cfg樁復(fù)合地基中樁帽頂面應(yīng)力分布特征試驗研究

cfg樁復(fù)合地基中樁帽頂面應(yīng)力分布特征試驗研究

cpg樁是中國建筑科學研究院于20世紀80年代末開發(fā)的一種新技術(shù)。該技術(shù)具有顯著的場地承載性，可以有效減少地基施工后的沉降，施工方便，可以控制質(zhì)量。自誕生后在高層建筑、工業(yè)廠房等工民建領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,取得良好的社會經(jīng)濟效益。20世紀90年代以來CFG樁復(fù)合地基法在高速公路軟基處理中逐漸得到應(yīng)用和推廣。2002年CFG樁復(fù)合地基技術(shù)首次應(yīng)用于鐵路路基,并在上海安亭試驗工點進行試驗研究。應(yīng)力特性反映復(fù)合地基荷載分布、荷載傳遞、樁土荷載分擔特性,是復(fù)合地基承載力與沉降變形分析的重要依據(jù)。由于其影響因素非常復(fù)雜,所以至今沒有一個較完善的計算模式。目前針對鐵路路堤這類柔性基礎(chǔ)下復(fù)合地基的研究成果較少,主要通過室內(nèi)外試驗和理論分析。文獻通過室內(nèi)模型試驗,研究在填筑和循環(huán)載荷試驗情況下路基沉降、基床動應(yīng)力、樁頂與樁間土土壓力,以及樁的應(yīng)力應(yīng)變分布等;文獻通過現(xiàn)場實測分析路堤填土荷載下樁、土應(yīng)力的變化規(guī)律;文獻在一定假設(shè)條件下建立路堤下復(fù)合地基樁土應(yīng)力比計算式。國外復(fù)合地基中樁土荷載分擔的計算通常是根據(jù)土拱理論或擴散角理論,如英國BS8006規(guī)程、北歐Nordic規(guī)范、日本細則和德國EBGEO規(guī)程。CFG樁復(fù)合地基加固技術(shù)將應(yīng)用于京滬高速鐵路軟土地基處理,該技術(shù)是否能夠滿足京滬高速鐵路對路基工后沉降的要求(一般不大于15mm),目前尚無充分經(jīng)驗,也缺乏相應(yīng)參考資料。這就需要通過對實際工程進行監(jiān)測和檢測,以便對地基處理方法進行全面驗證,從而積累工程經(jīng)驗、完善設(shè)計理論。本文通過京滬高速鐵路鳳陽試驗段CFG樁復(fù)合地基聯(lián)合堆載預(yù)壓處理技術(shù)的現(xiàn)場試驗,實測路堤施工和靜置期間的樁帽頂、樁間土及褥墊層頂面應(yīng)力;分析樁帽頂、樁間土、褥墊層頂面應(yīng)力及樁土應(yīng)力比隨荷載和固結(jié)時間的變化規(guī)律;探討土拱效應(yīng)影響,為采用CFG樁加固技術(shù)進行地基處理的設(shè)計提供參考。1項目總結(jié)1.1k654+400京滬高速鐵路鳳陽試驗段(A區(qū),DK854+640～DK854+730)總長90m,地處滁州市鳳陽縣劉府鎮(zhèn)內(nèi),屬淮河二級接地,地形平坦開闊,地面標高為48.1～49.3m。工點地基土的物理力學指標自上而下見表1。1.2基床及基床設(shè)計整地試驗段路基設(shè)計采用CFG樁復(fù)合地基聯(lián)合堆載預(yù)壓地基處理,CFG樁長10.0m,直徑為0.5m;采用正方形布置,樁間距為1.8m;采用現(xiàn)澆倒圓臺樁帽,上、下面直徑分別為1.0m和0.5m,倒圓臺樁帽高0.6m;墊層結(jié)構(gòu)為0.6m級配碎石+1層土工格柵。路基頂面寬13.60m;邊坡坡度為1∶1.5;路堤設(shè)計填筑高度約為4.2m。堆載預(yù)壓高3.0m,在基床表層填筑前施加,先在基床底層鋪1層土工織物,然后進行預(yù)壓荷載填筑。路堤橫斷面及樁位布置見圖1。