铁路箱形桥灰土桩复合地基承载力的试验研究

王文武，李建文

(中铁十六局机关测试中心，北京市 100018)

1 工程概况

兰渝铁路1－12.0m箱形桥位于甘肃省定西市渭源县境内，为新建兰渝线下穿既有公路而建，全长194.54m。全桥位于曲线半径为4500m上，地基基本承载力为120 kPa，设计基底应力150 kPa，设计活载:中－活载，地震烈度为七度，线间距为4.40m。由于箱身基底承载力不足，为提高承载力，在DK119+258.0～DK119+329范围内基底设灰土挤密桩加固，桩底置于风化砂岩层，桩径为0.4m，桩间距1m，桩长为2m～16m不等。灰土挤密桩均采用梅花型布置，桩顶设0.3m厚三七灰土垫层。

在现场试验桩施工完成后28天，进行单桩复合地基承载力的试验研究，以验证施工工艺、检查施工质量。现场随机选取3根灰土桩，其地质情况为黄土与圆砾土交替分布，局部夹杂红砂岩。

2 载荷试验

2.1 加载方式

现场试验最大加载量的确定按复合地基承载力设计值的2倍即300 kPa进行，分为8级，每级加载量为37.5 kPa，第一级加载量为37.5 kPa。每加一级荷载前后均应各读记承压板沉降量一次，以后每半个小时读记一次。当一小时内沉降量小于0.1mm时，即可加下一级荷载。

图1 灰土挤密桩单桩复合地基现场加载图

单桩复合地基静载荷试验承压板1.68m×1.68m，承载板底铺设50mm中粗砂，试坑开挖至桩顶设计标高。采用油泵及油压千斤顶加载、工字钢与钢结构搭设堆载平台、堆载工字钢及钢筋提供反力，最大堆载重量1100kN。

2.2 荷载及沉降测量

荷载值通过压力表测量;试桩沉降则通过承压板四边对称架设的位移传感器，测试仪自动记录沉降，所有位移传感器均用磁性表座固定于基准梁上，基准梁安设在独立的基准桩上。

2.3 终止加载的条件

由规范[1－3]可知，当出现下列情况之一时，即可终止加载:

(1)沉降急骤增大，土被挤出或承压板周围出现明显的隆起;

(2)承压板的累积沉降量已大于其宽度或直径的6%;

(3)当达不到极限荷载，而最大加载压力已大于设计要求压力的2倍。

当满足前二种情况之一时，其对应的前一级荷载定为极限荷载。

2.4 承载力特征值的确定应符合下列规定:

(1)当压力—沉降曲线上极限荷载能确定，而其值不小于对应比例界限的2倍时，可取比例界限;当其值小于对应比例界限的2倍时，可取极限荷载的一半;

(2)当压力—沉降曲线是平缓的光滑曲线时，可按相对变形值确定:

对灰土挤密桩复合地基，可取s/b或s/d等于0.008所对应的压力。按相对变形值确定的承载力特征值不应大于最大加载量的一半。

2.5 注意要点

影响单桩竖向抗压静载试验检测结果的原因很多，试验过程中，应把握好每个具体操作过程，使检测数据更能真实地反映现场实际工况。检测过程中应特别注意:①油压千斤顶、百分表应标定、调零;②千斤顶的合力中心应与反力装置的重心、桩轴线重合，并保证合力方向垂直，以防止加载偏心;③应选用耐压高、工作压力大和量程大的油管、油泵和压力表;④百分表应布置在千斤顶底座承压板以下的桩身位置，不得在承压板上或千斤顶上设置沉降观测点，避免因承压板变形导致观测数据失真。基桩不宜过长，打人深度应不小于1m，应一端固定、一端简支，减少温度变化引起基准梁挠曲变形。⑤基桩间距不宜过短，防止桩周土体下沉引起观测数据偏小。

