張光宗,王連俊,朱孝笑
(北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,北京 100044)
在工程中,當(dāng)天然地基達不到建筑物對地基的要求時,為了保證建筑物的安全和正常使用,就需要對地基進行處理形成人工地基來滿足建筑物對地基的要求。經(jīng)過地基處理后形成的人工地基可以分為均質(zhì)地基、多層地基和復(fù)合地基。
復(fù)合地基[1]是指天然地基在地基處理過程中部分土體得到增強,或被置換,或在天然地基中設(shè)置加筋材料的地基?;w和增強體兩部分組成了加固區(qū),加固區(qū)是由基體(天然地基土體或被改良的天然地基土體)和增強體兩部分組成的人工地基。
樁-筏復(fù)合地基體系由樁、土、褥墊層和鋼筋混凝土板組成,具有承載力高、穩(wěn)定性好、地基總沉降及差異沉降小等優(yōu)點。因此,京滬高速鐵路部分路段也將采用以CFG樁一筏復(fù)合地基為主的地基處理技術(shù),以滿足設(shè)計標準。
京滬高速鐵路濟南西站范圍內(nèi)為深厚松軟土地基,為了減少工后沉降,設(shè)計采用CFG樁基礎(chǔ)加固處理和路基預(yù)壓的措施,平均填土高5 m,預(yù)壓堆載3.5 m。
為了保持站房施工環(huán)境干燥,并且為了提高土體的固結(jié)程度,增加地基的抗剪強度,濟南西站在2009年9月15日進行了基坑降水。但是,隨著站房基坑降水的進行,原本沉降已經(jīng)趨于穩(wěn)定的高速鐵路路基又產(chǎn)生了二次加速沉降,根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測沉降板、路基深層沉降的數(shù)據(jù),分析濟南西站站房基坑降水對京滬高速鐵路路基沉降的影響。
京滬高速鐵路濟南西站試驗段(DK418+300~DK419+575)位于濟南市西部。
地形地貌:濟南市位于黃河以南的沖積平原、丘陵及丘間平原,南部的丘陵區(qū)是以剝蝕為主山區(qū)向平原的過渡地帶,殘丘大多分布在丘間沖洪積平原,由于風(fēng)化剝蝕使得山頂呈渾圓狀。
地層巖性:沿線的丘陵區(qū)前緣和丘間平原分布了第四系上更新統(tǒng)、中更新統(tǒng)沖洪積、坡洪積及殘坡積層;殘丘區(qū)出露灰?guī)r;居民區(qū)附近和既有鐵路、公路表覆第四系全新統(tǒng)人工堆積層。
地質(zhì)構(gòu)造:濟南地區(qū)位于中朝準地臺次級構(gòu)造單元魯西斷塊上,魯西斷塊位于沂沭斷裂帶西,齊河-廣饒斷裂南和聊考斷裂東地區(qū)。中生代斷塊主要以差異運動為主,形成了泰山,并伴隨著巖漿巖侵入,北西向、北東是區(qū)內(nèi)主要斷裂。工程沿線新生代由于河流搬運的物質(zhì)堆積,形成第四系的覆蓋層,其斷裂構(gòu)造對鐵路和建筑物沒有明顯的影響。
水文地質(zhì):勘察范圍內(nèi)勘察期間,從鉆孔內(nèi)測得地下水靜止水位埋深3.50~7.50 m,水位高程為25.96~27.61 m。根據(jù)鉆孔水位情況,結(jié)合區(qū)域調(diào)查,確定該場地水位西南高,東北低,總體由西南向東北排泄,鉆探無漏漿情況,地下水量較豐富。場地地下水屬第四系孔隙潛水,補給來源為大氣降水和地下徑流。該地下水位年變化幅度不大,豐水期水位高程可按30.00 m考慮。水質(zhì)對混凝土結(jié)構(gòu)不具腐蝕性,對混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具弱腐蝕性。長期浸水作用下,水質(zhì)對混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋不具腐蝕性,對鋼結(jié)構(gòu)具弱腐蝕性。
濟南西站內(nèi),地形比較平坦,路基采用填方形式。正線無砟軌道板基礎(chǔ)按1∶1放坡至地面范圍以內(nèi)部分。路堤基底設(shè)置0.5 m厚C30鋼筋混凝土板,板下設(shè)置0.15 m厚碎石墊層,其他部分設(shè)置0.6 m厚碎石墊層,中間鋪設(shè)2次高強度的土工格柵。