2試驗計劃2.1間土承擔承擔根據(jù)復(fù)合地基的基本理論,路堤荷載應(yīng)由荷載作用區(qū)域內(nèi)的樁(含樁帽)及樁間土共同承擔。因此,通過觀測高速鐵路路堤填土過程中及填土后樁帽頂水平面應(yīng)力、樁帽間土應(yīng)力及褥墊層頂面相應(yīng)位置應(yīng)力變化和分布情況以及樁土應(yīng)力比、荷載分擔比的變化過程,分析CFG樁復(fù)合地基的承載性狀和土拱效應(yīng)。2.2鋼弦式壓力盒傳感器的選用測試樁土應(yīng)力情況通常采用壓力盒。壓力盒一般有2種類型:應(yīng)變式和鋼弦式。應(yīng)變式壓力盒由于存在溫度補償和導(dǎo)線長度不一致問題,不適用于長期觀測;而鋼弦式壓力盒對外界條件要求不高,對外界干擾較不敏感,且測試導(dǎo)線長度不影響測試結(jié)果,適用于野外長期觀測。因此,本現(xiàn)場試驗研究選用不同量程的鋼弦式壓力盒傳感器。根據(jù)理論分析計算,樁帽頂選用量程為1MPa的壓力盒,樁帽間土和褥墊層頂面選用量程為0.3MPa壓力盒。2.3墊層頂面布設(shè)本試驗選取DK854+668.8斷面作為應(yīng)力觀測斷面。該觀測斷面共布設(shè)22個鋼弦式壓力盒傳感器,其中樁帽頂水平面中心處布設(shè)8個,樁帽間土中心處布設(shè)7個,褥墊層頂面布設(shè)7個,分別測試各樁帽頂水平面、樁帽間和褥墊層頂面位置應(yīng)力。詳細布設(shè)位置見圖1。為保證試驗數(shù)據(jù)的準確可靠,壓力盒的埋設(shè)很重要。既要保證壓力盒水平放置,也要保證壓力盒與上下面良好接觸。具體方法如下:樁帽頂壓力盒埋設(shè)前,先在樁帽澆注時預(yù)留略大于壓力盒尺寸的凹槽及導(dǎo)線槽,用細砂墊平槽底,放置壓力盒后用細砂覆蓋;樁帽間和褥墊層頂面處壓力盒的埋設(shè)方法類似,在樁帽間或墊層頂面挖出一坑及導(dǎo)線槽,用細砂墊平,放置壓力盒后再細砂覆蓋。試驗過程中時刻注意對測試元件進行保護。2.4預(yù)壓施工完成后觀測一次加載和觀測從褥墊層施工開始,每填筑一層觀測一次;預(yù)壓施工完成后,前2～3月每5～7天觀測一次;3個月后每7～15天觀測一次;半年后每月觀測一次。3預(yù)壓堆載施工試驗段路堤填筑于2008年3月14日開始,2008年3月24日填筑結(jié)束,歷時11天;預(yù)壓堆載施工于3月28日開始,3月30日堆載完成,歷時3天;之后進入靜置階段。3.1復(fù)合地基填筑應(yīng)力變化因為測試斷面的樁帽頂水平面應(yīng)力、樁帽間土應(yīng)力及褥墊層頂面相應(yīng)位置的應(yīng)力數(shù)據(jù)變化規(guī)律相似,本文只選取靠近路基中心線的樁帽頂水平面壓力盒(PT-1-1)、樁帽間土壓力盒(ST-1-1)及褥墊層頂面相應(yīng)位置壓力盒(PT-2-1、ST-2-1)數(shù)據(jù)進行分析。各土壓力盒的應(yīng)力隨填筑高度及時間的變化關(guān)系見圖2。由圖2可看出:樁帽頂水平面和褥墊層頂面各壓力值變化和路堤填土高度的變化密切相關(guān),一般呈正比關(guān)系。根據(jù)路堤填筑情況,應(yīng)力曲線發(fā)展歷程可分為3個階段:(1)在加載初期,填筑高度小于2.1m,樁帽頂水平面、樁帽間土應(yīng)力值都不大,增長速度相當;樁帽間土應(yīng)力略大于樁帽頂水平面處。(2)在填筑中后期及預(yù)壓堆載時,填筑高度大于2.1m,樁帽間土應(yīng)力增長緩慢,而樁帽頂水平面應(yīng)力增長加速,CFG樁復(fù)合地基的作用逐漸表現(xiàn)出來。這表明在復(fù)合地基填筑中,前期樁土發(fā)揮作用相當;中后期主要以樁的作用為主。(3)在預(yù)壓堆載結(jié)束后,填筑高度不變,各應(yīng)力變化趨于穩(wěn)定,應(yīng)力增長平緩。