高速鐵路深厚淤泥地基樁寨過(guò)渡段樁基沉降分析

高速鐵路深厚淤泥地基樁寨過(guò)渡段樁基沉降分析

新溫福高速鐵路的許多公路穿越段都位于深土基上，且高度集土。因此，采用“鋼筋混凝土板預(yù)制樁”的樁段結(jié)構(gòu)加固高速公路穿越段的深層泥基，但目前還缺乏足夠的設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)考慮以下問(wèn)題。(1)在路橋過(guò)渡段打入管樁處理深厚淤泥地基,會(huì)對(duì)鄰近橋臺(tái)地基產(chǎn)生擠壓影響,如果在管樁施工完就馬上開(kāi)始鉆進(jìn)靠近管樁的橋臺(tái)灌注樁孔,會(huì)對(duì)橋臺(tái)樁基的施工質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。那么打樁結(jié)束后、再間隔多長(zhǎng)時(shí)間可以開(kāi)始鉆進(jìn)鄰近橋臺(tái)灌注樁孔?(2)過(guò)渡段的淤泥地基用樁筏結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固處理后,靠近過(guò)渡段的路基往往會(huì)在過(guò)渡段填土以前先行填筑,那么靠近過(guò)渡段的路基填土對(duì)樁筏結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性會(huì)造成怎樣的影響?(3)路橋過(guò)渡段的軟基處理不僅要考慮減小地基沉降,還要考慮減小橋臺(tái)臺(tái)后路基填土對(duì)橋臺(tái)基樁的側(cè)向影響。采用樁筏結(jié)構(gòu)對(duì)路橋過(guò)渡段的深厚淤泥地基進(jìn)行加固處理后,臺(tái)后路基填土對(duì)橋臺(tái)基樁還會(huì)產(chǎn)生怎樣的側(cè)向影響?對(duì)以上問(wèn)題進(jìn)行研究可充分認(rèn)識(shí)樁筏結(jié)構(gòu)加固高速鐵路路橋過(guò)渡段深厚淤泥地基的適用性,可為樁筏結(jié)構(gòu)在過(guò)渡段軟基的加固處理中進(jìn)行應(yīng)用提供理論和技術(shù)支持?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)是解決以上問(wèn)題最為有效的手段之一,在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方面:關(guān)于問(wèn)題(1),李向紅測(cè)試了沉樁引起的土體側(cè)向位移和地表隆起,唐世棟[3~4]探討了沉樁時(shí)引起的側(cè)向土壓力增量和超孔隙水壓力的分布規(guī)律,曹秀娟分析了打樁過(guò)程中引起的超孔隙水壓力及土體側(cè)向位移的變化規(guī)律,但已有研究主要關(guān)注于打樁過(guò)程對(duì)樁周土體的擠壓影響,未涉及到問(wèn)題(1)的工程情況,很少對(duì)打樁之后的土體側(cè)向位移和孔隙水壓力再進(jìn)行長(zhǎng)期的觀測(cè)。關(guān)于問(wèn)題(2),國(guó)內(nèi)外學(xué)者在研究路基堆載對(duì)鄰近樁基的影響時(shí)主要測(cè)試樁基的內(nèi)力和位移[6~8],很少對(duì)樁筏結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性進(jìn)行研究。