陳宏偉，徐林榮，左珅

（中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410075）

砂樁－網(wǎng)復(fù)合地基是我國(guó)應(yīng)用比較早的一種散體樁復(fù)合地基，適用于擠密松散砂土、粉土、黏性土等地基處理，被廣泛應(yīng)用于道路與鐵道工程以及房建工程等基礎(chǔ)建設(shè)中。砂樁研究成果較豐富，在施工工藝［1－3］、加固機(jī)理［4－6］、設(shè)計(jì)計(jì)算［7－9］等方面都有較成熟的理論與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。京滬高速鐵路昆山試驗(yàn)段原設(shè)計(jì)采用有砟軌道，一般路基的工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)為≤10cm，采用砂樁－網(wǎng)復(fù)合地基結(jié)合堆載預(yù)壓的加固措施。而后路基采用無砟軌道，工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)提高至≤15mm，在不改變砂樁－網(wǎng)復(fù)合地基加固措施的基礎(chǔ)上，原試驗(yàn)段進(jìn)行了2次堆載預(yù)壓。能否滿足高速鐵路工后沉降控制要求成為工程關(guān)鍵，因此對(duì)長(zhǎng)期靜置（5a）后進(jìn)行2次預(yù)壓的砂樁－網(wǎng)復(fù)合地基沉降計(jì)算精度提出了很高的要求，現(xiàn)有砂樁沉降計(jì)算方法主要應(yīng)用港灣、公路、房建等領(lǐng)域［10－12］，計(jì)算精度難以滿足高鐵≤15mm的嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)。為此，通過分析砂樁－網(wǎng)復(fù)合地基固結(jié)變形規(guī)律，考慮2次預(yù)壓對(duì)土體應(yīng)力歷史影響，提出固結(jié)度與總沉降計(jì)算方法，為砂樁地基在高鐵領(lǐng)域應(yīng)用提供建議。

1 試驗(yàn)概況

昆山試驗(yàn)段地基屬第四系全新統(tǒng)沖湖積層，地層自上而下分別為：耕植土、黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、黏土。其中，（1）耕植土，灰黑色，層厚0.3～0.7m，屬中等壓縮性土；（2）黏土，灰黃色，硬塑狀態(tài)，層厚0.76～3.60m，屬中等壓縮性土；（3）淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，深灰色，流塑狀態(tài)，層厚3.2～16.5 m，屬于高壓縮性土；（4）黏土，局部夾薄層粉砂及粉質(zhì)黏土，呈交錯(cuò)斷續(xù)沉積，層理清晰。地基土物理力學(xué)指標(biāo)見表1。試驗(yàn)段的路基面寬13.8m，考慮路堤本體沉降及地基工后沉降，每側(cè)加寬0.2 m，線間距5.0m。路堤填土高4.2～5.5m，路堤邊坡坡率為1∶1.5，邊坡坡面采用土工網(wǎng)墊固土后噴播植草防護(hù)。砂樁采用梅花形布置，直徑0.4 m，間距2.0m，設(shè)計(jì)加固深度為15m，為減少地基不均勻沉降，改善土體壓縮性，樁體穿透淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層達(dá)到相對(duì)較硬的黏土層。樁體材料為中粗砂，含泥量小于5%，灌砂充盈系數(shù)取1.48。樁頂鋪設(shè)0.6m厚中粗砂墊層，其內(nèi)鋪設(shè)雙層雙向土工格柵。土工格柵抗拉強(qiáng)度為50kN／m，沿線路橫斷面方向鋪設(shè)，幅寬4m，搭接寬度為0.1m，為保證土工格柵的整體性，幅之間用尼龍繩連結(jié)。試驗(yàn)段的砂樁－網(wǎng)復(fù)合地基共有2次預(yù)壓過程，第1次預(yù)壓填土加載從2003－05－19～2003－10－17，堆載高度為6.29m，第2次預(yù)壓填土加載從2008－09－30～2008－10－16，超載預(yù)壓填土2.0 m，直到2009－07－12卸除超載至設(shè)計(jì)標(biāo)高。

