深厚软土中承式桩板复合地基受力与变形特性试验研究

张元帅

（中铁二十二局集团第一工程有限公司，黑龙江 哈尔滨 150006）

0 引言

桩板结构复合地基是由下部的钢筋混凝土桩基、上部的钢筋混凝土承载板和桩间土共同组成，具有强度高、刚度大的特点，属于刚性桩复合地基［1−4］。桩板结构复合地基是近些年发展起来的地基处理方式，充分利用复合体的高承载力，可有效减小地基的沉降，具有良好的经济效果，已经在特殊地区（黄土地区、软土地区等）高速公路和高速铁路等领域得到良好的应用［5］。但目前桩板结构复合地基的类型较多，出现了非埋式、浅埋式、高桩板式等，中承式桩板复合地基可充分利用下部复合地基型式和桩板结构优点，保证上部高路堤结构工后沉降满足要求。

针对中承式桩板复合地基在深厚软土地区高速铁路特殊工况的实际应用，通过埋设元器件，研究路堤填筑过程中不同位置的受力与变形特性，对中承式桩板复合地基发展具有重要的推进意义。

1 复合地基试验研究

1.1 工程地质条件

主测断面自上而下的土层分别为（2）3−2、（2）4−2、（2）3−31、（2）3−32、（2）5−3、（2）3−3、（5）3−4，各土层物理、力学参数见表1。

1.2 监测断面设计

主断面桩板结构承台板埋置于路基基床（板顶面位于路肩以下1.2 m处），其钻孔灌注桩沿线路纵向间距为4.0 m，沿线路横向间距为4.5 m，桩径1.0 m，桩长31.0 m；路基填筑基底采用CFG桩加固，桩径0.5 m，桩长27.5 m，正方形布置，桩间距2.0 m，CFG桩桩顶设C45混凝土扩大桩帽。沉降监测断面及元件布置如图1所示。

2 试验成果和分析

2.1 桩土应力分析

2.1.1 承台板下应力分析。承台板下路基土压力自承台板浇筑时开始监测，得到桩板结构承台板下路基土压力变化曲线如图2所示，分析可知：浇筑承台板时，左、右线下承台板底面位置桩间土压力分别为14.1 kPa和14.3 kPa，随着承台板强度的形成，承台板底面桩间土压力略有减小，但在承台板上填筑基床土后，承台板下桩间土压力逐渐增大，当承台板上填土高度为1.2 m时，承台板下桩间土压力达到最大，分别为16.5 kPa和16.7 kPa，与刚浇筑承台板时相比分别增大了17.0%和16.8%，表明在承台板填筑基床后承台板下桩间土压力仅有较小增幅，与上部填土荷载相比，承台板底部桩间土压力增量较小，表明承台板上基床填土荷载主要由桩板结构承担。当承台板上基床填筑完成后，承台板下桩间土压力随着时间的推移逐渐减小，分析其主要原因是承台板下复合地基逐渐产生固结沉降，桩板结构沉降量小于承台板下路基土的沉降所致。

2.1.2 垫层顶部应力分布。在路基填土和预压填土过程中，测试得到垫层顶部土压力随填土高度变化规律如图3所示，分析可知：垫层顶部土压力随路基填土高度的增大而增大，而当路基本体内桩板结构承台板浇筑完成后，承台板下方垫层顶部的土压力随上部基床填筑缓慢增大，而路肩下方垫层顶部的土压力快速增大，当路基预压填土完成时，路基下方垫层顶部的土压力大于承台板下路基中心和线路中心位置垫层顶面的土压力，说明承台板上基床填土荷载直接通过桩板结构传递至地基；随着预压时间的增加，承台板下垫层顶面的土压力呈逐渐减小趋势，结合承台板与路基填土接触应力的变化规律，表明桩板结构承台板竖向沉降小于路基填土，使承台板作用于板下路基填土的应力减小。