關(guān)于問(wèn)題(3),已有研究表明路橋過(guò)渡段軟基處理的方式和效果不同,在臺(tái)后路基填土作用下橋臺(tái)基樁的側(cè)向受力變形特性也不相同[9~17],Takashi介紹了在過(guò)渡段填土期間橋臺(tái)基樁側(cè)向位移的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果,聶如松通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)獲取了在過(guò)渡段填土期間橋臺(tái)基樁彎矩的變化規(guī)律,但Takashi和聶如松研究的過(guò)渡段軟基均是用堆載預(yù)壓進(jìn)行處理,已有研究很少在樁筏結(jié)構(gòu)加固處理過(guò)渡段軟基的情況下,研究臺(tái)后路基填土對(duì)橋臺(tái)基樁的側(cè)向影響。本文選取新建溫福高速鐵路位于深厚淤泥地基上的兩處路橋過(guò)渡段開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),測(cè)試了橋臺(tái)地基土的側(cè)向位移和孔隙水壓力、樁筏結(jié)構(gòu)的沉降、橋臺(tái)基樁的彎矩和側(cè)向位移,基于實(shí)測(cè)結(jié)果研究過(guò)渡段打入管樁對(duì)鄰近橋臺(tái)地基的影響,并確定打樁結(jié)束后到開(kāi)始鉆進(jìn)鄰近橋臺(tái)灌注樁孔的間隔時(shí)間,研究靠近過(guò)渡段的路基填土對(duì)樁筏結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的影響和臺(tái)后路基填土對(duì)橋臺(tái)基樁的側(cè)向影響。研究結(jié)果可為在高速鐵路路橋過(guò)渡段深厚淤泥地基的加固處理中應(yīng)用樁筏結(jié)構(gòu)提供實(shí)踐依據(jù),亦可為類似工程提供參考。1現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)總結(jié)1.1試驗(yàn)方案及測(cè)試元件的布置新建溫福鐵路對(duì)務(wù)山特大橋北端的路橋過(guò)渡段、鰲江特大橋南端的路橋過(guò)渡段的路基填土分別高達(dá)6m和8m,兩處過(guò)渡段均位于深厚的淤泥地基上,淤泥層厚度為25m,淤泥呈流塑狀,其承載力特征值只有40kPa。兩處過(guò)渡段的淤泥地基均采用樁筏結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固處理,在橋臺(tái)前緣都還加設(shè)了一排斜鋼管樁;而對(duì)于靠近過(guò)渡段的路基,采用“預(yù)應(yīng)力管樁+土工格柵”對(duì)淤泥地基進(jìn)行處理。過(guò)渡段的立面及平面示意圖分別如圖1和圖2所示,過(guò)渡段的主要施工步驟如下:(1)采用錘擊法在過(guò)渡段淤泥地基中打入30根PC預(yù)應(yīng)力混凝土管樁(圖2用箭頭標(biāo)出了打樁順序),管樁間距2m×2m,管樁外徑0.5m,壁厚0.1m,管樁穿過(guò)淤泥層、淤泥質(zhì)粘土層,最終進(jìn)入含卵石圓礫土層,管樁的實(shí)際長(zhǎng)度在40m左右,軟弱土層的物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)見(jiàn)表1。(2)施工橋臺(tái)沖孔灌注樁共12根,樁徑1.25m,樁長(zhǎng)49m,最靠近管樁的一排沖孔灌注樁(A樁、B樁和C樁)距離管樁僅有1.5m。(3)在管樁頂修筑鋼筋混凝土筏板,將過(guò)渡段的所有管樁連成一個(gè)整體,筏板長(zhǎng)11.2m,寬9.2m,高1.5m。(4)修筑橋臺(tái)。(5)進(jìn)行臺(tái)后路基填土,包括靠近過(guò)渡段的路基填土和過(guò)渡段的路基填土:首先分層填筑靠近過(guò)渡段的路基,填筑長(zhǎng)度超過(guò)50m,路堤坡腳距離橋臺(tái)臺(tái)背13m,坡度1:2;然后再分層填筑過(guò)渡段的路基。