表1 地基土物理力學(xué)指標(biāo)Table 1 Physico－mechanical indexes of sub soil

2 砂樁－網(wǎng)復(fù)合地基固結(jié)計(jì)算分析

京滬高鐵昆山試驗(yàn)段的砂樁－網(wǎng)復(fù)合地基是在第1次預(yù)壓結(jié)束1 810d后，再進(jìn)行2次預(yù)壓后滿足無砟軌道路基工后沉降要求的。第1次預(yù)壓結(jié)束后近5a的砂樁網(wǎng)復(fù)合地基沉降隨時(shí)間發(fā)展規(guī)律如何，第2次預(yù)壓總沉降量及工后沉降計(jì)算方法，對(duì)中低壓縮性土樁網(wǎng)復(fù)合地基的預(yù)壓措施的合理選擇有著重要的工程意義。

2.1 固結(jié)變形規(guī)律的提出

第1次預(yù)壓結(jié)束后5a的砂樁－網(wǎng)復(fù)合地基的沉降隨時(shí)間的發(fā)展規(guī)律即是固結(jié)度變化特性。結(jié)合砂井地基、復(fù)合地基固結(jié)理論，參考一些典型的隸屬函數(shù)，通過選擇適當(dāng)?shù)膮?shù)，擬合得到需要的隸屬函數(shù)，選擇了偏大型的 “升半柯西分布”理論，描述砂樁－網(wǎng)復(fù)合地基在某一時(shí)刻隸屬于豎井地基和復(fù)合地基的程度，提出了砂樁－網(wǎng)復(fù)合地基的固結(jié)度隨時(shí)間的表達(dá)式。這一表達(dá)式的關(guān)鍵在于Fuzzy理論的隸屬度函數(shù)，本文采用參數(shù)為公式（1）中的β，反映砂樁地基介于豎井地基及復(fù)合地基之間的隸屬度。根據(jù)等時(shí)距下的沉降實(shí)測(cè)值，β隨時(shí)間t的變化趨勢(shì)如圖1所示，將其分段擬合得到表達(dá)式（2）。

圖1 砂樁－網(wǎng)復(fù)合地基的β－t趨勢(shì)圖Fig.1 Sand piles－net composite foundation ofβ－t trend

考慮砂井地基、水泥土樁復(fù)合地基的β值一般分別在0.04～0.07（1／d）、0.001～0.003（1／d），而“升半柯西分布”隸屬函數(shù)的自變量主要在1～60，以β′＝1 000β作為調(diào)整后的隸屬函數(shù)自變量，則砂樁－網(wǎng)復(fù)合地基隸屬于豎井地基程度的函數(shù)為：

根據(jù)該斷面的相關(guān)參數(shù)，砂井地基、復(fù)合地基的固結(jié)度表達(dá)式分別為：

則t時(shí)刻的砂樁－網(wǎng)復(fù)合地基固結(jié)度表達(dá)式為：

式中：U（t）為t時(shí)刻砂樁加固軟基固結(jié)度；U井（t）為t時(shí)刻按照豎井理論計(jì)算的地基固結(jié)度；U復(fù)（t）為t時(shí)刻按照復(fù)合地基固結(jié)理論計(jì)算的固結(jié)度；μA（β′）為描述砂樁地基在多大程度上可作為豎井地基的隸屬函數(shù)。

2.2 固結(jié)變形規(guī)律的應(yīng)用

基于Fuzzy理論的“升半哥西分布”砂樁－網(wǎng)復(fù)合地基固結(jié)度估算值如圖2所示，用曲線擬合法進(jìn)行工后沉降預(yù)測(cè)結(jié)果如表2所示，對(duì)應(yīng)于t＝366d時(shí)的路基中心工后沉降的估算值和預(yù)測(cè)值分別為64.5mm和57mm，這說明基于Fuzzy理論“升半柯西分布”的估算工后沉降值略大于工后沉降的預(yù)測(cè)值，偏于安全，估算值與預(yù)測(cè)值的相對(duì)誤差為13.1%，精度可用于工后沉降的計(jì)算。

