樁頂預留凈空或可壓縮墊塊的樁承式路堤沉降控制機理研究

鄭  剛  紀穎波  劉雙菊  荊志東

天津大學 天津300072； 天津城市建設學院 天津300380； 鐵道第三勘察設計院集團有限公司 天津300142

    我國有相當大比例的鐵路和高速公路在軟弱路基上建設，為解決承載力和沉降問題，對軟弱路基除采用橋梁通過外，大量采用的方法是進行軟弱路基處理。尤其對高速鐵路，地基加固的費用很大，而且需嚴格控制工后沉降。選擇合理的加固方案并嚴格控制工后沉降是在軟土路基上建設高速鐵路的關鍵課題。

    當由于工期限制不能采用預壓處理方案時，常常采用復合地基方案。對粉噴樁或水泥攪拌樁復合地基，樁距常常較��；對剛性樁復合地基，雖然樁距可能較大，但為保證樁承載力的發揮，常在樁頂設一定尺寸的鋼筋混凝土面板。這樣，路堤填筑產生的荷載可能大部分被復合地基的加固體(樁體)所承擔，路堤填筑的自重在路堤頂面鐵路鋪軌或公路鋪設路面前對路基的預壓作用沒有被有效利用，樁問土從而失去被預壓固結從而減少沉降或減小樁數的機會。

    針對框架(或外框內筒、框架一剪力墻)結構建筑物經常出現邊柱沉降小、中柱(或內筒)沉降大的情況，Flemming等1990年首次提出了在邊柱下面設置具有一定模量的可壓縮墊塊，使邊柱可產生較大的沉降，從而減小邊柱與內柱的沉降差。在提出這樣的概念后，國外此后未見進一步的研究文獻發表，直至2006年Poulos用數值方法研究了樁頂設置變剛度墊塊后對基礎沉降和承臺下不同位置樁頂反力分布的影響。筆者近年來進行了在樁頂與承臺之間設置一定高度凈空或可壓縮墊塊以調整樁土分擔荷載的情況的研究，采用模型試驗對樁頂與承臺(基礎)的不同構造形式(接觸、設置褥墊層、預留凈空)進行了研究，揭示了砂土中樁頂預留一定高度凈空后，由于樁間土可首先被壓密，可強化樁土相互作用，減少樁土相對滑移和樁端貫入，增加樁土加載后期時的地基剛度，提高總體承載力，減小沉降。

    盡管對預留凈空(或樁頂設置變形器)樁基礎這種新的樁土相互作用形式已經有了一些研究，但由于使土分擔荷載(甚至首先使土承擔荷載)，在黏性土中必將引起附加孔壓，孔壓的消散必然引起樁土相互作用的動態調整和沉降的動態變化，對這一重要問題，目前還未見文獻開展研究。

    Broms曾提出這樣的設想，對于水泥攪拌樁復合地基，如在攪拌樁樁體強度尚很低就施加荷載(如填筑路堤)，這樣的話，由于樁的承載力還很低，幾乎所有的預壓填土荷載都會作用在樁間土上。此時可對樁間土進行有效的壓密。對樁土產生的預壓作用可使樁問土固結所需時間可減少50％～70％。

    上海Fl賽車道下軟基處理時利用部分路堤自重進行了預壓。具體做法是，先填土至樁帽板頂標高，使此部分填土荷載由土直接承擔。然后再打入預制方樁穿透軟土達到粉質黏土層，按3 m×3 m正方形布設，每根樁頂灌注1.75 m×1.75 m倒杯形樁帽板(輕型承臺)，再在樁帽板以上填二灰土至路基面標高。

    基于以上研究和思想，筆者提出了可對樁間及樁端土預壓的樁承式路基，即對剛性樁復合地基來說，可考慮在每根樁各自的樁頂帽板與樁頂之間設置一定高度凈空，使路堤填筑荷載首先被樁問土承擔，對樁間土起到預壓作用。樁間土下沉對樁產生負摩阻力并傳遞至樁端下，樁端下土也會因而被一定程度壓密，繼續承擔新增加的荷載時，樁產生的沉降也因此可以小于沒有樁端壓密的情形，從而減小工后沉降。

    本文在對京津城際軌道CFG樁復合地基進行數值模擬分析并與實測結果進行對比的基礎上，研究了在樁頂預留凈空時土的孔壓分布、發展與消散及其對工后沉降的影響。

1、工程背景

    京津城際軌道交通工程位于華北地區，連接北京、天津兩大直轄市。本文模擬DK84+050斷面，位于天津市武清區，楊村特大橋和永定新河特大橋之間，路基基底及擋土墻基底采用CFG樁加固，樁徑0．4m，樁端高程-25．Olm，樁長28m，樁距(雙向)1．5m。樁頂設l50mm厚褥墊層，褥墊層上再設500mm厚鋼筋混凝土板，其上填筑路堤。

