软土路基桩筏基础土受力测试分析

郭坚鸽

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430063)

高速铁路路基要求一般地段的工后沉降不大于15 mm［1］。实践证明［2］，采用高黏结强度刚性桩复合地基，可有效减少地基总沉降并控制地基工后沉降。但对于低矮软土路基，其填高小于基床厚，实测资料表明［3，4］，列车动载的影响度可达桩顶垫层以下，由于桩－土的刚度差异，采用桩网复合地基，易产生桩土不均匀沉降和累计塑性变形，形成路基病害，俗称“蘑菇式”路基，无法保证路基长期使用性能。

因此，为充分发挥刚性桩桩身竖向承载，有效控制工后沉降并保证路基长期动力稳定性［5］，参照工民建专业“减沉复合桩基”的研究成果［6］，在某低矮软土路基设计中采用了桩筏基础方案。结合工程建设，开展了典型工点桩土受力测试，分析桩土受力特征，揭示桩土相互作用机理，以期提出适用于高速铁路路基荷载特点的设计计算方法，为工程设计和推广应用提供依据。

1 工程方案与测试方案［7］

1.1 地基条件

试验工点位于某高速铁路长江高阶地坳谷区，地形略有起伏。地基土表层为粉质黏土硬壳层，可塑状;下为第四系全新统冲积淤泥质粉质黏土层，软—流塑，属“软土地基”;其下为第四系上更新统冲积黏土层，硬塑，中－低压缩性;下伏花岗闪长岩。地下水位埋深0.5m，地基土主要物理力学参数平均值见表1。

表1 地基土物理力学指标

1.2 桩筏基础设计方案

路基填高2.2～3.4m，动荷载影响区采用CFG桩筏基础，见图1。CFG桩桩体轴心抗压强度设计值11.9 MPa，桩径0.5m，桩长9～17m，穿透软土至硬塑土不小于1.5m;CFG桩正方形布置，筏板下方桩间距2.4m，筏板外侧桩间距1.8m。C30钢筋混凝土筏板厚度0.5m，纵向单元板长度16.8m;板底铺设0.2m厚碎石垫层;筏板外侧CFG桩顶铺设0.7m厚碎石褥垫层，内铺一层高强土工格栅。为消除纵向差异沉降，在基床底层表面进行堆载预压，预压填土高于基床表层表面3.0m，预压期不少于6个月。

图1 CFG桩筏基础结构示意

1.3 测试方案

为测试桩土受力特性，在筏板顶部和底部埋设土压力盒。顶部土压力盒埋设于筏板上方和筏板外侧碎石垫层顶部，底部土压力盒分别埋设于桩顶、桩间土处。

2 桩土受力测试分析

2.1 桩顶填土荷载

CFG桩采用长螺旋钻孔内泵压法施工，养护28 d后，在桩顶铺设碎石垫层并浇筑筏板，筏板养护至大于设计强度70%后，开始逐层填土至路肩高程，施加预压荷载后总荷载达121.2 kPa。

测试数据表明，测试断面筏板顶部土压力均呈阶梯式增长，在路基填筑与超载预压过程中，测试曲线与理论计算土压力增减趋势一致，路基填筑、超载预压完毕后，曲线趋于平缓。预压期间筏板顶部土压力值在40 kPa至95 kPa之间，略小于理论计算填土荷载。分析认为，主要是由于路堤本体和预压土双层结构，路堤本体压实度很高，可视为预压土基础对预压土荷载有扩散作用所致。

2.2 筏底桩顶与桩间土应力测试分析

不同部位桩顶应力随路基填筑的变化曲线见图2。由图2可知，土压力随着筏板浇筑、路基填筑与超载预压等上部荷载施加，呈相同的增长规律，加荷速率较大时，土压力增长亦较快，荷载稳定后土压力逐步趋于平缓。测试期间，筏板边缘处T1－5土压力最大，卸载前高达1 650 kPa。

图2 桩顶应力—时间—荷载变化曲线

桩间土压力随路基填筑的变化曲线如图3所示。由图3可知，桩间土土压力增长趋势与桩顶类似，随着路基填筑，土压力均逐渐增加;但荷载稳定后，土压力逐步减少至平稳，分析认为主要是地基土固结变形与筏板－垫层应力调整所致。卸载后桩间土压力明显减小，卸载前路基中心位置处桩间土压力最大，为54 kPa;筏板外侧的桩间土压力最小，为22 kPa;横向上表现为中间大、边缘小的特征。横向对应位置，四桩之间形心土压力大于两桩之间土压力，平均比值约为1.4倍。

2.3 桩土应力比分析

由桩顶应力和桩间土应力可求得筏板以下桩土应力比。测试数据表明:筏底各处桩土应力比随荷载的增加而增大，加荷速率大时桩土应力比增长较快，在荷载稳定后仍有所增长，表明荷载稳定后，桩土之间的应力调整要滞后一段时间。荷载稳定后平均桩土应力比为32。超载期间，筏板边缘处桩土应力比最大达58，中桩处为26，桩的承载能力发挥效果与桩所在位置密切相关。