1.2測(cè)試元件布置及試驗(yàn)條件介紹路橋過(guò)渡段測(cè)試元件位置及編號(hào)如圖1和圖2所示,表2為測(cè)試元件和測(cè)試項(xiàng)目表[18~20]。孔隙水壓計(jì)位于橋臺(tái)沖孔灌注樁B樁側(cè),與鄰近管樁的水平距離為1.3m,4只孔隙水壓計(jì)的埋深為8、13、17、22m。測(cè)試橋臺(tái)地基土體側(cè)向位移的1號(hào)、2號(hào)測(cè)斜管與鄰近管樁的水平距離均為1.5m,測(cè)試橋臺(tái)基樁側(cè)向位移的測(cè)斜管布置在B樁內(nèi),各測(cè)斜管底端均進(jìn)入含卵石圓礫土層。在筏板的4個(gè)角均布置沉降標(biāo),為避免基坑積水或填土影響測(cè)試工作,沉降標(biāo)由鋼底板和金屬測(cè)桿組成,將沉降標(biāo)鋼底板埋入筏板混凝土內(nèi),金屬測(cè)桿可根據(jù)情況接長(zhǎng)。樁身應(yīng)變計(jì)采用鋼弦式應(yīng)變傳感器,成對(duì)布設(shè)在B樁的鋼筋籠主筋上,同一測(cè)試截面前、后側(cè)應(yīng)變計(jì)的連線與線路縱向平行,可根據(jù)測(cè)得的樁身前、后側(cè)應(yīng)變值計(jì)算出樁身彎矩,樁身彎矩測(cè)試截面A、B、C、D、E、F距樁頂?shù)木嚯x為0.5、2.5、5.5、11.5、22.75、25m。2試驗(yàn)結(jié)果的分析2.1灌注樁孔的影響通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試橋臺(tái)地基土的側(cè)向位移和孔隙水壓力,研究打入管樁對(duì)鄰近橋臺(tái)地基的影響,以確定何時(shí)開(kāi)始鉆進(jìn)靠近管樁的一排橋臺(tái)沖孔灌注樁孔(A樁、B樁和C樁),以鰲江特大橋南端的路橋過(guò)渡段為例。2.1.1管樁打完后的土體位移特性因1號(hào)、2號(hào)測(cè)孔的試驗(yàn)結(jié)果相近,下面以1號(hào)測(cè)孔為例進(jìn)行分析。圖3為1號(hào)測(cè)孔測(cè)得的土體側(cè)向位移-深度曲線(深度以地面起算),分析圖3可知:(1)在初期打入最靠近測(cè)孔的管樁時(shí),對(duì)鄰近的橋臺(tái)地基產(chǎn)生了顯著的擠土效應(yīng),位于軟土層內(nèi)的各測(cè)點(diǎn)均向臺(tái)前方向發(fā)生了較大的側(cè)向位移;接下來(lái)在由近至遠(yuǎn)逐排打入管樁的過(guò)程中,群樁對(duì)橋臺(tái)地基土產(chǎn)生的擠壓影響隨著打入樁數(shù)的增多而增大,使土體持續(xù)向臺(tái)前側(cè)向移動(dòng);過(guò)渡段管樁全部打完用了53天,在過(guò)渡段管樁全部打完時(shí),橋臺(tái)地基土的最大側(cè)向位移為311mm,發(fā)生在地表以下9m深處,原因是在地表鋪設(shè)了0.5m厚的一層較硬的碎石土做為工作墊層,而且在打樁過(guò)程中,靠近地表的淺層土易產(chǎn)生豎向隆起,可以釋放一部分側(cè)向擠壓應(yīng)力。(2)在過(guò)渡段管樁全部打完后,淤泥由于蠕變特性仍向臺(tái)前方向發(fā)生緩慢的側(cè)向移動(dòng),在過(guò)渡段管樁全部打完之后的3個(gè)月內(nèi),土體的最大側(cè)向位移增量為19mm,說(shuō)明過(guò)渡段打入管樁對(duì)鄰近橋臺(tái)地基的擠壓影響具有時(shí)間效應(yīng)。