桩板结构在高速铁路深厚软土地层中的应用

周 凯

(中铁第六勘察设计院集团有限公司，天津 300308)

1 概述

软土具有天然含水量大、压缩性高、承载力低和抗剪强度低等特点。 为保证软土地基的稳定性，国内许多学者进行了相关研究，杨得萍等针对一般复合地基(如水泥搅拌桩、旋喷桩、CFG 桩等)的简算原理和应用条件开展了大量的分析研究工作[1-4]。 李杰依托沪宁城际铁路软土地基工点，比较了桩板结构与一般复合地基的区别[5]。 刘家兵结合新建上海至杭州客专桩板结构的应用实例，探讨了桩板结构的施工要点[6]。 王业顺等认为，桩板结构可以提高地基的刚度和承载力，减少路基沉降[7]。

2 沉降计算

如果地基沉降过大，会引起上部结构物的变形和破坏，在基础设计时，必须预先计算地基沉降，使其满足使用要求。 主要从总沉降、沉降差和基础倾斜三方面考虑[8]。

在相同荷载作用下产生的地基沉降，会随着地基土的性质不同而有所差异，其差异不仅仅体现在总沉降上，还体现在沉降速度上。 总沉降主要分为荷载作用在土层上的瞬时沉降、主固结沉降、次固结沉降。 对于砂性土和非饱和黏性土而言，其沉降以瞬时沉降为主;饱和的黏性土瞬时沉降量较小，主要为主固结沉降和次固结沉降，当黏性土中有机质含量较多时，次固结沉降起主要作用[9]。

2.1 天然地基沉降计算

(1)瞬时沉降

瞬时沉降可按弹性理论公式计算，即

式中 P——路堤底面垂直荷载/kPa;

B——基础宽度/m;

E——弹性模量，可由无侧限抗压试验得到，取其分层厚度的加权平均值;

F——中线沉降系数。

计算的准确度主要取决于土体的弹性模量和泊松比。

(2)主固结沉降

主固结沉降采用分层总和法计算，天然地基土一般都是不均匀的，即使同一土层，随着深度的变化，其物理参数也随之变化，在计算地基沉降时，将土层分成若干薄层，分别计算各层的压缩变形量，其计算中的相关压缩资料采用e-p 曲线、e-lgp 曲线或地基压缩模量，其中，e-p 曲线公式为

式中 Sc——主固结沉降;

n——地基变形计算深度范围内所划分的土层数;

Δhi——第i 层土厚度/m;

e0i——第i 层土中自重应力对应的孔隙比;

e1i——第i 层土中自重应力与附加应力之和对应的孔隙比。

2.2 地基沉降计算

复合地基沉降量由两部分组成，即复合地基加固区沉降量和下卧层沉降量[10]。 应根据不同的地基加固措施采用相应的计算理论，其主要的计算理论如下。

(1)复合模量法

加固区的压缩量计算

式中 Δpi——第i 层复合土以上的附加应力增量/kPa;

hi——第i 层土复合土层厚度/m;

Ecsi——第i 层桩土复合压缩模量/MPa。

(2)承载应力比法

根据加固区的模量提高系数ζ，采用下式计算，即

式中 σ0——天然地基承载力/kPa;

σsp——复合地基允许承载力/kPa;

ζ——承载力与压缩模量提高系数。

(3)铁路桥规法

其计算方法主要为分层总和法，桩基的沉降计算可按下式计算

式中 S——基础的总沉降量/m;

n——土层分层数目;

σz(0)——基础底面附加应力;

Esi——基础底面以下受压土层第i 层压缩模量;

zi，zi-1——自基底至第i 和第i-1 层距离;

Ci，Ci-1——自基底至第i 底面范围和至第i-1 层底面范围内平均附加应力系数;

ms——沉降经验修正系数。

2.3 压缩层计算深度

地基压缩层的计算深度应考虑路堤高度、地层结构及地基土特性等因素，可采用应力法或应变比法。

(1)应力比法

根据不同的结构类型，其压缩层的计算深度应满足

式中 σz——沉降计算深度Z 处的地基垂直附加应力/kPa;

σt——沉降计算深度Z 处的地基自重应力/kPa。

(2)应变比法

地基变形的计算深度zn应符合以下规定，当计算土层仍有较软土层时，应继续计算，有

式中 Δsi——在计算深度范围内，第i 层土的变形值/mm;

Δsn——厚度为Δz 的土层计算变形值/mm。

3 工程实例

3.1 工程概况

某高速铁路位于我国西南地区，该工点以低填的方式通过，地形平坦。 该高速铁路为双线铁路，线间距为5.0 m，单侧路基半宽为4.3 m，路基填高3.6 m。 地表为第四系全新统坡残积层粉质黏土、黏土、含砾粉质黏土，覆盖层厚度大于30 m，下伏三叠系下统飞仙关组粉砂岩。 测区位于纲纪向斜东翼，距纲纪向斜核部82 ～115 m，单斜构造，层面产状稳定，近似水平，岩层产状95°∠5°，发育2 组节理，节理产状120°∠80°、60°∠85°，节理间距2～20 cm。 各层岩土物理参数见表1。

表1 岩土物理参数

各层岩土的e-p 曲线见表2。

表2 e-p 数据

地下水类型为第四系孔隙潜水、基岩裂隙水，埋深3.5～7.8 m，主要由大气降水和地下径流补给。 地下水的排泄主要通过潜流、蒸发两种形式排泄。 地下水对混凝土结构不具侵蚀性。