濟南西站均是深厚松軟土地基,為了減少工后沉降,地基采用管樁(PHC樁)、CFG樁(約282萬m)基礎(chǔ)進行加固處理和路基預(yù)壓措施。管樁(PHC樁)的直徑為0.4 m,CFG樁的直徑為0.5 m,沿線路方向間距為1.5 m,鋼筋混凝土板下管樁的橫向間距為2 m,板以外CFG樁的橫向間距為1.6 m。
板下管樁長35 m,咽喉區(qū)(DIK419+002)板外樁長25 m;站場(DIK419+251)板外側(cè)1~5排樁長25 m,再外側(cè)5~10排樁長20 m,最外側(cè)11~57排樁長15 m。設(shè)計單樁承載力是800 kN,在填筑基床表面以前路堤采用堆載預(yù)壓,咽喉區(qū)(DIK419+002)范圍內(nèi)為堆載預(yù)壓,時間不少于12個月,預(yù)壓土高為3.5 m,站場(DIK419+251)范圍內(nèi)為(正線兩側(cè)的站臺之間)堆載預(yù)壓,時間不少于12個月,預(yù)壓土高為3.5 m。預(yù)壓觀測期暫定12個月,預(yù)壓土與基床底層表面鋪1層經(jīng)編復(fù)合土工膜。
根據(jù)設(shè)計要求,基坑的總體施工順序,先期開挖國鐵范圍內(nèi)的第一級基坑土方,根據(jù)市政配套工程整體進度安排,確定第一級基坑開挖范圍。由上至下開挖基坑土體,按需降水,邊開挖邊支護。濟南西站站房基坑平面布置如圖1所示。
圖1 濟南西站站房基坑平面布置
開挖深度要求如下:高鐵大通廊處基坑底高程為-7.770 m(22.590 m);主站房處基坑底高程為-10.80 m(19.560 m),1號線基坑底高程為-18.21 m(12.150 m)。降水井設(shè)計按照開挖要求分為3個設(shè)計區(qū)域。
降水施工順序應(yīng)先施工高鐵站臺處,然后再施工1號線處基坑。本工程基坑降水計劃分2個降深:第一步基坑降水至降深8.10 m,開挖至7.60 m(第一步開挖基坑底),采用周邊降水井(73眼:降水井編號J-1—J-21、J-42—J-93)進行降水,中間降水井(46眼:編號為J-22—J-41、S-1—S-18、J-94-J-101)做疏干井。第二步,全部降水井和疏干井均同時工作,基坑開挖至地鐵1號線設(shè)計高程(-18.21 m),降深至設(shè)計基坑底(-18.21 m)以下1.0 m。第三步,降水滿足要求,經(jīng)設(shè)計人員同意分階段、分批次停用疏干井。
降水井降水時,將產(chǎn)生降水曲線漏斗,對周邊建筑物(構(gòu)筑物)有一定影響,為了確保止水帷幕外側(cè)已施工高鐵基礎(chǔ)(CFG樁)的安全,在止水帷幕外側(cè)設(shè)置回灌井,降水時進行回灌,確保地下水位高度,減少基坑降水對高鐵基礎(chǔ)的影響。
本次試驗共設(shè)置4個路基沉降觀測斷面,分別為:DIK418+298.8(正線)、DIK418+900(咽喉區(qū))、DIK419+250(站場北側(cè))、DIK419+650(站場南側(cè)),監(jiān)測斷面布置見圖2。分別在斷面處布置觀測元器件,通過現(xiàn)場對路堤填土期、堆載預(yù)壓期以及基坑降水期內(nèi)的CFG樁樁-筏復(fù)合地基樁、板的沉降變形進行觀測。在文中只取咽喉區(qū)、站場北側(cè)斷面進行分析,見圖3、圖4。
圖2 京滬高速鐵路濟南西站站場斷面布置
圖3 咽喉區(qū)(DIK419+002)元器件平面布置(單位:m)
圖4 站場北側(cè)(DIK419+251)元器件平面布置
咽喉區(qū)(DIK419+002)位于濟南西站北京方向的咽喉部位,由于對稱性采用半斷面觀測模式,并選取西側(cè)半幅作為試驗斷面。咽喉區(qū)的半幅寬58.8 m,設(shè)置5排35 m PHC樁和33排25 m CFG樁。咽喉區(qū)沉降板的位置見圖3。