    土質情況主要是海陸交互堆積地層，巖性為各類黏性土、粉土、砂類土等，夾淤泥、淤泥質黏土、淤泥質粉質黏土。海積層以灰色、灰褐色、灰黑色的淤泥、淤泥質黏土、黏土、粉質黏土、粉土為主，含貝殼。

2、數值模型

    2.1模型幾何概況

    應用有限元分析軟件ABAQUS對京津城際軌道交通工程的DK84+050斷面進行建模及數據分析處理，如圖l所示。取路基虛線中所示一排樁進行計算，因其為雙對稱結構，取其1/4模型進行計算。其中土體計算域取為寬60m，深80m。土本構關系采用修正劍橋模型，墊層單元為三維八節點孔壓單元；樁取為7．5個半根，樁采用彈性模型進行模擬；承臺板為混凝土材料，采用彈性模型模擬，單元為三維八節點減縮積分單元。計算域側面均取為沿面法線方向的約束，土體底面約束三個方向的位移，地面為透水邊界。

(a)CFG樁基布置平面

(b)地基處理剖面圖

圖1  京津城際軌道CFG樁路基處理方案

    2.2土層參數

    針對DK84+050斷面各土層，采用薄壁取土器取樣進行三軸試驗，測得劍橋模型土層參數，如表1所示。

表1 DK84+050斷面土層劍橋模型參數

    2.3荷載情況

    為了更好的模擬填筑與預壓的施工過程，計算中考慮分級施加填土、基床、路堤及路面結構荷載，采用 ABAQUS中的時間步命令來控制路分級加載情況，施工加載曲線如圖2所示。

圖2加載曲線

    2.4與實測結果對比

    圖3是DK84+050斷面在施工13個月的實測值與計算值對比，從圖中可以看出，計算結果與實測值比較接近。因此，可以認為，表l所示的計算參數基本是合理的，可以用于進一步的分析計算。

圖3 390d內的實測沉降與計算沉降對比

    2.5樁間及樁端土提前預壓的復合地基模擬

    考慮到樁間土及樁端以下土均以粉土及粉質黏土為主，可通過預壓進行一定程度的壓密，以減小路基工后沉降。為此，在以上模擬計算的基礎上，在樁頂設定了5cm的預留凈空，模擬填土可首先由樁問土承擔的情況(參見圖10)。數值分析時，樁頂與板之間設置接觸，軟件會在每個荷載步自動檢測樁頂與板之間的距離，當距離為零時，接觸生效。預留凈空可以以模量接近于零的材料充填，計算時，如發現樁頂以上土單元與樁頂單元的距離接近于零時，將預留凈空單元改為混凝土單元。其他條件與上述對京津城際軌道CFG樁復合地基沉降模擬分析一致。

3、模擬結果分析

    3.1地面沉降對比分析

    圖4是預留凈空樁筏基礎(PRGCB)與實際工程中采用的常規樁筏基礎(CRP)(樁頂與筏板之問設置  150mm厚褥墊層)的路堤底面沉降計算結果。從圖4可以看出，對于樁頂有預留凈空的這種連接方式，由于樁頂預留5cm的凈空，在施工前期(預壓完成前)，路堤底面沉降發展很快，但后期，路堤底面沉降(工后沉降)比實際工程條件下的沉降增幅要緩慢。

圖4樁頂預留凈空樁筏基礎與常規樁筏基礎計算沉降對比

    到超載預壓完成并卸載時，樁頂預留凈空條件下的路堤底面沉降為7.5cm，實際工程條件下的計算路堤底面沉降為3.9cm；到20年后，樁頂預留凈空時的沉降為8.5cm，實際工程的計算沉降為5.7cm：前者的工后沉降為1cm，后者的工后沉降為1.8cm。因此，值得注意的是，后者雖樁頂設置了5cm的凈空，但后者20年時的沉降與前者20年時的沉降的差別僅為2.8cm。說明了通過樁頂預留5cm的凈空使樁問土及樁端以下土提前壓密，反而可減少總沉降。

    與上述計算結果相似，鄭剛等在石家莊郊區進行了剛性樁復合地基、常規樁筏基礎和樁頂預留凈空樁筏基礎群樁(9樁)模型試驗，模型長2m，承壓板邊長為1.2 m。三個模型試驗中地質條件、加載方式、測試元件布置均相同，不同的是剛性樁復合地基設置了厚100 mm的褥墊層，而預留凈空樁筏基礎則是在樁頂設置10mm凈空。試驗結果表明了樁頂與筏板之間不同連接方式可顯著影響樁問土的壓縮及樁土相對滑移。對上述三者來說，樁身下部樁、土相對滑移量(樁端貫入量)依次減小，總的沉降也減小。