通過對圖2中各曲線的比較分析可知:樁帽頂水平面應(yīng)力最大,樁帽間土應(yīng)力最小,褥墊層頂面應(yīng)力居中。在樁帽上方褥墊層頂面位置的應(yīng)力大于樁帽間土上方褥墊層頂面應(yīng)力。3.2靜置期間樁土應(yīng)力比的變化樁土應(yīng)力比n為樁帽頂水平面應(yīng)力與樁帽間土應(yīng)力之比;樁土荷載分擔比N為樁帽承擔荷載與樁帽間土承擔荷載之比。假定樁帽頂應(yīng)力與樁帽間土應(yīng)力均布,且每根CFG樁影響范圍相同,可得樁土荷載分擔比。因為規(guī)律相似,依然選用編號為PT-1-1和ST-1-1壓力盒的2組數(shù)據(jù)進行分析。樁土應(yīng)力比n、樁土荷載分擔比N隨填筑高度及時間變化關(guān)系見圖3～圖4。圖4中固結(jié)時間零點取為堆載預(yù)壓結(jié)束時間。由圖3可以看出:在路堤填筑過程中,樁土應(yīng)力比n和荷載分擔比N隨路堤填筑高度增加而增加,增長趨勢呈三折線。在填筑初期(折線①),樁土應(yīng)力比小于1,說明CFG樁復(fù)合地基從填筑開始樁間土即發(fā)揮作用。在填筑中后期堆載初期(折線②),樁土應(yīng)力比n迅速增長,大部分填筑載荷由樁來分擔,CFG樁及樁帽作用得到體現(xiàn)。在堆載中后期(折線③),樁土應(yīng)力比n增長緩慢。這是由于堆載土容重小于AB組填料容重,且路堤存在坡度,所以相同的填高,堆載階段產(chǎn)生的載荷小于路堤填筑AB組填料。在堆載完成后,路基中心線處樁土應(yīng)力比n為4.76,樁土荷載分擔比N為1.52,約60%的上部荷載由CFG樁分擔。這說明采用CFG樁處理地基能夠較好發(fā)揮樁土共同作用。由圖4可以看出:樁土應(yīng)力比n和荷載分擔比N隨固結(jié)時間的增長略有波動。靜置第1周樁土應(yīng)力比變化明顯,由4.76發(fā)展到5.39;之后80d增長緩慢,最后又出現(xiàn)了回調(diào)現(xiàn)象,應(yīng)力比值總體在5.39～6.02之間波動。這主要是由于樁土應(yīng)力比n的波動與地基土固結(jié)沉降及雨季影響有關(guān)。地基土在路基靜置期間將發(fā)生固結(jié)沉降,使樁土沉降差增大,作用于樁間土的部分荷載傳遞給CFG樁承擔。同時,試驗段施工結(jié)束后進入雨季,持續(xù)降水使路堤及堆載預(yù)壓區(qū)土體含水量增大,地基上部荷載增加,而這部分荷載,主要由CFG樁承擔。在地基土固結(jié)沉降及雨季影響下,樁土應(yīng)力比n及荷載分擔比N將增長;雨季之后,水分逐漸蒸發(fā),應(yīng)力分擔比n則開始回調(diào)。3.3復(fù)合地基中樁帽頂水平面應(yīng)力的分布由于路堤荷載大小和作用范圍不斷變化,對應(yīng)于不同路堤填筑高度,樁帽頂水平面、褥墊層頂面應(yīng)力橫向分布特征不同。樁帽頂水平面、樁帽間土應(yīng)力在路基橫斷面的分布情況見圖5。褥墊層頂面應(yīng)力沿路基橫向分布情況見圖6。圖5中各波峰為樁帽頂面應(yīng)力(由壓力盒PT-1-1～PT-1-8測得);各波谷為樁帽間土應(yīng)力(由壓力盒ST-1-1～ST-1-7測得)。由圖5可以看出:樁帽頂水平面各壓力盒應(yīng)力變化與上部荷載變化密切相關(guān),樁帽頂水平面應(yīng)力橫向分布呈波浪形。路堤填筑初期,填高小于1.6m,樁帽頂水平面應(yīng)力與樁帽間土應(yīng)力相差較小,應(yīng)力曲線沿路堤寬度分布較平緩。這表明CFG樁復(fù)合地基中樁帽間土共同承擔荷載,樁帽頂水平面應(yīng)力集中效應(yīng)不明顯。