高速铁路 CFG桩承载力试验分析

舒 玉,严战友,刘红峰

(1.石家庄铁道学院土木工程分院,石家庄 050043;2.中铁十七局第三工程有限公司,石家庄 050043)

高速铁路 CFG桩承载力试验分析

舒 玉1,严战友1,刘红峰2

(1.石家庄铁道学院土木工程分院,石家庄 050043;2.中铁十七局第三工程有限公司,石家庄 050043)

在无砟轨道的高速铁路路基采用了 CFG桩,对 CFG桩复合地基的设计方案、不同加载方式和褥垫层厚度下 CFG桩复合地基承载能力、荷载分担和沉降变形规律进行试验研究,分析高速铁路 CFG桩复合地基的作用机理,评价地基承载力。

CFG桩 荷载试验 桩间土 竖向承载力

CFG桩是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水搅拌形成的高黏结强度桩,与碎石桩相比,CFG桩复合地基可通过增加桩长或打至坚硬土层来提高地基承载力,且其具有沉降量小,沉降稳定快等优点。京沪高速铁路某段正线地基土主要为中等压缩性土,该类土具有较高的承载力和地基稳定性,可以满足一般铁路路基工程的要求。但是,对于铺设无砟轨道的高速铁路路基有更高的要求,而且为了满足京沪高速铁路运营速度、线路的平顺性、乘客的舒适性和运营的安全性等要求,必须采取必要的地基处理措施。在广泛调研国内外地基处理现状的基础上,采用了以 CFG桩复合地基为主的处理方案。

本文对 CFG桩复合地基各种设计方案、不同加载方式和褥垫层厚度下 CFG桩复合地基承载能力、荷载分担、沉降变形的规律进行试验研究。

1 试验段简介

试验段地处河北省沧州地区青县境内,试验工点里程为 DK200+124～DK200+354,位于天津特大桥与青沧特大桥之间。该试验段地形平坦,地势开阔,线路以填方通过,路堤填高为 6.8～7.2m。该区的气候属温带半湿润大陆季风气候,年平均气温12.3℃,1月份最冷,月平均气温为 -4℃～6℃,冬季多为偏北风,寒冷干燥,降水量少,夏季多东南风和偏南风,高温,降水集中。

2 试验方案与仪器设备

通过对施工前的表层天然地基土和施工后的桩间土进行平板荷载试验,测试表层天然地基土和施工后的桩间土承载力变化,对两次测试的数据进行分析对比,以判定施工扰动对天然土地基承载力的影响。最后进行 CFG桩单桩荷载试验、复合地基荷载试验等。试验采用沉降相对稳定法(慢速法),主要依照《建筑地基基础设计规范》GB5007—2002进行。试验采用直径为 80 cm(面积 0.5 m2)的圆形承压板。试验前,清除表层 40 cm左右的耕植土层,承压板下铺约 2 cm的中粗砂垫层,使承压板与试验土层面平整接触;调整千斤顶,使之中心与承压板中心重合并垂直。试验仪器主要包括：①RS-JYC桩基静载荷测试分析系统;②电子数显位移传感器(精度 0.01 mm);③QY 500-20C试验专用千斤顶(双油路);④静载试验反力装置;⑤高压油泵加压系统。

3 天然地基土荷载试验及其分析

天然地基土平板荷载试验在 3点进行(天然土-1、天然土-2、天然土-3),加载分级进行,每级荷载为 20 kN,每级加载后按间隔 10、10、10、15、15 min,以后为每隔 30 min测读一次沉降量,当在连续 2 h内每小时的沉降量 ＜0.1 mm时,则认为已趋稳定,可加下一级荷载。各试验点静载试验 p—s曲线见图 1。由图 1可看出,天然土-1和天然土-2试验点 p—s曲线,均为圆缓型曲线,没有明显的陡降段和比例界线点,承载力特征值若按 s/b=0.01(s为沉降值,b为承压板直径)对应的荷载值取值,即沉降为 8mm时所对应的荷载值,则天然土-1试验点的承载力特征值为 101 kN;天然土-2试验点的承载力特征值为 120 kN。天然土-3号试验点,在荷载级别为 220 kN时,沉降明显增大,该级荷载作用下的沉降量为 26.33mm,是其前一级荷载(200 kN)的 2.8倍,曲线明显向下弯曲,出现明显拐点,综合分析 200 kN为该试验点的极限荷载,则该试验点的承载力特征值为 100 kN,三点的承载力实测特征平均值为 107 kN,极差 ＜30%,可以取 107 kN为该场地天然地基土的承载力特征值。

图2 试验测点位置

4 CFG桩桩间土承载力确定

桩间土平板载荷试验选在(DK190+140～DK190+191)内进行,试验点平面位置示意见图 2,各试验点静荷载试验 p—s曲线见图 1。由图 1可看出,三个桩间土试验点 p—s曲线均为圆缓型曲线,没有明显的陡降段和比例界线点,承载力特征值若按 s/b=0.01对应的荷载值取值,即沉降为 8mm时所对应的荷载值,则桩间土-1试验点的承载力实测特征值为 122 kN;桩间土-2试验点的承载力实测特征值为 109 kN;桩间土-3试验点的承载力实测特征值为 104 kN,三点的承载力实测特征值的极差 ＜30%。

从桩施工前后地基土浅层平板荷载试验结果可看出,地基土承载力特征值在桩施工后提高约 5%,变化提高幅度不大,施工前后的静载试验 p—s曲线基本相似,荷载为 120 kN。桩间土-1、桩间土-2沉降变形无明显区别,桩间土-3点沉降减小明显。