從圖5和表1中可以看出,其中對離基坑降水中心最近的35 m管樁影響最大,原本沉降趨于穩(wěn)定的路基降水后108 d與降水前的沉降差BS1和BS2的沉降差分別為13.25 mm和13.30 mm;其次為BS3,其沉降差為12.69 mm;對處于路基邊緣的BS4影響最小,沉降差為6.66 mm。分析主要原因為,隨著與降水位置距離的增加,路基表面沉降所受影響減小,其中BS1距離降水位置最近,故表面沉降量最大。
圖5 咽喉區(qū)(DK419+002)沉降板變化趨勢
表1 咽喉區(qū)降水階段沉降板的沉降量 mm
站場北側(cè)(DIK419+251)位于濟南西站站房北側(cè),由于對稱性斷面采用半斷面觀測模式,選取西側(cè)半幅作為試驗斷面。站場北側(cè)半幅寬100 m,設(shè)置5排35 m PHC樁和55排不同樁長的CFG樁,其中筏板外1~5排25 m CFG樁,再往外6~10排20 m CFG樁,其余均為15 m CFG樁。圖4可知站場北側(cè)沉降板的位置。
由圖6和表2可以看出,基坑降水對路基沉降有較大影響。其中對15 m CFG樁影響最大,CS10處在基坑降水階段沉降量占預(yù)壓土加載階段沉降量的91.88%,主要因為預(yù)壓土對豎向投影范圍內(nèi)的復(fù)合地基的影響大于對45°擴散角范圍的復(fù)合地基的影響,所以基坑降水成為該處沉降的主要影響因素;20 m CFG樁影響次之,CS6處基坑降水階段沉降量占預(yù)壓土加載階段沉降量的86.12%;25 m CFG樁影響再次之,CS5處基坑降水階段沉降量占預(yù)壓土加載階段沉降量的71.49%;對35 m PHC樁影響最小,CS1處基坑降水階段沉降量占預(yù)壓土加載階段沉降量的65.66%。分析其主要原因為,填筑預(yù)壓土是在基坑降水之前進行的,且預(yù)壓土對豎向投影范圍內(nèi)的復(fù)合地基的影響大于對45°擴散角范圍的復(fù)合地基的影響,所以35 m PHC樁在基坑降水前在預(yù)壓土的直接影響下,已經(jīng)產(chǎn)生了很大固結(jié)。
但是值得注意的是CS2、CS4處受基坑降水的影響也比較大。分析其主要原因CS2處為樁間土處,由于樁的上刺入效應(yīng)CS1處的沉降量小于CS2,故產(chǎn)生了較大沉降;CS4處沉降板下部處于35 m管樁和25 mCFG樁變樁長區(qū)域,也產(chǎn)生了較大影響。
圖6 站場北側(cè)(DK419+251)沉降板變化趨勢
表2 站場北側(cè)沉降板的沉降量 mm
根據(jù)以上分析可以看出基坑降水對路基的沉降有很大影響,其對路基表面沉降的影響可以歸納為以下幾點。
(1)基坑降水對復(fù)合地基的影響程度因觀測斷面縱向的位置而有所不同。隨著與降水位置距離的增加,路基表面沉降所受影響減小,咽喉區(qū)路基所受降水影響小于站場路基。
(2)基坑降水對復(fù)合地基同一觀測斷面不同樁長處地基的影響程度不同。樁長越長所受影響越小。35 m管樁(PHC樁)所受影響小于25 m CFG樁,25 m CFG樁所受影響小于15 m CFG樁。
(3)基坑降水對復(fù)合地基的影響程度還與其上部預(yù)壓土的加載有關(guān)。復(fù)合地基受預(yù)壓土影響越大,受基坑降水的影響就越小,反之越大。35 m管樁(PHC樁)所受預(yù)壓土影響最大,故其所受基坑降水的影響最小。
(4)基坑降水對復(fù)合地基中變樁長處影響程度較大,其影響程度遠大于復(fù)合地基中其他樁長區(qū)。
(5)基坑降水對復(fù)合地基中樁間土的影響較對加固樁的影響大,樁的上刺入效應(yīng)比較嚴重。
(6)停止基坑降水也會對復(fù)合地基產(chǎn)生影響,原本沉降趨于穩(wěn)定的復(fù)合地基會產(chǎn)生回彈現(xiàn)象。
[1]龔曉南編著.復(fù)合地基[M].杭州:浙江大學(xué)出版社,1992.
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