隨后填筑高度增加,樁帽間土應(yīng)力增長緩慢,橫斷面平均應(yīng)力由44kPa發(fā)展到53kPa,平均增長9kPa;樁帽頂水平面應(yīng)力增長顯著,橫斷面平均應(yīng)力由68kPa發(fā)展到231kPa,平均增長163kPa,是樁帽間土平均應(yīng)力增長的18.1倍。應(yīng)力曲線沿路堤寬度分布的波浪形特征明顯。這說明復(fù)合地基樁體應(yīng)力集中效應(yīng)的產(chǎn)生與路堤填筑高度有關(guān)。填筑結(jié)束后,各樁帽間土應(yīng)力相差較小,樁帽頂水平面應(yīng)力存在差異。樁帽頂水平面應(yīng)力橫向分布呈現(xiàn)路基中間區(qū)域大,側(cè)邊區(qū)域小的情況。這與靠近坡腳線位置填筑高度逐漸減小(斜坡)有關(guān)。圖6中各波峰為CFG樁上方褥墊層頂面應(yīng)力(由壓力盒PT-2-1～PT-2-4測得),各波谷為樁間土上方褥墊層頂面應(yīng)力(由壓力盒ST-2-1～ST-2-3測得),褥墊層頂面應(yīng)力橫向分布與樁帽頂水平面樁-土應(yīng)力橫向分布規(guī)律相似,呈波浪形。填筑高度小于3.1m時,褥墊層頂面應(yīng)力分布較均勻;填筑高度大于3.1m后,褥墊層頂面應(yīng)力橫向分布呈明顯波浪形,CFG樁處褥墊層頂面應(yīng)力普遍大于樁間土處褥墊層頂面應(yīng)力,最終應(yīng)力比在1.2～1.5之間。3.4土拱效應(yīng)與路堤充填的關(guān)系由于樁帽間土變形模量小于CFG樁及樁帽變形模量,樁帽間土上路堤沉降將大于樁帽上路堤沉降,兩者之間存在相對位移Δs,使路堤產(chǎn)生土拱效應(yīng)。土拱效應(yīng)影響路堤荷載傳遞和沉降變形性狀。其發(fā)展程度與較多參數(shù)有關(guān)。本試驗中樁長、樁間距、樁帽大小等參數(shù)不變,土拱效應(yīng)的發(fā)展程度可通過樁土應(yīng)力比或樁土荷載分擔比表示。由圖2、圖3可知:路基填筑完成后,現(xiàn)場實測樁帽頂水平面應(yīng)力大于樁帽間土應(yīng)力,樁土應(yīng)力比均大于1,這說明路堤中形成了土拱。隨著填筑高度增加,土拱逐漸形成,產(chǎn)生土拱效應(yīng),使得大部分荷載增量由樁承擔,樁土應(yīng)力比不斷增大。說明土拱的形成改變了路堤中的應(yīng)力狀態(tài),引起應(yīng)力重新分布,大部分作用于拱后或拱上的壓力傳遞到樁帽上,再通過樁帽及CFG樁將這部分荷載傳遞到深層較高強度的土層,而樁帽間土承擔的路堤荷載較小,見圖7。因此,土拱效應(yīng)將促進CFG樁發(fā)揮承載能力,減小路基總沉降和工后沉降,加速路基的沉降穩(wěn)定,縮短工期。由圖5可看出,土拱效應(yīng)在路堤填筑初期就存在,并且在整個路堤橫斷面普遍存在。由圖6可以看出,在褥墊層上,填筑高度小于3.1m時,褥墊層頂面土拱效應(yīng)不明顯;填筑高度大于3.1m后,土拱效應(yīng)開始顯現(xiàn),在測試區(qū)域均出現(xiàn)土拱,且隨著填筑高度的增加越來越明顯。對比圖5和圖6可知:樁帽頂水平面樁土應(yīng)力比明顯大于褥墊層頂面樁土應(yīng)力比。說明沿路堤深度方向,越靠近樁帽頂水平面土拱效應(yīng)越明顯。4合地基填筑階段本文對采用CFG樁復(fù)合地基處理技術(shù)的京滬高速鐵路鳳陽試驗段進行現(xiàn)場試驗研究。實測樁帽頂水平面及褥墊層頂面相關(guān)位置應(yīng)力;分析樁帽頂水平面與褥墊層頂面應(yīng)力及其變化規(guī)律;并研究路堤中土拱效應(yīng)。得到以下主要結(jié)論:(1)在復(fù)合地基填筑階段,前期樁、土分擔載荷相當,中后期主要由樁發(fā)揮主要作用;樁土應(yīng)力比和荷載分擔比隨路堤填筑高度增加而增加,大致呈三折線狀。(