3.2 工程难点和对策

(1)工程难点

①铁路等级高，对工后沉降要求较为严格(不大于15 mm)。 ②下部主要地层为软土，具孔隙率大、承载力低、高压缩性等特点。 施加路基填土和铁路荷载后，其沉降量较大。

(2)对策

根据地层特点，分别采用碎石桩、旋喷桩、CFG 桩帽网结构和桩板结构四种工程措施，并对各方案的可行性进行比较。

①碎石桩、水泥搅拌桩

碎石桩广泛适用于松散的砂土、粉土、黏性土、素填土和杂填土地基。 在处理沙土和塑性指数不高的非饱和黏性土地基时，具有较好的挤密效果，可以提高地基的承载力，减少工后沉降。 但本线的地层以深厚软土为主，碎石桩和水泥搅拌桩的桩身强度低，对提高加固区地基土体的复合模量作用较小，工后沉降量较大，故不建议采用这两种工程措施。

②CFG 桩帽网结构

CFG 桩帽网结构属于低强度桩体，适用于黏性土、粉土、人工填土、淤泥质黏土和黄土等地层。 其桩身具有较高的强度和刚度，可以充分发挥桩的侧摩阻力，将荷载传递至较深的土层，大幅度提高地基承载力，减少沉降量。 在处理深厚土层时，为保证成桩质量，其桩长不宜过大。

③桩板结构

桩板结构由钢筋混凝土桩基、托梁及托板组成[11]，其桩身和托梁板可以提供足够的刚度，在处理深厚软弱地基时具有较为突出的优点。

本工点软弱土层较厚，一般的碎石桩和水泥搅拌桩无法满足沉降控制要求。 以下对CFG 桩帽网结构和桩板结构做进一步对比。

4 计算成果分析

高速铁路的上部轨道结构为整体道床，双线铁路荷载为50.5 kN/m2，单线荷载宽度为3.4 m，线间荷载为15.1 kN/m2，无砟轨道沉降限值按《铁路路基设计规范》[12]控制，其沉降限值为15 mm。

4.1 CFG 复合地基

(1)工程措施

考虑成桩质量，CFG 桩帽网结构的桩长设为30 m，正方形布置，桩间距2.0 m，桩径0.5 m。 CFG 桩桩顶设钢筋混凝土板和0.15 m 厚碎石垫层，垫层顶部设C35 钢筋混凝土板，桩帽厚0.5 m，桩帽长宽均为1 m(见图1)。

图1 CFG 桩总沉降量盆形曲线(单位：m)

(2)沉降分析

采用承载应力比法进行沉降计算，其桩间土允许承载力取50 kPa，复合地基承载力取242.22 kPa。 根据式(5)，求得压缩模量提高系数为4.84。 根据e-p曲线，当层厚为33.5 m 时，最下面的分层附加应力与自重应力之比为9.981% (满足其计算深度要求)，地基总沉降量为113 mm。 根据《铁路工程地基处理技术规程》[8]

的相关规定，并结合铁路等级对总沉降量进行修正(总沉降量乘以1.2 倍的修正系数)。 根据式(3)，总沉降量修正为135 mm，(其中施工期间的沉降量为81 mm，工后沉降量为54 mm)，不满足无砟轨道的沉降要求。

4.2 桩板结构

(1)工程措施

根据桩板结构承载板的埋入深度，可将其分为埋入式桩板结构及非埋式桩板结构两类[13]。 本工程采用埋入式桩板结构，桩和板梁均为C35 钢筋混凝土。桩身为钻孔灌注桩，桩长50 m，桩径1 m，正方形布置，纵、横间距5 m(满足桩间距横向小于6 倍桩径的条件)[14]，桩顶铺设板梁，板梁间设伸缩缝，缝宽2 cm，板梁厚0.8 m，板梁长24.2～25 m。 板梁底部平铺0.2 m厚的碎石垫层(见图2)。

(2)沉降分析

检算时，不考虑沉降变形，仅对影响深度范围内的下卧层进行计算。 考虑桩基压应力的扩散作用。 扩散角取平均摩擦角的1/4 倍(即扩散角取2°)[15]。 当桩长取50 m，计算深度取53 m 时，最下面的分层附加应力与自重应力之比为9.93%(满足其计算深度要求)。则该工点的桩基沉降量为14 mm。 考虑1.2 倍的沉降修正系数。 根据式(6)，其总沉降量修正为16 mm(其中施工期间的沉降量为5 mm，工后沉降量为11 mm)，满足无砟轨道的沉降控制要求。

图2 桩板结构总沉降量盆形曲线(单位：m)

(3)检算结论

由计算可知，两种工程措施的沉降量相差65 mm。采用CFG 桩帽网结构进行地基加固后，其工后沉降量仍不满足控制要求。 而桩板结构可有效降低加固区的沉降量，在后期的运营过程中，经多频次检测，该工点实测的沉降为8 mm(小于11 mm)，从而验证了该工点的计算方法和结果符合实际情况。

5 结束语

桩板结构可以有效控制路基沉降，适用于基础变形控制严格的深厚软弱地基、湿陷性黄土地基、桥隧间短路基过渡段、岔区路基，以及既有路基加固、岩溶及采空区地基处理等。