    由此可見，在樁頂預留一定距離的凈空可以使土首先得到壓縮，減少樁端貫入量，從而達到有效減小沉降的目的。

    3.2樁土應力對比分析

    圖5(a)、圖6(a)分別為兩種情況下自填土開始至20年中樁頂及樁問土頂面應力的發展曲線，圖5(b)、圖6(b)給出了自填土開始至20年中樁頂及樁問土頂面應力的發展曲線，以便更清楚地對短期內的情況進行比較。

(a)0～20年中樁樁頂應力發展曲線

(b)0～3年中樁樁頂應力發展曲線

圖5兩種情況的中樁樁頂應力發展曲線

(a)0～20年中樁樁間土頂面應力發展曲線

(b)0～3年中樁樁間土頂面應力發展曲線

圖6  兩種情況的樁間土頂面應力發展曲線

    在圖5(a)中可以看出，兩種情況下樁頂應力均隨著施工荷載的增加而增加，當完成超載預壓卸載后，二者的樁頂應力均顯著減小并逐漸趨于穩定。但很明顯可以看出，實際工程的計算樁頂應力大于預留凈空情況的樁頂應力，當卸載完成時，實際工程條件下計算得到的中樁樁頂應力為3．02MPa，預留凈空情況的中樁樁頂應力為2．29MPa，后者僅為前者的75％。   

    從圖6中可以看出，實際工程設置l50mm厚褥墊層時的計算結果中，隨著施工的進行，荷載增加，但樁問土頂面應力變化很小，最大值為2．2kPa，說明因褥墊層厚度小，幾乎沒有起到作用；預留凈空情況樁間土頂面應力隨施工荷載的增加變化較大，呈先增大后減小的趨勢，最大值達44kPa。

    比較圖5(b)與圖6(b)，對于樁頂設置預留凈空的情況，可以看出，樁間土應力達到最大值時，正是樁開始承擔荷載之時，在此之前樁頂的應力為零，樁頂尚未與板接觸上。樁頂開始承擔荷載后，土所承擔的荷載有一部分轉移到樁上，樁間土應力有所減小，然后，隨著預壓荷載的繼續填筑、預壓至最后卸載，樁頂應力顯著變化，而樁問土的應力變化不大。也就是說，當樁頂與承臺接觸后，后面的荷載主要由樁來承擔，樁間土頂面應力幾乎不再增加。

    3.3孔壓消散對比分析

    圖7為樁頂預留5cm凈空條件下的孔壓等值線。可以看出，當路基填筑l／4高度時，樁頂與承臺還未接觸，路堤填土的荷載首先由土來承擔。此時圖7(a)中樁間土上部孔壓最大值達34．8kPa，而樁端處土的孔壓只有14．2kPa。此時樁頂未直接承擔荷載。當路堤填筑到1／2高度時，如圖7(b)所示，此時，樁頂與承臺已接觸上，樁開始承擔荷載，土所承擔的荷載部分卸荷給樁，樁問土處孔壓減小至21．4kPa，樁端處土孔壓增加至23．8kPa。此后，隨著荷載的增加，至預壓荷載填筑完成，孔壓最高值達58．8kPa，如圖7(e)所示。

    圖8與圖9分別為實際工程和預留凈空條件下計算的孔壓值在樁間土面處以及樁端土處的比較，其中(a)圖為20年的總體隋況，(b)圖為前3年的具體比較。

    從圖8中可以看出，在填土開始后的前期階段，預留凈空情況的樁間土中的孔壓比實際工程條件下計算得到的樁間土孔壓高很多。當樁頂與承臺接觸后(當路堤填筑到l/2高度時)，雖然填土繼續增加，但由于孔壓固結消散速度遠大于此后因填土增加的孔壓，導致預留凈空條件下的樁間土孔壓總體上呈現出消散的趨勢，樁間土也因此能夠得到有效壓密。

