既有线帮宽段复合地基桩土应力分布规律研究

王定顺

（兰州交通大学 土木工程学院，甘肃兰州 730070）

新建中卫至兰州铁路（中兰铁路）是我国“八纵八横”铁路网京呼银兰通道的重要组成部分，中兰铁路经永登县树屏镇以路基帮宽的形式接入既有中川铁路。既有中川铁路运营已有一段时间，沉降基本趋于稳定，而帮宽段为新建工程会有一定的工后变形，从而影响到既有-帮宽路基整体变形是否协调、整体结构是否安全。帮宽段复合地基桩和桩间土的应力分布直接影响着复合地基的稳定。

目前，学者对复合地基桩土应力分布规律的研究主要通过理论计算、室内外试验、数值模拟等方法。理论计算方面：田莉等[1]对散体材料桩复合地基桩土应力比进行了理论计算，并引入竖向、侧向应力比分析了其可靠性；杨明辉等[2]分析了桩土应力比已有的计算方法及计算中存在的问题，并基于圆孔扩张理论对其进行了改进。试验方面：李国峰[3]通过室内模型试验，对桩承式路堤的受力机理进行了分析；陈宏伟等[4]以实际工程为依托开展现场试验，对PHC 桩-筏（网）和CFG 桩-筏(网)复合地基桩土应力在横向分布及桩土应力比等进行了研究；郭增强等[5]结合现场试验，研究了带有格栅褥垫层不同位置处水泥土搅拌桩桩顶及桩间土的应力变化；冯瑞玲等[6]结合实际工程，通过现场试验研究了粉喷桩处理饱和黄土地基时的桩土应力比。数值模拟方面：李琦等[7]以实际工程为背景通过数值模拟分析了高压旋喷桩复合地基的桩土应力比变化特性；朱庆华等[8]建立三维有限元模型，分析了竖向荷载作用下劲性搅拌桩复合地基桩身应力的发生过程；郑俊杰等[9]通过建立二维有限元模型，分析了桩间距及桩帽宽度对路堤荷载下桩土应力分配规律的影响；赵明华等[10]通过差分软件建立模型，分析了带桩帽复合地基桩土应力比。

基于上述分析，目前对复合地基桩土应力分布规律的研究已取得一定成果，但对饱和黄土地基下高压旋喷桩复合地基的桩土应力分布规律的研究并不多见，且在帮宽工程中应特别注意帮宽段复合地基的桩土应力分布状态。基于此，本文以中川铁路路基帮宽工程为依托，通过现场试验，研究了高压旋喷桩处理饱和黄土地基时在帮宽路堤荷载下复合地基的桩土应力分布规律，为该工程的顺利实施提供基础保证，也可积累地区经验，为其他类似工程提供参考。

1 工程概况

新建中兰铁路接入既有中川铁路工点起讫里程为DK245+014～DK246+701，需对既有中川铁路（K47+986～K49+181）路基两侧进行帮填施工。工点地段内地表至13 m 左右深度范围内为饱和砂质黄土层，地质条件差，承载力不足（80～120 kPa），难以满足承载要求，故需对天然地基进行加固处理，结合高压旋喷桩适用于软弱黄土地基，并可明显提高天然地基承载力等特点，决定在工点范围内选用高压旋喷桩进行地基处理，但其处理效果因受地质条件影响不易控制，且在帮宽段需特别关注复合地基承载特性相关问题，以保证整体结构稳定。工点典型断面如图1所示。

图1 工点典型断面图

左侧和右侧帮宽地基均选用高压旋喷桩进行处理，桩径和桩间距分别为0.5 m 和1.4 m，正方形布置，左侧帮宽地基桩共计6 775 根，桩长11～15 m，右侧帮宽地基桩共计6 688 根，桩长11～16 m。在既有中川铁路K48+438.11 和K48+791.11 里程处为既有涵洞，帮宽路基填筑过程中需对既有涵洞进行接长，根据两个涵洞的位置将上行侧帮宽段和下行侧帮宽段路基各分为三段进行填筑施工。新建路基上部为有砟轨道结构形式，自下而上分别为加筋褥垫层、基床以下路堤、基床底层、基床表层以及道砟和轨道结构。

2 试验方案

2.1 试验目的

在上部荷载下，桩、桩间土、加筋褥垫层及路基内土拱整体共同协调受力变形、受力过程复杂，且通过理论计算误差大，而现场实测相较于理论计算能够更为准确地反映受力过程，通过在工点现场高压旋喷桩复合地基桩顶和桩间土布设一定的土压力盒，开展现场试验分析桩土应力分布规律，为帮宽段复合地基基础稳定提供保证。

2.2 试验仪器

试验仪器主要为测试装置和读数设备，测试装置选用长沙金码公司生产的土压力盒，型号为JMZX-50 系列；读数设备采用振弦式传感器测定仪。所有土压力盒在埋设前均已进行标定。