對(duì)于過(guò)渡段管樁全部打完之后的第4個(gè)月和第5個(gè)月,土體的側(cè)向位移已經(jīng)很小,表3反映了在這兩個(gè)月期間土體側(cè)向位移變化率隨深度的變化情況。從表3可以看出,在這兩個(gè)月內(nèi)土體側(cè)向位移的變化率小于0.1mm/d。2.1.2管樁群樁的超孔隙水壓力變化規(guī)律圖4為橋臺(tái)地基的超孔隙水壓力-時(shí)間曲線(測(cè)點(diǎn)深度以地面起算),在開(kāi)始施打管樁以前將各測(cè)點(diǎn)的孔隙水壓力值全部調(diào)成零,以觀測(cè)打樁引起的超孔隙水壓力,分析圖4可知:(1)過(guò)渡段打入管樁擠壓鄰近的橋臺(tái)地基,使橋臺(tái)地基產(chǎn)生超孔隙水壓力,當(dāng)打入離測(cè)點(diǎn)最近的管樁時(shí),各測(cè)點(diǎn)的超孔隙水壓力均達(dá)到最大值,超孔隙水壓力最大達(dá)70kPa。(2)接下來(lái)由近至遠(yuǎn)逐排打樁,在過(guò)渡段群樁施工的影響下,位于淤泥層深部(埋深超過(guò)13m)的測(cè)點(diǎn)2、3、4的超孔隙水壓力比打入離測(cè)點(diǎn)最近的管樁時(shí)雖然有所降低,但基本上都在40~60kPa的范圍內(nèi)上下波動(dòng),這是因?yàn)?對(duì)于過(guò)渡段的管樁群,如果管樁處在“錘打期”,即不斷錘擊管樁使其進(jìn)入地層中,那么打樁產(chǎn)生的超孔隙水壓力會(huì)傳遞到測(cè)點(diǎn),使測(cè)點(diǎn)的超孔隙水壓力集聚增大;但如果處在“停歇期”,包括設(shè)備維修等較長(zhǎng)的施工停歇時(shí)間,管樁沒(méi)有受到錘擊,測(cè)點(diǎn)的超孔隙水壓力就會(huì)以消散為主。超孔隙水壓力增大或減小,取決于集聚或消散哪個(gè)占主導(dǎo)地位,過(guò)渡段群樁施工的“錘打期”和“停歇期”彼此交替,使深部淤泥的超孔隙水壓力上下波動(dòng)。(3)在打樁過(guò)程中,淺層土除了產(chǎn)生側(cè)向位移外還產(chǎn)生豎向隆起,易形成有利于孔隙水壓力消散的裂隙,因此在過(guò)渡段管樁全部打完后,測(cè)點(diǎn)1的超孔隙水壓力消散最快,在三周內(nèi)就完全消散;而位于淤泥層深部的2、3、4測(cè)點(diǎn)的超孔隙水壓力消散緩慢,這與淤泥的弱滲透性有關(guān)。過(guò)渡段管樁全部打完約5個(gè)月后,測(cè)點(diǎn)2、3、4的超孔隙水壓力均消散到20kPa以下,相對(duì)于各自的最大值都消散了75%以上。2.1.3開(kāi)始鉆進(jìn)鄰近管樁的橋臺(tái)樁孔由以上的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果可知:在路橋過(guò)渡段的深厚淤泥地基中打入管樁,會(huì)對(duì)鄰近的橋臺(tái)地基產(chǎn)生強(qiáng)烈的擠土效應(yīng),會(huì)使橋臺(tái)地基產(chǎn)生較高的超孔隙水壓力,破壞土體的結(jié)構(gòu)性,使橋臺(tái)地基土體產(chǎn)生豎向隆起和側(cè)向移動(dòng);如果在管樁施工完就馬上開(kāi)始鉆進(jìn)靠近管樁的橋臺(tái)樁孔,因橋臺(tái)樁孔周圍的淤泥仍在固結(jié)和蠕變,極易使橋臺(tái)樁孔在鉆進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生縮頸和塌孔,對(duì)橋臺(tái)樁基的施工質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。