻筋填塞。
根据地质条件现场选取DK73+795断面埋设元件，主要测试内容为：筏板沉降、地基沉降、桩顶反力、筏板应力、筏板下土压力、管桩桩身压缩、地基侧向位移等。监测断面测试元件布置如图1所示，筏板钢筋计布置示意图如图2所示，其中，SCG代表混凝土应变计，SEP代表土压力盒，SSC代表埋没在筏板部位的单点沉降计，RSC代表埋没在桩筏单元部位的单点沉降计，RGB代表钢筋计。
表1 地基土的物理力学性质指标
Table 1 Physical and mechanical index of soil
图1 监测断面元件布置示意图
Fig. 1 Diagram of testing components arrangement of monitoring section
图2 监测断面筏板钢筋计布置示意图
Fig. 2 Diagram of reinforcement bar arrangement of monitoring section
2 试验结果及分析
2.1 筏板沉降
将编号分别为SSC2-1，SSC2-2和SSC2-3的3个单点沉降计的法兰盘置于筏板顶面，锚头位于(3)4细圆砾土层，如图1所示。图3所示为监测断面路堤填筑开始后约470 d的筏板顶面实测沉降随荷载及时间的变化曲线。
由图3可见：随着路堤填筑高度的增加，筏板沉降逐渐增大；当荷载基本保持不变时，筏板沉降曲线变缓，沉降速率变小；在堆载预压期，随着堆载的快速增加，筏板沉降又显著增大；堆载完成后，筏板上荷载保持不变，沉降速率也逐渐减小；堆载卸载后，测试结果显示筏板有少量回弹，然后沉降又缓慢增大；路床表层及轨道板开始施工期，筏板沉降速率有所增加；施工结束后，沉降趋于稳定。监测期筏板总的平均沉降为6.08 mm，铺轨6月后整个筏板工后平均沉降为0.48 mm。文献[20]也给出了其他17个上虞北站桩筏复合结构沉降监测点的工后12月沉降量，数值为-0.89~6.54 mm，其中，工后沉降量在0~3 mm的监测点占94%。以上监测数据说明桩筏复合结构能够有效控制深厚软土地基总沉降及工后沉降。
图3 筏板顶面沉降随时间的变化曲线
Fig. 3 Change curves of raft settlement with time
与监测断面单点沉降计SSC2-2进行对比的沉降板埋设在DK73+800断面，两断面相距5 m，二者地基处理形式与填筑高度均相同，2种不同测试元件所测得筏板沉降量如图4所示。图5所示为监测断面1/2筏板顶面沉降沿筏板横向分布。
由图4可见：虽然单点沉降计所测的筏板沉降量仅在路堤填筑的前半段及堆载卸载之后的一段时间内与沉降板所测数据比较接近；在其他时间段，前者的所测得沉降值均大于后者，但2种测试元件所测得的筏板沉降发展趋势基本一致。由图5可见：堆载预压施工完成之后，筏板中点沉降依然最大，其次为距筏板中心8.35 m处，距筏板中心13.75 m处沉降最小；堆载预压施工完成后第127天，实测筏板中点沉降量为6.63 mm，距筏板中心13.75 m处筏板沉降量为4.32 mm，沉降差为2.31 mm，表明筏板沉降沿路基横向中心处最大，筏板边缘处最小，整个筏板沉降呈蝶形分布。
2.2 地基沉降
为测试筏板下地基土的分层沉降情况，将3个单点沉降计布置在路基中心，其法兰盘位于筏板的垫层下，其中SSC2-4和SSC2-5的锚头分别位于地基土层的第1层((1)粉土)和第2层((1)3淤泥质黏土层)的底部，SSC2-6的锚头位于桩端以下0.5 m左右，这3个单点沉降计主要用于监测筏板下地基土的分层沉降。另外3个单点沉降计的法兰盘位于筏板顶面，主要用于监测筏板的沉降。地基土分层沉降测试结果如图6所示。
图4 2种不同测试元件所测筏板沉降量对比
Fig. 4 Comparison of raft settlement measured by two different test elements
图5 实测1/2筏板顶面沉降沿筏板横向分布
Fig. 5 Distribution of settlement of 1/2 raft along transverse direction raft