2.1.3 垫层底部应力分布。路基填土和预压填土过程中，选取路基中心、路肩位置和坡脚位置进行分析，如图4、图5所示。从图中可见，当路基填土高度在桩板结构承台板以下时，随着路基填土荷载的增大，桩顶应力和桩间土压力逐渐增大；在相同填土高度的条件下，桩顶应力和桩间土应力由路基中心往坡脚方向呈逐渐减小规律。当填土高度大于承台板标高后，路肩下桩顶应力和桩间土压力大于承台板下的桩顶应力和桩间土压力，至路基预压填土完成时，路基中心下桩顶应力和桩间土压力分别为404.1 kPa和61.0 kPa，路肩下桩顶应力和桩间土压力分别为444.4 kPa和68.0 kPa，最靠近坡脚处的桩顶应力和桩间土压力分别为155.8 kPa和44.3 kPa。在承台板下和路肩下的垫层下桩间土压力分别约为垫层顶面土压力的47.6%和64.3%；当路基填土荷载恒定后，地基面桩间土压力呈缓慢减小规律，而桩顶应力逐渐增大，说明随着桩间土固结沉降发生，在垫层调整作用下，上部路基填土荷载进一步传递至桩顶，表明CFG桩承担荷载增大，而桩间土承担荷载减小。

2.1.4 桩土应力比。在路基填土高度相同的条件下，将路基中心、路基下和最靠近坡脚的桩顶应力与相应的桩间土压力之比，得到桩土应力比值随路基填土高度和预压时间的变化规律，如图6所示。由图6可知，当路基填土高度小于1.3 m时，桩土应力比在填土初期快速增大，当路基填土高度为1.3 m时，路基中心处、路肩下和最靠近坡脚处的桩土应力比值基本保持在1.6~2.8；当路基填土高度大于1.3 m后，路基中心处和路肩下桩土应力比首先快速增大至5.7，其后呈上下波动变化，但变化幅度较小；在路填土高度为5.42 m的条件下保持2.6个月期间，路基中心处和路肩下桩土应力比略有减小，当路基填土高度进一步增大至设计高度期间，其略有增大，后逐渐趋于稳定，路基中心和路肩下桩土应力比稳定于6.0~6.6间，而最靠近坡脚的桩土应力比在路基高度1.3~7.9 m之间时基本保持不变，且维持在3.4上下波动。

在预压期间，随着预压时间的增大，路基中心处、路肩下和最靠近坡脚处的桩土应力比均呈缓慢增大规律，但是增幅较小，表明CFG桩复合地基受力与变形状态逐渐趋于协调。

2.2 地基分层沉降

在地基不同深度位置：地面以下10.0 m、19.0 m、27.5 m（CFG桩桩底）、31.0 m（钻孔桩桩底）、43.5 m、60.0 m，埋设分层沉降计，在路基填土和预压过程中，对其进行观测，得到其沉降发展规律，如图7所示。

分析可知：地基各土层的沉降量随路基填土和预压填土荷载的增大而增大，尤其在各级填土加载初期，沉降量会产生急剧增大现象；填筑期间，各层地基土沉降继续发展，当路基填筑完成上部荷载恒定后，地基各土层沉降量轻微增大，后期均逐渐趋于收敛，至监测完成时，地基各土层压缩量见表2，10~19 m沉降量为2.560 mm，19~27.5 m沉降量为1.083 mm，27.5~31m沉降量为1.659 mm，31~43.5 m沉降量为2.044 mm，43.5~60 m沉降量为1.401 mm。随着时间增加，下卧层的压缩量增量依然较大，说明在上部荷载恒定后，该加固段后期路基沉降主要由复合地基下卧土层压缩下沉引起，但其剩余沉降量已较小。

表2 复合地基各土层压缩量

3 结论

为了研究深厚软土区中承式桩板复合地基受力与变形特性，开展现场试验，重点研究桩土应力和分层沉降，得出以下结论。

①当承台板上填土完成时，承台板下桩间土压力达到最大，分别为16.5 kPa和16.7 kPa，与刚浇筑承台板时分别增大了17.0%和16.8%，表明承台板上基床填土荷载主要由桩板结构承担。

②垫层顶部土压力随路基填土高度的增大而增大，而当路基本体内桩板结构承台板浇筑完成后，承台板下方垫层顶部的土压力随上部基床填筑缓慢增大，而路肩下方垫层顶部的土压力快速增大。

③路基预压填土完成时，承台板下和路肩下的垫层下桩间土压力分别约为垫层顶面土压力的47.6%和64.3%；当路基填土荷载恒定后，地基面桩间土压力呈缓慢减小规律，而桩顶应力逐渐增大。

④当上部荷载恒定后，地基变形后期沉降主要发生在下卧层位置。