因此,在過(guò)渡段管樁全部打完之后,要經(jīng)過(guò)一段間隔時(shí)間,等橋臺(tái)地基土的側(cè)向位移和超孔隙水壓力減小或消散到一定標(biāo)準(zhǔn)以下時(shí),再開(kāi)始鉆進(jìn)靠近管樁的橋臺(tái)沖孔灌注樁孔(A樁、B樁和C樁)。因目前相關(guān)資料還未對(duì)上述間隔時(shí)間和控制標(biāo)準(zhǔn)做出明確的規(guī)定[2~5],這里先假定當(dāng)橋臺(tái)地基土的側(cè)向位移變化率小于0.1mm/d、超孔隙水壓力相對(duì)于最大值消散了75%以上時(shí),橋臺(tái)地基土的側(cè)向位移和超孔隙水壓力對(duì)橋臺(tái)沖孔灌注樁的施工質(zhì)量不會(huì)有影響,這時(shí)可以開(kāi)始鉆進(jìn)靠近管樁的橋臺(tái)樁孔。本文開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的兩處路橋過(guò)渡段的工程實(shí)踐證明:等過(guò)渡段管樁全部打完5個(gè)月后,橋臺(tái)地基土的側(cè)向位移和超孔隙水壓力均達(dá)到上述控制標(biāo)準(zhǔn),此時(shí)再開(kāi)始鉆進(jìn)靠近管樁的橋臺(tái)樁孔,能夠保證橋臺(tái)樁孔的施工質(zhì)量。由此可見(jiàn),若不采取措施使打樁對(duì)鄰近橋臺(tái)地基產(chǎn)生的擠壓影響盡快消失,宜等過(guò)渡段管樁全部打完5個(gè)月后再開(kāi)始鉆進(jìn)靠近管樁的橋臺(tái)沖孔灌注樁孔。2.2鄰近路基填土及樁棋結(jié)構(gòu)沉降過(guò)程分析過(guò)渡段的淤泥地基用樁筏結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固后,靠近過(guò)渡段的路基往往會(huì)在過(guò)渡段填土以前先行填筑。在靠近過(guò)渡段(即靠近樁筏結(jié)構(gòu))的路基填筑期間,路基填土堆載會(huì)對(duì)樁筏結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性造成影響,本文通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)樁筏結(jié)構(gòu)的沉降來(lái)對(duì)這種影響進(jìn)行研究,以務(wù)山特大橋北端的路橋過(guò)渡段為例。圖5為樁筏結(jié)構(gòu)在靠近過(guò)渡段的路基填筑期間的沉降-時(shí)間曲線(沉降值為正表示下沉),靠近過(guò)渡段的路基總高度為6m,約每個(gè)月填高0.8m。分析圖5可知:(1)在靠近過(guò)渡段的路基填土期間,填土荷載使下臥淤泥側(cè)向流動(dòng),淤泥在外力作用下會(huì)優(yōu)先向阻礙力小或沒(méi)有阻礙的方向流動(dòng),而此時(shí)過(guò)渡段的路基還未填筑,樁筏結(jié)構(gòu)因尚未承受填土壓力荷載而對(duì)淤泥向上隆起的阻礙較小,97天后,不斷增大的鄰近路基填土荷載使管樁間的一部分淤泥繼續(xù)向臺(tái)前方向側(cè)向流動(dòng),而另一部分淤泥則向上隆起,托舉樁筏結(jié)構(gòu)向上浮動(dòng),最大上浮量發(fā)生在測(cè)點(diǎn)3,為-15mm。(2)195天后,靠近過(guò)渡段的路基填土基本結(jié)束,管樁周圍的淤泥不再向上隆起,開(kāi)始以固結(jié)沉降變形為主,在樁側(cè)產(chǎn)生負(fù)摩阻力,使樁筏結(jié)構(gòu)又開(kāi)始下沉,此時(shí)各個(gè)測(cè)點(diǎn)的沉降量卻并不相等,樁筏結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了不均勻沉降,在第228天,測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)3的沉降差為10mm。