舒 玉,嚴戰(zhàn)友,劉紅峰

(1.石家莊鐵道學院土木工程分院,石家莊 050043;2.中鐵十七局第三工程有限公司,石家莊 050043)

高速鐵路 CFG樁承載力試驗分析

舒 玉1,嚴戰(zhàn)友1,劉紅峰2

(1.石家莊鐵道學院土木工程分院,石家莊 050043;2.中鐵十七局第三工程有限公司,石家莊 050043)

在無砟軌道的高速鐵路路基采用了 CFG樁,對 CFG樁復合地基的設計方案、不同加載方式和褥墊層厚度下 CFG樁復合地基承載能力、荷載分擔和沉降變形規(guī)律進行試驗研究,分析高速鐵路 CFG樁復合地基的作用機理,評價地基承載力。

CFG樁 荷載試驗 樁間土 豎向承載力

CFG樁是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水攪拌形成的高黏結強度樁,與碎石樁相比,CFG樁復合地基可通過增加樁長或打至堅硬土層來提高地基承載力,且其具有沉降量小,沉降穩(wěn)定快等優(yōu)點。京滬高速鐵路某段正線地基土主要為中等壓縮性土,該類土具有較高的承載力和地基穩(wěn)定性,可以滿足一般鐵路路基工程的要求。但是,對于鋪設無砟軌道的高速鐵路路基有更高的要求,而且為了滿足京滬高速鐵路運營速度、線路的平順性、乘客的舒適性和運營的安全性等要求,必須采取必要的地基處理措施。在廣泛調(diào)研國內(nèi)外地基處理現(xiàn)狀的基礎上,采用了以 CFG樁復合地基為主的處理方案。

本文對 CFG樁復合地基各種設計方案、不同加載方式和褥墊層厚度下 CFG樁復合地基承載能力、荷載分擔、沉降變形的規(guī)律進行試驗研究。

1 試驗段簡介

試驗段地處河北省滄州地區(qū)青縣境內(nèi),試驗工點里程為 DK200+124～DK200+354,位于天津特大橋與青滄特大橋之間。該試驗段地形平坦,地勢開闊,線路以填方通過,路堤填高為 6.8～7.2m。該區(qū)的氣候屬溫帶半濕潤大陸季風氣候,年平均氣溫12.3℃,1月份最冷,月平均氣溫為 -4℃～6℃,冬季多為偏北風,寒冷干燥,降水量少,夏季多東南風和偏南風,高溫,降水集中。

2 試驗方案與儀器設備

通過對施工前的表層天然地基土和施工后的樁間土進行平板荷載試驗,測試表層天然地基土和施工后的樁間土承載力變化,對兩次測試的數(shù)據(jù)進行分析對比,以判定施工擾動對天然土地基承載力的影響。最后進行 CFG樁單樁荷載試驗、復合地基荷載試驗等。試驗采用沉降相對穩(wěn)定法(慢速法),主要依照《建筑地基基礎設計規(guī)范》GB5007—2002進行。試驗采用直徑為 80 cm(面積 0.5 m2)的圓形承壓板。試驗前,清除表層 40 cm左右的耕植土層,承壓板下鋪約 2 cm的中粗砂墊層,使承壓板與試驗土層面平整接觸;調(diào)整千斤頂,使之中心與承壓板中心重合并垂直。試驗儀器主要包括：①RS-JYC樁基靜載荷測試分析系統(tǒng);②電子數(shù)顯位移傳感器(精度 0.01 mm);③QY 500-20C試驗專用千斤頂(雙油路);④靜載試驗反力裝置;⑤高壓油泵加壓系統(tǒng)。