圖2 固結(jié)度估算值Fig.2 Degree of consolidation estimates

表2 第1次預(yù)壓后的工后沉降預(yù)測(cè)值Table 2 Predicted values settlement after acceptance of the first preloading mm

由表2可知，截止2008－09－30（t＝1 963 d），根據(jù)Fuzzy理論“升半柯西分布”的估算工后沉降值為15.25mm，不滿足無砟軌道路基工后沉降的控制標(biāo)準(zhǔn)。為此，對(duì)原試驗(yàn)段的砂樁－網(wǎng)復(fù)合地基進(jìn)行2次預(yù)壓處理。

昆山試驗(yàn)段從第1次預(yù)壓開始至第2次卸載結(jié)束的沉降隨時(shí)間發(fā)展曲線如圖3所示。

圖3 第1次和第2次預(yù)壓沉降曲線Fig.3 Settlement－time curve of the first and second preloading

其中，第1次預(yù)壓現(xiàn)場(chǎng)沉降觀測(cè)截止時(shí)間為t＝366d，由Fuzzy的“升半哥西分布”理論估算靜置期（t＝1 963d）的沉降曲線曲線。2次預(yù)壓后路基中心的實(shí)測(cè)總沉降量為68.60mm，第1次預(yù)壓后的殘余沉降為15.25mm，2次預(yù)壓荷載所引起的總沉降值為53.35mm。其中，填筑結(jié)束30d的沉降完成比例為76%～89.2%；填筑結(jié)束后180d的沉降完成比例為91.7%～95.3%；填筑結(jié)束后320d的沉降完成比例為93.1%～99.6%，即填筑結(jié)束后至沉降穩(wěn)定，路基中心的沉降完成比例為91.7%～93.1%。根據(jù)填筑結(jié)束后一定時(shí)間內(nèi)的沉降完成比例并結(jié)合總沉降量即可求解出對(duì)應(yīng)的工后沉降。

3 2次預(yù)壓總沉降計(jì)算方法討論

路基總沉降由瞬時(shí)沉降、主固結(jié)沉降及次固結(jié)沉降組成，瞬時(shí)沉降按彈性理論公式計(jì)算，主固結(jié)沉降按分層總和法，用壓縮系數(shù)、壓縮模量、elgp壓縮曲線計(jì)算。e－lgp曲線反映了土體的應(yīng)力歷史。地下水位在地表以下2m處，考慮第1次預(yù)壓荷載對(duì)2次預(yù)壓時(shí)的前期固結(jié)應(yīng)力有增大作用，各分層沉降計(jì)算值計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 第2次預(yù)壓e－lgp曲線計(jì)算結(jié)果Table 3 E－lgpcurve calculation results after the second preloding

由表3可知，考慮了應(yīng)力歷史影響的e－lgp曲線法得到的總沉降約為44.34mm，小于根據(jù)實(shí)測(cè)沉降擬合得到的預(yù)測(cè)值53.35mm，相對(duì)誤差為20.6%?？紤]到e－lgp曲線法未考慮側(cè)向位移引起的沉降，因此，e－lgp曲線法得到的總沉降值略小于實(shí)測(cè)推算沉降值，2次堆載引起的總沉降量采用e－lgp曲線法計(jì)算可以滿足工程精度要求。

4 結(jié) 論

（1）砂樁地基沉降隨時(shí)間發(fā)展其固結(jié)特性發(fā)生變化，即由固結(jié)排水變?yōu)閺?fù)合地基。借助模糊數(shù)學(xué)（Fuzzy）理論的“升半哥西分布”可用以描述砂樁地基在某一時(shí)刻隸屬于豎井地基和復(fù)合地基的程度，從而建立砂樁地基的固結(jié)度時(shí)間表達(dá)式。測(cè)試數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該表達(dá)式具有更高的精度。

（2）e－lgp曲線法考慮土體應(yīng)力歷史能較為精確地計(jì)算2次預(yù)壓后的砂樁－網(wǎng)復(fù)合地基總沉降量。結(jié)合文中建立的固結(jié)度表達(dá)式，可以實(shí)現(xiàn)高鐵工后沉降的估算。

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