2.3 土压力盒布设方法

帮宽路堤填筑前，先在复合地基桩顶和桩间土处布设土压力盒。现场共选取三个典型试验断面， DYK245+678.73～DYK246+068.10 段地质条件较为典型，三个试验断面均布于此段，每个断面共布设9 个土压力盒，4 个布设于桩间土位置，5 个布设于桩顶位置。布设在桩顶位置的土压力盒和桩间土位置的土压力盒底部分别用水泥浆和10 cm 厚中砂垫平压实，土压力盒布设好后记录好编号并在其周围覆盖30 cm 厚的中砂压实。土压力盒布设位置关系如图2 所示，现场试验布设如图3 所示。

图2 土压力盒布设位置关系图

2.4 试验加荷方式

土压力盒上加载各层自下而上分别为加筋褥垫层、基床以下路堤B 组料、基床底层B 组非冻胀渗水填料、基床表层的中粗砂和水泥稳定级配碎石。各层填料分层填筑、碾压，达到规定的压实度。

2.5 应力观测

土压力盒布设好后，将导线引出并收纳到各断面观测箱。导线在引出过程中以S 型引出，防止受力拉断；断面位置处设置警示标志，防止施工造成破坏。在荷载施加过程中，对试验断面的施工情况进行详细记录并测定土压力盒数据。

路基填筑高度5.10 m，路堤自下而上为加筋褥垫层0.6 m、基床以下路堤2.9 m、基床底层0.8 m、基床表层0.8 m，从加筋褥垫层施工完成后开始正式测量，测量频率为1 次/d。

3 结果分析

刚性基础下复合地基顶部设置垫层和路堤下复合地基顶部设置垫层都可起到调节桩土荷载分担比例的作用，但具体效用是完全不同的。通过在刚性基础下设置柔性垫层，可有效地将桩顶荷载向桩间土进行转移，使桩间土的作用能够更为有效地发挥；而在路堤下设置刚度较大的垫层，主要目的是将桩间土荷载向桩顶转移，更多地发挥桩的承载能力，提高复合地基的整体承载能力并减小沉降，该工点现场通过在高压旋喷桩复合地基桩顶设置了0.6 m 厚中间夹100 kN/m 双向土工格栅的碎石垫层，以协调在上部荷载下桩和桩间土的受力，现场复合地基桩顶加筋褥垫层布设如图4 所示。

图4 现场复合地基加筋褥垫层布设

3.1 同一填筑高度不同里程处桩土应力分布规律

通过断面I、断面Ⅱ和断面Ⅲ的应力观测结果来分析相同填筑高度下不同里程断面处桩顶、桩间土的应力分布。断面I 至断面Ⅲ桩顶各土压力盒的应力平均值及桩间土各土压力盒的应力平均值随路基填筑高度的变化分别如图5—图7 所示。

图5 I 断面位置应力图

通过图5—图7 分析可知，I 至Ⅲ断面位置桩顶及桩间土应力均随着路基填筑高度的增加而不断增加，但各阶段增幅及规律又有一定差别。I 断面在填筑完成后，桩顶及桩间土应力分别为251.9 kPa 和81.3 kPa，在路基填筑初期，当填筑高度小于1.5 m时，桩顶应力变化和桩间土应力变化规律基本保持一致，二者应力值相差较小，当路基填筑高度至1.8 m 时，二者变化规律出现明显差别，桩间土应力的增速明显低于桩顶土应力增速，桩顶土应力值也已大于桩间土应力值。Ⅱ断面在填筑完成后，桩顶及桩间土应力分别为295.0 kPa 和70.46 kPa，在路基填筑初期，当填筑高度小于1.2 m 时，桩顶应力变化和桩间土变化规律基本保持一致，二者应力值相差较小；当填筑高度至1.5 m 时二者应力值已有一定差别，但并不明显；当填筑高度至1.8 m 时桩顶应力值明显大于桩间土应力值。Ⅲ断面在填筑完成后，桩顶及桩间土应力分别为289.1 kPa 和74.2 kPa，在路基填筑初期桩顶及桩间土应力大小基本保持一致，当填筑高度至1.5 m 时，可明显看出桩顶土应力增速开始大于桩间土应力增速，桩顶应力值也已大于桩间土应力值。