由图6可见：不同厚度的地基土层沉降发展规律基本相同。在铺轨施工结束时，SSC2-4，SSC2-5和SSC2-6单点沉降计测得的沉降分别为3.16，5.65，6.85 mm，SSC2-5测得的沉降值与SSC2-4和SSC2-6测得的沉降值的差值分别为2.49，1.20 mm，可见SSC2-5 单点沉降计测得的沉降与SSC2-6的接近，而与SSC2-4的相差较大，说明(1)3淤泥质黏土层对地基沉降的影响最大。对于饱和软黏土地基而言，其沉降可以认为是以主固结沉降为主，即在外部荷载作用下，地基中的孔隙水受压被挤出而产生固结。地基的沉降发展与超孔隙水压力的变化密切相关，因此，有必要结合超孔隙水压力的消散来分析地基的沉降规律。在路堤填筑及堆载预压期，路堤荷载刚开始作用时，地基中的孔隙水来不及排出，而是全部转化为超孔隙水压力，随着时间增加，超孔隙水压力不断消散，地基沉降速率逐渐减小。在铺轨结束到监测截止日5个多月的时间段，超孔隙水压力虽大部分已消散，但地基沉降仍以较小的速率发展，SSC2-4，SSC2-5和SSC2-6单点沉降计测得的沉降增加值分别为0.15，0.35和0.48 mm，这主要是由(1)3淤泥质黏土层的次固结沉降所造成。次固结是因土颗粒骨架的黏滞阻力而产生的蠕变现象，一般认为次固结产生于固结现象的最终部分。对于存在深厚软土的地基，次固结沉降占总沉降中很大的一部分，在工程设计和施工中，必须加以考虑，以保证建筑物或构筑物的长期安全。
图6 地基沉降随时间的变化曲线
Fig. 6 Change curves of foundation soil settlement with time
2.3 筏板钢筋应力
将钢筋计设置在筏板横向主筋上，处于桩顶及桩间位置，如图2所示。钢筋计的长期监测结果如图7~8所示，其中，图7所示为钢筋应力随时间的变化曲线，图8所示为钢筋应力沿筏板横向分布曲线。路基填筑期及堆载预压初期筏板中钢筋应力基本随填筑高度的增大而增大，没有出现明显的应力突变，但在堆载预压中后期钢筋应力增长缓慢；在堆载卸载过程中，随着预压荷载的减少，钢筋应力也有所减少，出现反弹现象；卸载之后到路床表层及轨道板施工期，筏板钢筋应力又缓慢增长；路床表层及轨道板施工完成后约3月，筏板钢筋应力开始减小；观测期结束时，钢筋应力进一步减小，为峰值应力的40%~70%。由图8可以看出：各桩桩顶处钢筋应力大于相邻桩间位置处的钢筋应力；筏板钢筋的最大拉应力出现在距筏板中心7.5 m桩顶处，其值为16.9 MPa，不到钢筋抗拉强度的1/15，说明设计配筋是安全的，并且还有较大的优化空间。
图7 钢筋应力随时间变化曲线
Fig. 7 Change curves of reinforcement stress with time
图8 钢筋应力沿筏板横向分布曲线
Fig. 8 Distribution curves of reinforcement stress along transverse direction of raft
2.4 桩顶反力
为了测试桩顶反力，将混凝土应变计埋设在桩顶位置，如图1所示。将桩顶实测的混凝土应变值换算为桩顶反力。桩顶反力的长期监测结果如图9和图10所示。
图9 桩顶反力随时间变化曲线
Fig. 9 Change curves of pile-top counterforce with time
图10 桩顶反力沿筏板横向分布
Fig. 10 Distribution of pile-top counterforce along transverse direction raft
图9所示为桩顶反力随时间变化曲线。由图9可见：总体上桩顶反力随路基填筑高度的增加而增大，其中边桩增长最快，中心桩增长较慢；筏板上荷载保持不变时，桩顶反力随时间延长趋于稳定。图10所示为桩顶反力沿筏板横向分布。由图10可见：桩顶反力沿筏板横向基本呈边缘大、中间小的马鞍形分布，最大桩顶反力出现在边缘处，监测终止日该值为平均桩顶荷载的1.41倍；而最小桩顶反力出现在筏板中间或靠近筏板中间处，监测终止日该值为平均桩顶反力的0.75倍。一般来说，筏板的整体弯矩大小取决于上部荷载与桩顶反力分布。路堤荷载是柔性荷载，不需要考虑上部结构刚度的影响，可认为是均布荷载。而当桩顶反力分布模式与荷载分布模式一致时，其整体弯矩趋于0；当桩顶反力分布模式为外大内小时，其整体弯矩和冲切力均增大。
2.5 筏板下土压力
土压力盒埋设在筏板底部垫层下4个桩的中心位置，以测试筏板与地基的接触压力，如图1所示。筏板垫层下的4个土压力盒长期监测结果如图11图12所示。