卸载期间，桩土应力比随之减小，筏板下再次发生应力重新分配。从全过程看，桩土应力存在反复调整、协调过程，卸载后桩土应力比平均约为23。桩土应力比沿路基横向呈现明显的“驼峰形”特征，与刚性板载荷试验中塑性区出现前的应力分布曲线一致。

3 桩筏结构整体受力分析

3.1 桩土应力比与地基沉降的关系

桩土应力比与桩间土沉降的对应关系见图4。由图4可知，桩土应力比随沉降的增大而增加。路堤填筑期间，沉降曲线较陡，此阶段桩及桩间土在荷载作用下，均有向下变形的趋势，而由于桩与桩间土因支撑刚度不同产生相对变形，桩侧摩阻力迅速增大，桩产生的变形量远小于桩间土，桩土应力比迅速增大。

超载预压期间，在桩与桩间土共同支撑作用下，因综合刚度进一步提高，桩土沉降差缓慢增大，桩土应力比也略有增长，表明对应上部荷载，基础综合刚度已足够大，抗变形能力较高，这种结构形式，预压对消除工后沉降贡献有限;卸载后，沉降有微小反弹，桩土应力比减小幅度较大，这是因为荷载减小后，处于“准弹性”状态的桩间土应力解除后桩顶应力减少幅度大于桩间土应力。卸载一段时间后，沉降趋于稳定，桩土应力比亦趋于稳定。

图4 筏底平均桩土应力比—沉降对比曲线

3.2 桩土荷载分担比分析

通过面积置换率和桩土应力比可分析桩筏结构的荷载分担情况，桩土荷载分担比随着路基填筑的变化曲线见图5。

图5 筏底桩土荷载分担比—时间—荷载变化曲线

筏板浇筑期，荷载较小，因面积置换率仅有3.4%，桩间土承担了绝大部分荷载。随着荷载的增加，桩顶逐渐刺入褥垫层，桩承担的荷载比例迅速增加，荷载逐渐向桩身转移。在填土间歇期间，桩承担荷载的增幅减小;卸除预压土后，桩间土承担的荷载比例有所增加，而桩承担的荷载比例有所减小。预压期间桩体荷载承担比例最大为51%，卸载后降低至40%，表现出了桩土共同承担荷载的特性。根据桩土荷载承担比例，可以确定桩基设计方法，按试验工点条件筏板下CFG承担荷载可取路堤荷载的50%左右，据此进行桩基承载力设计。

4 结论

(1)无砟轨道高速铁路低矮软土路基采用桩筏基础方案，可有效控制工后沉降并保证其长期动力稳定性。

(2)桩筏基础可充分发挥桩体竖向承载大的优势，桩土应力比最高达58，最终稳定在23～32左右，是较一般刚性桩复合地基更为经济的一种地基处理方案。

(3)由荷载分担分析可知，尽管面积置换率仅为3.4%，桩承担的荷载约占40%，考虑安全冗余，工程设计时，可按上部荷载标准组合的50%进行桩基设计，且同时要满足沉降控制验算的要求。

(4)从桩土相互作用机理分析，伴随加荷全过程，有别于桩基础，结构内部桩土应力一直处于强烈调整状态，至荷载稳定后3个月，才逐渐趋于稳定;对无砟轨道软土路基，填筑至路基面放置3个月以上，从实现工后沉降控制的角度是必要的。

［1］TB10621—2009 高速铁路设计规范(试行)［S］

［2］闫明礼，张东刚．CFG桩复合地基技术及工程实践［M］．北京:中国水利水电出版社，2006

［3］王炳龙，杨龙才，宫全美，等．高速铁路路基工程［M］．北京:中国铁道出版社，2007

［4］Jie Han，Ph．D．，Design Issues in Geosynthetic-Reinforced Column －Supported Embankmeats［R］．The University of Kansas，2007

［5］李小和．客运专线路基地段铺设无碴轨道有关问题的探讨［J］．铁道工程学报，2005(5):20-24

［6］杨敏，侯学渊．软土地基按沉降控制设计理论与实践［M］．上海:同济大学出版社，1996

［7］中铁第四勘察设计院集团有限公司．高速铁路深厚软土地段地基加固处理与路基填筑技术综合试验研究报告［R］．武汉:中铁第四勘察设计院集团有限公司，2011

［8］TB10012—2001 铁路工程地质勘察规范［S］

［9］TB10102—2004 铁路工程土工试验规程［S］

［10］TB10013—2004 铁路工程物理勘探规程［S］

［11］TB10049—2004 铁路工程水文地质勘察规程［S］