    比較圖9中兩種條件下樁端土孔壓變化情況。開始時，二者孔壓增長趨勢一致，但后來，樁頂預留凈空條件下，樁端處土的孔壓增長慢于實際工程條件下的計算結果，樁頂預留凈空條件下樁端處土的計算孔壓最大值為67kPa，實際工程條件樁端處土的計算孔壓最大值為87kPa；當預壓土卸載完成時，實際工程條件下的樁端處土的計算孔壓為20kPa，樁頂預留凈空條件下樁端處土的計算孔壓為5kPa。此后，隨著時間的發展二者孔壓有所回升，然后慢慢消散，在此過程中，樁頂預留條件下樁端處土的孔壓一直小于實際工程條件下的相應值。由于樁頂預留凈空這一條件，即使在超載預壓卸荷后，樁端以下土孔壓小于常規條件下的樁端以下土的孔壓，使樁頂預留凈空情況的后期固結沉降小于實際工程條件下的后期固結沉降。

圖7樁頂預留凈空時土中孔壓變化

(a)0～20年中樁間土頂面孔壓發展曲線

(b)0～20年中樁樁問土頂面孔壓發展曲線

圖8兩種情況的樁間土頂面處孔壓隨時間發展對比

(a)0。20年樁端處土孔壓發展曲線對比

(b)0～3年樁端處土孔壓發展曲線對比

圖9兩種情況的樁端土處孔壓隨時間發展對比

4、工程應用的討論

    如前所述，當路堤下分布一定厚度的軟弱或松散土層時，常采用剛性樁復合地基或樁一網結構、樁板結構進行處理。雖然樁距可能較大，但為保證樁承載力的發揮，常在樁頂設一定尺寸的鋼筋混凝土板。這樣，路堤填筑產生的荷載可能大部分被復合地基的加固體(樁體)所承擔，路堤填筑的自重對路基的預壓作用在路堤頂面鐵路鋪軌或公路鋪設路面前沒有被有效利用，樁間土從而失去被預壓固結從而減少沉降或減小樁數的機會。

    當采用樁一板結構支承路堤時，實際工程中可能采用的有兩種形式，一種是低板結構，先打樁，再設置板，最后填路堤，按設計要求的時間進行預壓；另一種是高板結構，先分層填筑路堤，預壓一段時間后再打樁，然后再設置板。前者中樁承擔大部分路堤的重量，而后者中的樁不再直接承擔全部路堤重量，有效地利用了土的承載力，土反過來則受到預壓。

    因此，綜合上述兩種形式樁一板結構的特點，提出了樁頂預留凈空的低板樁一板結構，如圖l0所示。   

    通過在每根樁各自的樁頂帽板與樁頂之間設置一定高度凈空(可填充可壓縮的墊塊)，使路堤填筑荷載首先被樁問土承擔，對樁間土起到預壓作用。同時，因樁間土首先承擔荷載，在樁身上部一定高度范圍內，在樁頂預留凈空未被因筏板沉降完全消除前，樁相對土產生下沉對樁產生負摩阻力，由此會由一定應力傳遞至樁端下土中，樁端下土由此被一定程度壓密。繼續承擔新增加的荷載時，樁產生的沉降也因此可以小于沒有樁端壓密的情形。同時，樁頂在水平向仍可被板約束，防止樁問土下沉時使樁產生過大水平位移，并有利于路堤穩定。

    本文基于京津城際鐵路剛性樁復合地基沉降實測結果基礎上的數值模擬，研究了樁頂預留5cm凈空條件下，路堤填土過程中及工后的沉降、土中孔壓變化分析，并與實際工程條件下的計算結果進行了比較分析，得出如下結論：

    (1)在填土開始后的前期階段，預留凈空情況的樁問土孔壓比按實際工程條件計算的孔壓高很多。當樁頂與承臺接觸后(當路堤填筑到l／2高度時)，雖然填土繼續增加，但由于孔壓固結消散速度遠大于此后因填土增加的孔壓，導致預留凈空條件下的孔壓總體上呈現出消散的趨勢，樁問土也因此能夠得到有效壓密。結合已有的室內模型試驗及現場模型試驗研究，可以認為，在樁頂預留一定距離的凈空可以使樁間土首先得到壓密，使土壓縮產生的沉降提前發生，能夠減少樁的貫入變形，并達到有效減小工后沉降的目的。

    (2)對于樁端下土中的孔壓，在填土、超載預壓至完成超載部分的，樁頂預留凈空條件下的孔壓均顯著小于實際工程條件下的孔壓，因此，樁頂預留凈空條件下，路堤的后期固結沉降小于實際工程條件下的工后沉降。

    (3)本文采用數值分析方法對樁頂與板接觸(或設很薄的褥墊層)條件下和樁頂設置預留凈空(或可壓縮墊塊)條件下的沉降及土中孔壓發展進行了對比，揭示了二者工作機理的不同。但仍需通過進一步的試驗與對比實測研究來深化本文的研究工作。

參考文獻

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(本文來源：陜西省土木建筑學會     文徑網絡：尹維維 編輯  文徑 審核)