综合分析以上I 至Ⅲ断面应力变化可以看出，在路基填筑初期，上部荷载较小时，桩顶和桩间土共同承担上部荷载且差别不大，桩土应力相差不大，但随着路基填筑高度的增大，桩顶应力明显大于桩间土应力，桩间土荷载有明显的向桩顶转移的趋势；结合相关研究及现场试验数据也可以得出路基在填筑过程中存在着临界高度，当路基填筑高于该高度时，高压旋喷桩桩顶应力会快速增加，而桩间土应力增加明显变缓，也可以将临界高度理解为土拱完全形成时的高度。高压旋喷桩桩顶加筋垫层内土工格栅在工作中受上部路堤荷载会产生张拉力并发生拉伸变形，形成张拉膜效应。高压旋喷桩刚度远大于桩间土刚度，在上部路堤荷载下桩间土沉降明显大于桩顶沉降，桩土差异沉降使得加筋垫层中土工格栅发生向下的挠曲变形，形成“网兜效应”并产生张拉力，张拉力的竖向分力可使桩间土应力向桩顶集中。在土拱和加筋垫层中土共格栅张拉膜效应、“网兜效应”的共同协调下使得桩间土应力向桩顶转移，提高了复合地基的整体承载能力。土拱效应产生的必要条件是桩土差异沉降，在上部荷载较大时高压旋喷桩有相较于垫层向上刺入的趋势，桩间土也产生了较大的压缩变形，桩土产生差异沉降，从而为土拱效应的产生提供了必要的条件，在现场帮宽路基边坡位置脚墙施工过程中，通过脚墙基础位置开挖的断面，也可明确观察到桩土产生的差异沉降，图8 为现场观察到的桩土差异沉降图。

图8 桩土差异沉降图

路基填筑至48～94 d时为施工间歇期，间歇期内路基填筑高度为4.4 m，未进行填筑施工，可以看出在间歇期高压旋喷桩桩顶应力和桩间土应力都有较小范围变化，一方面是路基固结的作用，另一方面也反映出在静置路基荷载作用下桩顶及桩间土应力会不断地动态调整，以达到平衡的状态。间歇期内桩间土应力呈略微减小的趋势，桩顶土应力呈略微增加的趋势，这也说明在此高度下土拱已完全形成，促进了桩间土应力向高压旋喷桩的转移过程。

3.2 同一填筑高度不同里程处桩土应力比分析

通过桩土应力比的分析，我们更为直观地认识到随着路基填筑高度的变化桩土应力分布规律，图9 为现场I 至Ⅲ断面位置随着路基填筑高度的增加桩土应力比值变化。

图9 I 至Ⅲ断面桩土应力比与路堤填筑高度关系

通过图9 可以看出，在路基填筑初期，各断面位置桩土应力比在1 附近，这也充分说明在上部荷载较小时，桩和桩间土应力差别小，基本同步承担上部荷载。随着路基填筑高度的增加，在高度为1.5～2.4 m 时，桩土应力比快速增大，这说明此时桩间土的荷载已开始向桩顶转移，桩顶应力开始集中，也反映出土拱及土工格栅的作用已经体现。随着填筑高度的进一步增大，I 至Ⅲ断面桩土应力比整体变化趋势明显变缓，但各断面变化差异大，在Ⅱ、Ⅲ断面一定高度范围内还是会明显增加，I 断面位置桩土应力比的变化趋于平缓，随着路堤高度的增加变化很小；Ⅱ断面位置桩土应力比的变化先趋于平缓，然后在3.3～3.9 m 高度内有一较快增加，最后又趋于平缓；Ⅲ断面位置桩土应力比基本趋于平缓，当填筑至4.4 m 以上高度时，有一较快增加。当路基填筑完成后，I 至Ⅲ断面的桩土应力比为3.1、4.2 和3.9。

通过总结以上桩土应力比变化规律可以得出：随上部路堤高度增加，桩和桩间土的应力分布处于一个不断动态调整的过程，且这种过程与上部路基填筑高度有最为直接的关系；不同断面位置因工程地质条件的不同也会对桩土应力的分布产生一定影响，但现场各断面桩土应力比的整体变化规律基本一致；随着路基填筑高度的增加，会在路基中形成明显的土拱，土拱在加筋褥垫层的“协助”下使得桩顶应力明显大于桩间土应力。在现场三个断面中，Ⅱ断面位置土拱效应、张拉膜效应及“网兜效应”共同协调桩间土应力向桩顶集中的作用强于I、Ⅲ断面，结合现场资料发现，导致这种区别的主要原因是Ⅱ断面位置地层较I、Ⅲ断面更为湿软，桩间土承载能力弱，促使更多的桩间土应力向桩顶集中。

4 结论

本文依托中兰铁路引入既有中川铁路实际工程，通过现场试验对帮宽段复合地基桩土应力分布规律展开研究，主要得到以下结论：

（1）本路堤在填筑过程的临界高度在1.5～1.8 m 左右，当路堤填筑高于该高度时，高压旋喷桩桩顶应力会快速增加，而桩间土应力增速明显变缓；

（2）随路基填筑高度增加，在土拱和加筋垫层中土工格栅张拉膜效应、“网兜效应”的共同协调下，桩土应力分布不断调整；

（3）土拱在加筋褥垫层的“协助”下使得桩顶应力明显大于桩间土应力，当路基填筑完成后，三个试验断面的桩土应力比分别为3.1、4.2 和3.9。