图11所示为筏板下土压力随时间变化曲线。由图11可见：在路堤填筑初期，筏板下各个部位的土压力都有一个快速增长的过程，之后增速缓慢，甚至在堆载预压施工期，筏板下土压力也未出现显著增大。由此可以说明：在路堤施工初期，上部荷载主要由筏板下地基土来承担，之后增加的荷载更多由桩来承担，筏板下地基土承担的比例减小。图12所示为筏板下土压力沿筏板横向分布。由图12可见：接近筏板中心处的土压力最大，而接近筏板边缘处的土压力最小，由此可推测出土压力沿筏板横向呈抛物线型分布，监测终止日距筏板中心1.25，3.75，8.75和13.75 m处的筏板下土压力分别为36.6，31.6，22.3和9 kPa，平均值为24.9 kPa，大约承担 30%上部荷载。因此，在设计时考虑桩间土荷载的分担，将会使桩筏复合结构设计更趋经济、合理。
图11 筏板下土压力随时间变化曲线
Fig. 11 Change curves of soil pressure under raft with time
图12 筏板下土压力沿筏板横向分布
Fig. 12 Distribution of soil pressure under raft along transverse direction of raft
2.6 孔隙水压力
打桩结束后约140 d监测断面路堤开始填筑施工，可认为此时超孔隙水压力已很小，基本上已消散。根据现场实测数据，可把受前期打桩扰动又重新固结后的超孔隙水压力设为新的初始值，可以获得超孔隙水压力(超孔压)在路堤填筑不同施工阶段的变化规律，如图13所示。
图13 监测断面路堤荷载下超孔压的变化曲线
Fig. 13 Change curve of super-pore pressure of monitoring section under embankment load
由图13可见：在填筑期，随着填筑高度的增大，超孔隙水压力总体上呈现不断增大的趋势。在路堤上进行堆载预压施工时，会引起超孔隙水压力的上升，但堆载预压施工结束后的一段时间内，土体内的超孔隙水压力没有下降，反而继续增大，甚至超过应有的压力值，这就是所谓的Mandel-Cryer效应。堆载预压结束后，超孔隙水压力又逐渐减小；轨道板施工期，超孔隙水压力又快速上升，之后一段时间，超孔隙水压力缓慢减小，但多数超孔隙水压力难以完全消散。
3 结论
1) 桩筏复合结构用于高铁无砟轨道路基的地基加固可以满足高压缩性软土无砟轨道路基工后沉降的控制要求。
2) 筏板沉降沿路基横向呈现中心大、边缘小的分布。铺轨结束时，实测筏板中点沉降量为7.15 mm，距筏板中心13.75 m处筏板沉降量为4.65 mm，沉降差为2.50 mm。
3) 筏板钢筋最大拉应力出现在距筏板中心7.5 m桩顶处，其值为16.9 MPa，约为钢筋抗拉强度的1/15，说明设计配筋是安全的，并且还有较大的优化空间。
4) 桩顶反力在路堤填筑和堆载期间增长较快，堆载卸载后有所减小，之后趋于平稳。桩顶反力沿筏板横向基本呈边缘大，中间小的马鞍形分布，最大桩顶反力出现在边缘处，铺轨6月后其值为平均桩顶荷载的1.41倍；而最小桩顶反力出现在筏板中间或靠近筏板中间处，铺轨6月后其值为平均桩顶反力的0.75倍。
5) 筏板下土压力测试表明，筏板与其下的地基之间存在接触压力，且沿筏板横向呈抛物线型分布。铺轨6月后距筏板中心1.25，3.75，8.75和13.75 m处的筏板下土压力平均值为24.9 kPa，大约承担 30%上部荷载。因此，在设计时考虑桩间土荷载的分担，将会使桩筏复合结构设计更趋经济、合理。
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(编辑 伍锦花)
收稿日期：2016-10-03；修回日期：2016-12-29
基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51678226)；湖南省自然科学基金资助项目(2016JJ4013)；湖南省教育厅重点资助项目(16A038)(Project (51678226) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project (2016JJ4013) supported by the Natural Science Foundation of Hunan Province; Project (16A038) supported by Educational Commission of Hunan Province)
通信作者：付贵海，博士，副教授，从事软基处理及桩基工程研究；E-mail：fugui6666@126.com
