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阅读 2846 次 桩顶预留净空或可压缩垫块的桩承式路堤沉降控制机理研究

摘要:在桩顶与筏板接触上之前,土承担主要的荷载。桩顶预留一定高度的净空可以使桩身上部及桩端下土提前进行压密,减少桩端贯入量,并使部分土固结产生的沉降提前发生,并达到有效减小工后沉降的目的。...

桩顶预留净空或可压缩垫块的桩承式路堤沉降控制机理研究

    纪颖波  刘双菊  荆志东

天津大学 天津300072; 天津城市建设学院 天津300380; 铁道第三勘察设计院集团有限公司 天津300142

    我国有相当大比例的铁路和高速公路在软弱路基上建设,为解决承载力和沉降问题,对软弱路基除采用桥梁通过外,大量采用的方法是进行软弱路基处理。尤其对高速铁路,地基加固的费用很大,而且需严格控制工后沉降。选择合理的加固方案并严格控制工后沉降是在软土路基上建设高速铁路的关键课题。

    当由于工期限制不能采用预压处理方案时,常常采用复合地基方案。对粉喷桩或水泥搅拌桩复合地基,桩距常常较小;对刚性桩复合地基,虽然桩距可能较大,但为保证桩承载力的发挥,常在桩顶设一定尺寸的钢筋混凝土面板。这样,路堤填筑产生的荷载可能大部分被复合地基的加固体(桩体)所承担,路堤填筑的自重在路堤顶面铁路铺轨或公路铺设路面前对路基的预压作用没有被有效利用,桩问土从而失去被预压固结从而减少沉降或减小桩数的机会。

    针对框架(或外框内筒、框架一剪力墙)结构建筑物经常出现边柱沉降小、中柱(或内筒)沉降大的情况,Flemming1990年首次提出了在边柱下面设置具有一定模量的可压缩垫块,使边柱可产生较大的沉降,从而减小边柱与内柱的沉降差。在提出这样的概念后,国外此后未见进一步的研究文献发表,直至2006Poulos用数值方法研究了桩顶设置变刚度垫块后对基础沉降和承台下不同位置桩顶反力分布的影响。笔者近年来进行了在桩顶与承台之间设置一定高度净空或可压缩垫块以调整桩土分担荷载的情况的研究,采用模型试验对桩顶与承台(基础)的不同构造形式(接触、设置褥垫层、预留净空)进行了研究,揭示了砂土中桩顶预留一定高度净空后,由于桩间土可首先被压密,可强化桩土相互作用,减少桩土相对滑移和桩端贯入,增加桩土加载后期时的地基刚度,提高总体承载力,减小沉降。

    尽管对预留净空(或桩顶设置变形器)桩基础这种新的桩土相互作用形式已经有了一些研究,但由于使土分担荷载(甚至首先使土承担荷载),在黏性土中必将引起附加孔压,孔压的消散必然引起桩土相互作用的动态调整和沉降的动态变化,对这一重要问题,目前还未见文献开展研究。

    Broms曾提出这样的设想,对于水泥搅拌桩复合地基,如在搅拌桩桩体强度尚很低就施加荷载(如填筑路堤),这样的话,由于桩的承载力还很低,几乎所有的预压填土荷载都会作用在桩间土上。此时可对桩间土进行有效的压密。对桩土产生的预压作用可使桩问土固结所需时间可减少50%~70%。

    上海Fl赛车道下软基处理时利用部分路堤自重进行了预压。具体做法是,先填土至桩帽板顶标高,使此部分填土荷载由土直接承担。然后再打入预制方桩穿透软土达到粉质黏土层,按3 m×3 m正方形布设,每根桩顶灌注1.75 m×1.75 m倒杯形桩帽板(轻型承台),再在桩帽板以上填二灰土至路基面标高。

    基于以上研究和思想,笔者提出了可对桩间及桩端土预压的桩承式路基,即对刚性桩复合地基来说,可考虑在每根桩各自的桩顶帽板与桩顶之间设置一定高度净空,使路堤填筑荷载首先被桩问土承担,对桩间土起到预压作用。桩间土下沉对桩产生负摩阻力并传递至桩端下,桩端下土也会因而被一定程度压密,继续承担新增加的荷载时,桩产生的沉降也因此可以小于没有桩端压密的情形,从而减小工后沉降。