5 单桩荷载试验及其分析

5.1 单桩竖向承载力的确定

试验采用慢速维持荷载法,由千斤顶、油泵、反力大梁、配重铁块组成反力系统。通过反力系统,由液压油泵和千斤顶施加荷载至桩顶,对桩顶施加竖向压力。荷载逐级加在桩顶上,通过放置在千斤顶上的荷重传感器测试荷载并实时在主机上显示桩顶所受荷载大小。现场试验工作在桩径为 0.4 m、桩长为 24 m的CFG桩上进行,该桩共分 18级进行,分级荷载为 150 kN,在荷载加至 900 kN时,为了更加准确确定单桩极限承载力,将分级荷载缩小为 100 kN,最终加载至2 100 kN。Q— s、s— lgt曲线见图 3。

由图 3可看出,该桩最终荷载为2 100 kN,最终沉降为 34.45mm,Q—s曲线呈缓变形,在1 800 kN时出现第一拐点,对应的沉降量为22.57mm;s—lgt曲线未见明显间距加大和向下弯曲现象,但在1 900 kN荷载作用下,用时 450min才达到相对稳定条件,比前一级多用时近一倍,综合分析该桩单桩竖向极限承载力不小于1 800 kN。静载试验后,再次对该桩进行了低应变测试,低应变曲线见图 4。低应变检测表明,CFG桩静荷载试验结束后,桩身完整。

图3 CFG桩单桩竖向抗压静荷载试验曲线

图4 CFG桩加载后低应变曲线(第一应变速率 1.344 cm/s)

图5 不同荷载下桩身轴力、侧摩阻力随深度变化的曲线

从图 5可见,CFG桩的桩身轴力随着深度增加而减小,并随着加载等级增加而增大,CFG桩的桩侧摩阻力随着深度增加而呈先增大再减小的折线变化,并随着加载等级增加而增大。极限承载力所对应的桩身轴力在 3 m、8 m和 13 m分别为 1 379.8 kN、1 240.2 kN和1 094.9 kN,桩侧摩阻力为 36.4 kN。承载力特征所对应的桩身轴力在 3 m、8m和 13 m分别为640.5 kN、569.6 kN和 507.1 kN,桩侧摩阻力为 17.3 kN。

5.2 CFG桩桩身侧摩阻力分析

在单桩静载试验中在桩顶下 3 m、8 m、13 m处埋设钢筋计,桩身轴力和桩侧摩阻力见图 5。

6 CFG桩复合地基承载力试验分析

刚性承压板复合地基静载荷试验,共计进行复合地基静载荷试验 8处。具体参数见表 1。

表1 试验段荷载试验复合地基参数

在试验中,均采用方形刚性承压板,最大加载值为设计试验承载力的 2倍,试验结果见图 7与图 8。

图6 复合地基静载试验 p—s曲线

图7 复合地基静载试验综合 p—s曲线

由图 6、图 7可知：216-17、226-18、316-16试桩,复合地基静载压力—沉降(p—s)曲线均为缓变形,至最终加载完成时承压板周围土未出现明显的隆起或破坏性裂缝,均未达到破坏荷载。最终沉降量为分别为14.59mm、18.28 mm和 20.50 mm。216-17、226-18号试桩在 400 kN时对应的沉降量分别为 6.66 mm和7.04mm,对应的 s/b值均 ＜0.01;316-16号试桩 350 kN对应的沉降量为 5.95 mm,s/b值 ＜0.01。故上述三根试桩的复合地基承载力特征值均不小于最终加载值的一半 。 306-16、413-17、424-16、506-20、508-18试桩,复合地基静载荷压力—沉降(p—s)曲线均出现陡降段,分别于 700 kN、900 kN、810 kN、700 kN、700 kN荷载级别时出现破坏,上述 5根试桩的复合地基承载力特征值均取极限荷载的一半。从 A、B区的复合地基荷载试验结果可知,A区复合地基的承载力特征值不小于 400 kN,相对应的沉降量 ＞6.66mm,而 B区复合地基承载力特征值分别为315 kN和350 kN,相对应的沉降量 ＜5.95 mm;C区复合地基承载力特征值大于 B区,而相对应的沉降量 C区仅是 B区的 49%～67%,A区复合地基承载力特征值是 D区的 1.27倍左右,而相对应的沉降量是 D区的 0.78倍。

以上分析结果表明,桩长是影响复合地基沉降量的最大因素,同时应考虑到桩间距和桩径的影响,在以变形控制为主的 CFG桩设计中,增加桩长对有效减少沉降具有明显的作用。从试验结果分析可知,在以承载力控制为主的 CFG工程中,单纯依靠增加 CFG桩的桩长,并不是提高 CFG桩复合地基承载力的最有效的办法,减小桩间距是一个提高 CFG桩复合地基承载力的可行办法,同时要考虑到桩径、桩身强度对复合地承载力的影响,以及复合地基荷载试验承压板影响深度的有限性。

7 结论

1)地基土承载力特征值在桩施工后提高约 5%,变化提高幅度不大;

2)CFG桩的桩身轴力随着深度增加而减小,并随着加载等级增加而增大,CFG桩的桩侧摩阻力随着深度增加而呈先增大再减小的折线变化;

3)桩长是影响复合地基沉降量的最大因素,同时应该考虑到桩间距和桩径的影响,减小桩间距是一个提高 CFG桩复合地基承载力的可行办法。

[1]龚晓南.复合地基理论及工程应用[M].北京：中国建筑工业出版社,2005.

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U443.15;U238

B

1003-1995(2010)02-0055-03

2009-07-27;

2009-11-18

舒玉(1972— ),男,安徽泗县人,讲师,硕士。

(责任审编 白敏华)