3 天然地基土荷載試驗及其分析

天然地基土平板荷載試驗在 3點進行(天然土-1、天然土-2、天然土-3),加載分級進行,每級荷載為 20 kN,每級加載后按間隔 10、10、10、15、15 min,以后為每隔 30 min測讀一次沉降量,當在連續(xù) 2 h內(nèi)每小時的沉降量 ＜0.1 mm時,則認為已趨穩(wěn)定,可加下一級荷載。各試驗點靜載試驗 p—s曲線見圖 1。由圖 1可看出,天然土-1和天然土-2試驗點 p—s曲線,均為圓緩型曲線,沒有明顯的陡降段和比例界線點,承載力特征值若按 s/b=0.01(s為沉降值,b為承壓板直徑)對應的荷載值取值,即沉降為 8mm時所對應的荷載值,則天然土-1試驗點的承載力特征值為 101 kN;天然土-2試驗點的承載力特征值為 120 kN。天然土-3號試驗點,在荷載級別為 220 kN時,沉降明顯增大,該級荷載作用下的沉降量為 26.33mm,是其前一級荷載(200 kN)的 2.8倍,曲線明顯向下彎曲,出現(xiàn)明顯拐點,綜合分析 200 kN為該試驗點的極限荷載,則該試驗點的承載力特征值為 100 kN,三點的承載力實測特征平均值為 107 kN,極差 ＜30%,可以取 107 kN為該場地天然地基土的承載力特征值。

圖2 試驗測點位置

4 CFG樁樁間土承載力確定

樁間土平板載荷試驗選在(DK190+140～DK190+191)內(nèi)進行,試驗點平面位置示意見圖 2,各試驗點靜荷載試驗 p—s曲線見圖 1。由圖 1可看出,三個樁間土試驗點 p—s曲線均為圓緩型曲線,沒有明顯的陡降段和比例界線點,承載力特征值若按 s/b=0.01對應的荷載值取值,即沉降為 8mm時所對應的荷載值,則樁間土-1試驗點的承載力實測特征值為 122 kN;樁間土-2試驗點的承載力實測特征值為 109 kN;樁間土-3試驗點的承載力實測特征值為 104 kN,三點的承載力實測特征值的極差 ＜30%。

從樁施工前后地基土淺層平板荷載試驗結果可看出,地基土承載力特征值在樁施工后提高約 5%,變化提高幅度不大,施工前后的靜載試驗 p—s曲線基本相似,荷載為 120 kN。樁間土-1、樁間土-2沉降變形無明顯區(qū)別,樁間土-3點沉降減小明顯。

5 單樁荷載試驗及其分析

5.1 單樁豎向承載力的確定

試驗采用慢速維持荷載法,由千斤頂、油泵、反力大梁、配重鐵塊組成反力系統(tǒng)。通過反力系統(tǒng),由液壓油泵和千斤頂施加荷載至樁頂,對樁頂施加豎向壓力。荷載逐級加在樁頂上,通過放置在千斤頂上的荷重傳感器測試荷載并實時在主機上顯示樁頂所受荷載大小?，F(xiàn)場試驗工作在樁徑為 0.4 m、樁長為 24 m的CFG樁上進行,該樁共分 18級進行,分級荷載為 150 kN,在荷載加至 900 kN時,為了更加準確確定單樁極限承載力,將分級荷載縮小為 100 kN,最終加載至2 100 kN。Q— s、s— lgt曲線見圖 3。

由圖 3可看出,該樁最終荷載為2 100 kN,最終沉降為 34.45mm,Q—s曲線呈緩變形,在1 800 kN時出現(xiàn)第一拐點,對應的沉降量為22.57mm;s—lgt曲線未見明顯間距加大和向下彎曲現(xiàn)象,但在1 900 kN荷載作用下,用時 450min才達到相對穩(wěn)定條件,比前一級多用時近一倍,綜合分析該樁單樁豎向極限承載力不小于1 800 kN。靜載試驗后,再次對該樁進行了低應變測試,低應變曲線見圖 4。低應變檢測表明,CFG樁靜荷載試驗結束后,樁身完整。

圖3 CFG樁單樁豎向抗壓靜荷載試驗曲線

圖4 CFG樁加載后低應變曲線(第一應變速率 1.344 cm/s)

圖5 不同荷載下樁身軸力、側摩阻力隨深度變化的曲線

從圖 5可見,CFG樁的樁身軸力隨著深度增加而減小,并隨著加載等級增加而增大,CFG樁的樁側摩阻力隨著深度增加而呈先增大再減小的折線變化,并隨著加載等級增加而增大。極限承載力所對應的樁身軸力在 3 m、8 m和 13 m分別為 1 379.8 kN、1 240.2 kN和1 094.9 kN,樁側摩阻力為 36.4 kN。承載力特征所對應的樁身軸力在 3 m、8m和 13 m分別為640.5 kN、569.6 kN和 507.1 kN,樁側摩阻力為 17.3 kN。