    本文在对京津城际轨道CFG桩复合地基进行数值模拟分析并与实测结果进行对比的基础上,研究了在桩顶预留净空时土的孔压分布、发展与消散及其对工后沉降的影响。

1、工程背景

    京津城际轨道交通工程位于华北地区,连接北京、天津两大直辖市。本文模拟DK84+050断面,位于天津市武清区,杨村特大桥和永定新河特大桥之间,路基基底及挡土墙基底采用CFG桩加固,桩径04m,桩端高程-25Olm,桩长28m,桩距(双向)15m。桩顶设l50mm厚褥垫层,褥垫层上再设500mm厚钢筋混凝土板,其上填筑路堤。

    土质情况主要是海陆交互堆积地层,岩性为各类黏性土、粉土、砂类土等,夹淤泥、淤泥质黏土、淤泥质粉质黏土。海积层以灰色、灰褐色、灰黑色的淤泥、淤泥质黏土、黏土、粉质黏土、粉土为主,含贝壳。

2、数值模型

    2.1模型几何概况

    应用有限元分析软件ABAQUS对京津城际轨道交通工程的DK84+050断面进行建模及数据分析处理,如图l所示。取路基虚线中所示一排桩进行计算,因其为双对称结构,取其1/4模型进行计算。其中土体计算域取为宽60m,深80m。土本构关系采用修正剑桥模型,垫层单元为三维八节点孔压单元;桩取为75个半根,桩采用弹性模型进行模拟;承台板为混凝土材料,采用弹性模型模拟,单元为三维八节点减缩积分单元。计算域侧面均取为沿面法线方向的约束,土体底面约束三个方向的位移,地面为透水边界。

(a)CFG桩基布置平面

(b)地基处理剖面图

1  京津城际轨道CFG桩路基处理方案

    2.2土层参数

    针对DK84+050断面各土层,采用薄壁取土器取样进行三轴试验,测得剑桥模型土层参数,如表1所示。

1 DK84+050断面土层剑桥模型参数

 

    2.3荷载情况

    为了更好的模拟填筑与预压的施工过程,计算中考虑分级施加填土、基床、路堤及路面结构荷载,采用 ABAQUS中的时间步命令来控制路分级加载情况,施工加载曲线如图2所示。

2加载曲线

    2.4与实测结果对比

    3DK84+050断面在施工13个月的实测值与计算值对比,从图中可以看出,计算结果与实测值比较接近。因此,可以认为,表l所示的计算参数基本是合理的,可以用于进一步的分析计算。

3 390d内的实测沉降与计算沉降对比

    2.5桩间及桩端土提前预压的复合地基模拟

    考虑到桩间土及桩端以下土均以粉土及粉质黏土为主,可通过预压进行一定程度的压密,以减小路基工后沉降。为此,在以上模拟计算的基础上,在桩顶设定了5cm的预留净空,模拟填土可首先由桩问土承担的情况(参见图10)。数值分析时,桩顶与板之间设置接触,软件会在每个荷载步自动检测桩顶与板之间的距离,当距离为零时,接触生效。预留净空可以以模量接近于零的材料充填,计算时,如发现桩顶以上土单元与桩顶单元的距离接近于零时,将预留净空单元改为混凝土单元。其他条件与上述对京津城际轨道CFG桩复合地基沉降模拟分析一致。

3、模拟结果分析

    3.1地面沉降对比分析

    4是预留净空桩筏基础(PRGCB)与实际工程中采用的常规桩筏基础(CRP)(桩顶与筏板之问设置  150mm厚褥垫层)的路堤底面沉降计算结果。从图4可以看出,对于桩顶有预留净空的这种连接方式,由于桩顶预留5cm的净空,在施工前期(预压完成前),路堤底面沉降发展很快,但后期,路堤底面沉降(工后沉降)比实际工程条件下的沉降增幅要缓慢。

4桩顶预留净空桩筏基础与常规桩筏基础计算沉降对比

    到超载预压完成并卸载时,桩顶预留净空条件下的路堤底面沉降为7.5cm,实际工程条件下的计算路堤底面沉降为3.9cm;到20年后,桩顶预留净空时的沉降为8.5cm,实际工程的计算沉降为5.7cm:前者的工后沉降为1cm,后者的工后沉降为1.8cm。因此,值得注意的是,后者虽桩顶设置了5cm的净空,但后者20年时的沉降与前者20年时的沉降的差别仅为2.8cm。说明了通过桩顶预留5cm的净空使桩问土及桩端以下土提前压密,反而可减少总沉降。