第230天開(kāi)始填筑過(guò)渡段的路基,而在過(guò)渡段填土以前,樁筏結(jié)構(gòu)的沉降并未穩(wěn)定。綜上所述,靠近過(guò)渡段的路基填土使樁筏結(jié)構(gòu)先上浮再下沉,而且還產(chǎn)生了不均勻沉降。另外,樁筏結(jié)構(gòu)的沉降在過(guò)渡段填土以前并未穩(wěn)定,這樣會(huì)削弱樁筏結(jié)構(gòu)對(duì)過(guò)渡段淤泥地基的處理效果,宜先填筑靠近過(guò)渡段的路基,再施工樁筏結(jié)構(gòu)對(duì)過(guò)渡段的淤泥地基進(jìn)行加固處理。2.3橋基線樁的彎矩和側(cè)向位移以務(wù)山特大橋北端的路橋過(guò)渡段為例,通過(guò)測(cè)試橋臺(tái)沖孔灌注樁B樁的彎矩和側(cè)向位移來(lái)研究臺(tái)后路基填土對(duì)橋臺(tái)基樁的側(cè)向影響。B樁的側(cè)向位移測(cè)試結(jié)果表明:在臺(tái)后路基填土過(guò)程中,樁身底端固定不動(dòng)。圖6和圖7分別給出了位于淤泥層中的樁身彎矩-深度變化曲線和樁身側(cè)向位移-深度變化曲線,其中的樁身彎矩和側(cè)向位移均從靠近過(guò)渡段的路基開(kāi)始填土?xí)r起算,深度均從B樁的樁頂起算,彎矩以樁身靠近臺(tái)后路基一側(cè)受拉為正,因彎矩測(cè)試截面E的應(yīng)變計(jì)在試驗(yàn)過(guò)程中失效,故將E截面的數(shù)據(jù)剔除。分析圖6和圖7可知:(1)靠近過(guò)渡段的路基填土雖然距離橋臺(tái)臺(tái)背還有13m,卻在橋臺(tái)樁身上產(chǎn)生了彎矩,并且使橋臺(tái)基樁向臺(tái)前方向偏移。這是因?yàn)?淤泥的強(qiáng)度很低,呈流塑狀態(tài),靠近過(guò)渡段的路基填土荷載使下臥淤泥朝臺(tái)前方向側(cè)向流動(dòng),盡管樁筏結(jié)構(gòu)的管樁群對(duì)淤泥的側(cè)向流動(dòng)具有遮攔效應(yīng),但隨著路基填土高度的增加,仍會(huì)有一部分淤泥繞流過(guò)管樁,進(jìn)而側(cè)向擠壓橋臺(tái)基樁。靠近過(guò)渡段的路基填土結(jié)束后,截面B、C、D的彎矩分別為-25、-212、-241kN·m,橋臺(tái)樁頂?shù)膫?cè)向位移為16.1mm。(2)過(guò)渡段路基約每周填高1m,在過(guò)渡段填土期間,橋臺(tái)基樁的彎矩和側(cè)向位移進(jìn)一步增大,而且距離樁頂越近,樁身彎矩和側(cè)向位移的增量越大。這是因?yàn)?(1)盡管樁筏結(jié)構(gòu)會(huì)分擔(dān)過(guò)渡段填土荷載作用在淤泥層上的壓力,但在填筑過(guò)渡段之前樁筏結(jié)構(gòu)的沉降并未穩(wěn)定,過(guò)渡段6m高的填土荷載又進(jìn)一步加大了樁筏結(jié)構(gòu)的沉降,樁筏結(jié)構(gòu)的支撐作用充分發(fā)揮需要一個(gè)時(shí)間過(guò)程,因此在過(guò)渡段填土荷載作用下,淤泥仍被側(cè)向擠出,從而對(duì)橋臺(tái)基樁產(chǎn)生側(cè)向壓力;(2)過(guò)渡段填土與橋臺(tái)臺(tái)背直接接觸,在臺(tái)背上產(chǎn)生側(cè)向土壓力,橋臺(tái)又將這種側(cè)向土壓力自上而下傳遞給橋臺(tái)樁基。過(guò)渡段填土結(jié)束后,即臺(tái)后路基填土全部結(jié)束后,樁身最大負(fù)彎矩出現(xiàn)在距樁頂