3 检测数据分析

现场随机选取三根灰土桩进行单桩复合地基载荷试验检测，第一根灰土桩(DG－1)里程为:DK3+233.92、中心线左偏3.6m;第二根灰土桩(DG－2)里程为:DK3+221.44、中心线左偏3.6m;第三根灰土桩(DG－3)里程为:DK3+194.92、中心线左偏2.7m。

3.1 荷载－沉降分析

单桩复合地基承载力的荷载－沉降曲线分别如图2、图3、图4所示。

图2

图3

图4

(1)从图中可知，当外荷载较小时，随着荷载增大，桩顶沉降近似呈线性增加;当外荷载较大时，随着荷载增大，桩顶沉降量非线性增加;荷载一沉降曲线斜率绝对值随荷载增加而增加。这种变化关系主要受地基土体塑性性质的影响。

(2)通过三图比较可知，相同等级的外荷载作用下，其桩顶沉降量有较大差异，这主要可能是各桩不同的土质情况差异所致。

(3)灰土挤密桩与桩间土体一起形成复合地基，外荷载通过桩身与土体间的摩擦传递到桩身周围地基土中，如果外荷载不足以克服桩一土间的摩擦力，桩、土沉降变形应相互协调，此时，桩顶沉降量为桩身压缩量与土体压缩量之和。由于桩身模量大，压缩量较小，因此，桩顶沉降量主要为桩间土压缩量，实际计算中桩身压缩量可以忽略不计，土体压缩量可以用分层总和法求出。

(4)桩身荷载通过桩一土摩擦传递给桩周土体。由于桩身模量大，变形小，桩身范围各土层与桩身的摩擦力基本一致，因此，外荷载作用下，由桩身外荷载引起的土体沉降量主要与各土层的压缩模量有关。

(5)桩顶总沉降为4～16mm，满足设计要求。

(6)卸载后，桩顶回弹量为0.5～2 mm，回弹率约为12%。回弹量、回弹率主要与桩间土性质有关。由于土的塑性性质，卸载后，土体要恢复一部分弹性变形，大部分塑性变形不可恢复。另外，卸载后，路基回弹量较小，在一定程度上表明，在外荷载作用下，地基塑性变形较大。

3.2 时间一沉降分析

图5、图6、图7分别为三根试验桩的时间—沉降时间对数曲线。

图5

图6

(1)由图中可知，在同级外荷载作用下，桩的沉降量随时间的增加而逐渐增加，60分钟以前增加较多，60分钟后增加较少。中间略有微小变化。

(2)外荷载作用下桩顶沉降量随时间的变化规律主要同桩间土体性质有关。大部分外荷载经桩一土间相互作用传递到周围土体中，一小部分外荷载由桩端土承担。无论桩间土还是桩端土，在外荷载作用下都会沉降固结，空隙水慢慢排除，土体颗粒结构也相应发生变化。但需要经历相当长的时间才趋于稳定。

图7

4 结论与建议

通过对兰渝铁路箱型桥单桩复合地基承载力现场试验，得出以下结论与建议供后期设计和施工参考。

(1)该段天然地基采用灰土挤密桩复合地基加固处理，其承载力满足设计要求，在设计荷载作用下桩顶沉降量较小;在相同荷载等级作用下，不同桩顶沉降量有所差异，沉降量为4～16mm。

(2)荷载作用下的桩顶沉降量主要与桩间土体性质有关。

(3)加载开始时段，土体沉降变形较大，而后趋于平缓。桩顶最终沉降需要90分钟以后才能完成，复合地基最终固结沉降量有待进一步观测。

(4)堆载预压期间，要加强灰土挤密桩桩复合地基沉降观测，通过观测数据，计算复合地基的最终沉降量，以确定上部结构的合理施工时间。

[1]JGJ 79－2002，建筑地基处理技术规范[S].

[2]GB 50021－2001，岩土工程勘察规范[S].

[3]GB 50007－2002，建筑地基基础设计规范[S].

[4]牛志荣.地基处理技术及工程应用[M].北京:中国建筑工业出版社，2004.