    与上述计算结果相似,郑刚等在石家庄郊区进行了刚性桩复合地基、常规桩筏基础和桩顶预留净空桩筏基础群桩(9)模型试验,模型长2m,承压板边长为1.2 m。三个模型试验中地质条件、加载方式、测试元件布置均相同,不同的是刚性桩复合地基设置了厚100 mm的褥垫层,而预留净空桩筏基础则是在桩顶设置10mm净空。试验结果表明了桩顶与筏板之间不同连接方式可显著影响桩问土的压缩及桩土相对滑移。对上述三者来说,桩身下部桩、土相对滑移量(桩端贯入量)依次减小,总的沉降也减小。

    由此可见,在桩顶预留一定距离的净空可以使土首先得到压缩,减少桩端贯入量,从而达到有效减小沉降的目的。

    3.2桩土应力对比分析

    5(a)、图6(a)分别为两种情况下自填土开始至20年中桩顶及桩问土顶面应力的发展曲线,图5(b)、图6(b)给出了自填土开始至20年中桩顶及桩问土顶面应力的发展曲线,以便更清楚地对短期内的情况进行比较。

(a)020年中桩桩顶应力发展曲线

(b)03年中桩桩顶应力发展曲线

5两种情况的中桩桩顶应力发展曲线

 

(a)020年中桩桩间土顶面应力发展曲线

  

(b)03年中桩桩间土顶面应力发展曲线

6  两种情况的桩间土顶面应力发展曲线

    在图5(a)中可以看出,两种情况下桩顶应力均随着施工荷载的增加而增加,当完成超载预压卸载后,二者的桩顶应力均显著减小并逐渐趋于稳定。但很明显可以看出,实际工程的计算桩顶应力大于预留净空情况的桩顶应力,当卸载完成时,实际工程条件下计算得到的中桩桩顶应力为302MPa,预留净空情况的中桩桩顶应力为229MPa,后者仅为前者的75%。   

    从图6中可以看出,实际工程设置l50mm厚褥垫层时的计算结果中,随着施工的进行,荷载增加,但桩问土顶面应力变化很小,最大值为22kPa,说明因褥垫层厚度小,几乎没有起到作用;预留净空情况桩间土顶面应力随施工荷载的增加变化较大,呈先增大后减小的趋势,最大值达44kPa

    比较图5(b)与图6(b),对于桩顶设置预留净空的情况,可以看出,桩间土应力达到最大值时,正是桩开始承担荷载之时,在此之前桩顶的应力为零,桩顶尚未与板接触上。桩顶开始承担荷载后,土所承担的荷载有一部分转移到桩上,桩间土应力有所减小,然后,随着预压荷载的继续填筑、预压至最后卸载,桩顶应力显著变化,而桩问土的应力变化不大。也就是说,当桩顶与承台接触后,后面的荷载主要由桩来承担,桩间土顶面应力几乎不再增加。

    3.3孔压消散对比分析

    7为桩顶预留5cm净空条件下的孔压等值线。可以看出,当路基填筑l4高度时,桩顶与承台还未接触,路堤填土的荷载首先由土来承担。此时图7(a)中桩间土上部孔压最大值达348kPa,而桩端处土的孔压只有142kPa。此时桩顶未直接承担荷载。当路堤填筑到12高度时,如图7(b)所示,此时,桩顶与承台已接触上,桩开始承担荷载,土所承担的荷载部分卸荷给桩,桩问土处孔压减小至214kPa,桩端处土孔压增加至238kPa。此后,随着荷载的增加,至预压荷载填筑完成,孔压最高值达588kPa,如图7(e)所示。

    8与图9分别为实际工程和预留净空条件下计算的孔压值在桩间土面处以及桩端土处的比较,其中(a)图为20年的总体隋况,(b)图为前3年的具体比较。

    从图8中可以看出,在填土开始后的前期阶段,预留净空情况的桩间土中的孔压比实际工程条件下计算得到的桩间土孔压高很多。当桩顶与承台接触后(当路堤填筑到l/2高度时),虽然填土继续增加,但由于孔压固结消散速度远大于此后因填土增加的孔压,导致预留净空条件下的桩间土孔压总体上呈现出消散的趋势,桩间土也因此能够得到有效压密。