5.2 CFG樁樁身側摩阻力分析

在單樁靜載試驗中在樁頂下 3 m、8 m、13 m處埋設鋼筋計,樁身軸力和樁側摩阻力見圖 5。

6 CFG樁復合地基承載力試驗分析

剛性承壓板復合地基靜載荷試驗,共計進行復合地基靜載荷試驗 8處。具體參數(shù)見表 1。

表1 試驗段荷載試驗復合地基參數(shù)

在試驗中,均采用方形剛性承壓板,最大加載值為設計試驗承載力的 2倍,試驗結果見圖 7與圖 8。

圖6 復合地基靜載試驗 p—s曲線

圖7 復合地基靜載試驗綜合 p—s曲線

由圖 6、圖 7可知：216-17、226-18、316-16試樁,復合地基靜載壓力—沉降(p—s)曲線均為緩變形,至最終加載完成時承壓板周圍土未出現(xiàn)明顯的隆起或破壞性裂縫,均未達到破壞荷載。最終沉降量為分別為14.59mm、18.28 mm和 20.50 mm。216-17、226-18號試樁在 400 kN時對應的沉降量分別為 6.66 mm和7.04mm,對應的 s/b值均 ＜0.01;316-16號試樁 350 kN對應的沉降量為 5.95 mm,s/b值 ＜0.01。故上述三根試樁的復合地基承載力特征值均不小于最終加載值的一半 。 306-16、413-17、424-16、506-20、508-18試樁,復合地基靜載荷壓力—沉降(p—s)曲線均出現(xiàn)陡降段,分別于 700 kN、900 kN、810 kN、700 kN、700 kN荷載級別時出現(xiàn)破壞,上述 5根試樁的復合地基承載力特征值均取極限荷載的一半。從 A、B區(qū)的復合地基荷載試驗結果可知,A區(qū)復合地基的承載力特征值不小于 400 kN,相對應的沉降量 ＞6.66mm,而 B區(qū)復合地基承載力特征值分別為315 kN和350 kN,相對應的沉降量 ＜5.95 mm;C區(qū)復合地基承載力特征值大于 B區(qū),而相對應的沉降量 C區(qū)僅是 B區(qū)的 49%～67%,A區(qū)復合地基承載力特征值是 D區(qū)的 1.27倍左右,而相對應的沉降量是 D區(qū)的 0.78倍。

以上分析結果表明,樁長是影響復合地基沉降量的最大因素,同時應考慮到樁間距和樁徑的影響,在以變形控制為主的 CFG樁設計中,增加樁長對有效減少沉降具有明顯的作用。從試驗結果分析可知,在以承載力控制為主的 CFG工程中,單純依靠增加 CFG樁的樁長,并不是提高 CFG樁復合地基承載力的最有效的辦法,減小樁間距是一個提高 CFG樁復合地基承載力的可行辦法,同時要考慮到樁徑、樁身強度對復合地承載力的影響,以及復合地基荷載試驗承壓板影響深度的有限性。

7 結論

1)地基土承載力特征值在樁施工后提高約 5%,變化提高幅度不大;

2)CFG樁的樁身軸力隨著深度增加而減小,并隨著加載等級增加而增大,CFG樁的樁側摩阻力隨著深度增加而呈先增大再減小的折線變化;

3)樁長是影響復合地基沉降量的最大因素,同時應該考慮到樁間距和樁徑的影響,減小樁間距是一個提高 CFG樁復合地基承載力的可行辦法。

[1]龔曉南.復合地基理論及工程應用[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2005.

[2]龔曉南.21世紀巖土工程發(fā)展展望[J].巖土工程學報,2004(2)：56-62.

[3]閻明禮,張東剛.CFG樁復合地基技術及工程實踐[M].北京：中國水利水電出版社,2004.

U443.15;U238

B

1003-1995(2010)02-0055-03

2009-07-27;

2009-11-18

舒玉(1972— ),男,安徽泗縣人,講師,碩士。

(責任審編 白敏華)