    比较图9中两种条件下桩端土孔压变化情况。开始时,二者孔压增长趋势一致,但后来,桩顶预留净空条件下,桩端处土的孔压增长慢于实际工程条件下的计算结果,桩顶预留净空条件下桩端处土的计算孔压最大值为67kPa,实际工程条件桩端处土的计算孔压最大值为87kPa;当预压土卸载完成时,实际工程条件下的桩端处土的计算孔压为20kPa,桩顶预留净空条件下桩端处土的计算孔压为5kPa。此后,随着时间的发展二者孔压有所回升,然后慢慢消散,在此过程中,桩顶预留条件下桩端处土的孔压一直小于实际工程条件下的相应值。由于桩顶预留净空这一条件,即使在超载预压卸荷后,桩端以下土孔压小于常规条件下的桩端以下土的孔压,使桩顶预留净空情况的后期固结沉降小于实际工程条件下的后期固结沉降。

 

7桩顶预留净空时土中孔压变化

 

(a)020年中桩间土顶面孔压发展曲线

 

(b)020年中桩桩问土顶面孔压发展曲线

8两种情况的桩间土顶面处孔压随时间发展对比

 

(a)020年桩端处土孔压发展曲线对比

  

(b)03年桩端处土孔压发展曲线对比

9两种情况的桩端土处孔压随时间发展对比

4、工程应用的讨论

    如前所述,当路堤下分布一定厚度的软弱或松散土层时,常采用刚性桩复合地基或桩一网结构、桩板结构进行处理。虽然桩距可能较大,但为保证桩承载力的发挥,常在桩顶设一定尺寸的钢筋混凝土板。这样,路堤填筑产生的荷载可能大部分被复合地基的加固体(桩体)所承担,路堤填筑的自重对路基的预压作用在路堤顶面铁路铺轨或公路铺设路面前没有被有效利用,桩间土从而失去被预压固结从而减少沉降或减小桩数的机会。

    当采用桩一板结构支承路堤时,实际工程中可能采用的有两种形式,一种是低板结构,先打桩,再设置板,最后填路堤,按设计要求的时间进行预压;另一种是高板结构,先分层填筑路堤,预压一段时间后再打桩,然后再设置板。前者中桩承担大部分路堤的重量,而后者中的桩不再直接承担全部路堤重量,有效地利用了土的承载力,土反过来则受到预压。

    因此,综合上述两种形式桩一板结构的特点,提出了桩顶预留净空的低板桩一板结构,如图l0所示。   

    通过在每根桩各自的桩顶帽板与桩顶之间设置一定高度净空(可填充可压缩的垫块),使路堤填筑荷载首先被桩问土承担,对桩间土起到预压作用。同时,因桩间土首先承担荷载,在桩身上部一定高度范围内,在桩顶预留净空未被因筏板沉降完全消除前,桩相对土产生下沉对桩产生负摩阻力,由此会由一定应力传递至桩端下土中,桩端下土由此被一定程度压密。继续承担新增加的荷载时,桩产生的沉降也因此可以小于没有桩端压密的情形。同时,桩顶在水平向仍可被板约束,防止桩问土下沉时使桩产生过大水平位移,并有利于路堤稳定。

    本文基于京津城际铁路刚性桩复合地基沉降实测结果基础上的数值模拟,研究了桩顶预留5cm净空条件下,路堤填土过程中及工后的沉降、土中孔压变化分析,并与实际工程条件下的计算结果进行了比较分析,得出如下结论:

    (1)在填土开始后的前期阶段,预留净空情况的桩问土孔压比按实际工程条件计算的孔压高很多。当桩顶与承台接触后(当路堤填筑到l2高度时),虽然填土继续增加,但由于孔压固结消散速度远大于此后因填土增加的孔压,导致预留净空条件下的孔压总体上呈现出消散的趋势,桩问土也因此能够得到有效压密。结合已有的室内模型试验及现场模型试验研究,可以认为,在桩顶预留一定距离的净空可以使桩间土首先得到压密,使土压缩产生的沉降提前发生,能够减少桩的贯入变形,并达到有效减小工后沉降的目的。

    (2)对于桩端下土中的孔压,在填土、超载预压至完成超载部分的,桩顶预留净空条件下的孔压均显著小于实际工程条件下的孔压,因此,桩顶预留净空条件下,路堤的后期固结沉降小于实际工程条件下的工后沉降。

    (3)本文采用数值分析方法对桩顶与板接触(或设很薄的褥垫层)条件下和桩顶设置预留净空(或可压缩垫块)条件下的沉降及土中孔压发展进行了对比,揭示了二者工作机理的不同。但仍需通过进一步的试验与对比实测研究来深化本文的研究工作。

参考文献

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(本文来源:陕西省土木建筑学会     文径网络:尹维维 编辑  文径 审核