京津城際軌道交通北京試驗(yàn)段CFG樁復(fù)合地基沉降特性及影響因素探究一、引言1.1研究背景與意義隨著我國城市化進(jìn)程的加速和區(qū)域經(jīng)濟(jì)一體化的推進(jìn)，城市間的交通需求日益增長。京津城際軌道交通作為我國第一條具有自主知識產(chǎn)權(quán)、國際一流水平的高速鐵路，于2008年8月1日正式開通運(yùn)營。它的建成通車，極大地縮短了北京與天津之間的時空距離，對促進(jìn)京津冀地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人員流動和資源共享起到了重要作用，成為我國高速鐵路建設(shè)的標(biāo)志性工程。京津城際軌道交通工程線路全長約115公里，其中北京試驗(yàn)段作為整個工程的關(guān)鍵部分，其地質(zhì)條件復(fù)雜，軟土分布廣泛，地基承載力較低。為了滿足高速鐵路對地基穩(wěn)定性和沉降控制的嚴(yán)格要求，工程中大量采用了CFG樁復(fù)合地基處理技術(shù)。CFG樁（CementFly-ashGravelPile）即水泥粉煤灰碎石樁，是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂等混合料加水拌和形成的高粘結(jié)強(qiáng)度樁，與樁間土、褥墊層一起形成復(fù)合地基。這種地基處理方法具有施工速度快、成本低、加固效果好等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效提高地基承載力，減少地基沉降，在我國各類工程建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用。在京津城際軌道交通工程中，由于列車運(yùn)行速度高、荷載大，對路基的沉降變形控制要求極為嚴(yán)格。路基的不均勻沉降可能導(dǎo)致軌道不平順，影響列車的運(yùn)行安全和平穩(wěn)性，增加軌道維護(hù)成本。因此，深入研究CFG樁復(fù)合地基的沉降特性，準(zhǔn)確預(yù)測其沉降量，對于保障京津城際軌道交通的安全運(yùn)營、提高工程質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。通過對北京試驗(yàn)段CFG樁復(fù)合地基沉降特性的研究，可以為工程設(shè)計和施工提供科學(xué)依據(jù)，優(yōu)化地基處理方案，確保地基的穩(wěn)定性和沉降控制符合設(shè)計要求。同時，研究成果也可為其他類似工程的地基處理提供參考和借鑒，推動我國高速鐵路建設(shè)技術(shù)的不斷發(fā)展和完善。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀CFG樁復(fù)合地基技術(shù)自20世紀(jì)80年代末被提出以來，在國內(nèi)外得到了廣泛的研究和應(yīng)用。國內(nèi)外學(xué)者主要從理論分析、現(xiàn)場試驗(yàn)、數(shù)值模擬等方面對CFG樁復(fù)合地基的沉降特性展開研究，取得了一系列成果，但仍存在一些不足之處。在理論研究方面，國外學(xué)者較早開展了對復(fù)合地基的研究，提出了一些經(jīng)典的理論和方法。如太沙基（Terzaghi）提出了有效應(yīng)力原理，為地基沉降計算奠定了基礎(chǔ)；比奧（Biot）建立了三維固結(jié)理論，考慮了土體的變形和滲流的耦合作用。這些理論為CFG樁復(fù)合地基沉降計算提供了重要的理論基礎(chǔ)。然而，由于CFG樁復(fù)合地基的復(fù)雜性，這些理論在實(shí)際應(yīng)用中存在一定的局限性。國內(nèi)學(xué)者在借鑒國外研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國工程實(shí)際，對CFG樁復(fù)合地基的沉降計算方法進(jìn)行了深入研究。如龔曉南提出了復(fù)合模量法，將CFG樁復(fù)合地基視為一種等效的均質(zhì)土體，通過計算復(fù)合模量來確定地基的沉降量。這種方法計算簡單，但未能充分考慮樁土相互作用和地基的非線性特性。此外，還有學(xué)者提出了應(yīng)力修正法、樁身壓縮量法等沉降計算方法，但這些方法也都存在各自的優(yōu)缺點(diǎn)，需要進(jìn)一步完善?，F(xiàn)場試驗(yàn)是研究CFG樁復(fù)合地基沉降特性的重要手段。國內(nèi)外學(xué)者通過大量的現(xiàn)場試驗(yàn)，對CFG樁復(fù)合地基的沉降規(guī)律、樁土應(yīng)力比、荷載分擔(dān)比等進(jìn)行了研究。例如，國外的一些研究通過在不同地質(zhì)條件下進(jìn)行CFG樁復(fù)合地基的現(xiàn)場試驗(yàn)，分析了樁長、樁徑、樁間距等因素對沉降的影響。國內(nèi)的相關(guān)研究則結(jié)合具體工程，如京津城際軌道交通工程、武廣高速鐵路工程等，對CFG樁復(fù)合地基的現(xiàn)場試驗(yàn)進(jìn)行了詳細(xì)的監(jiān)測和分析。研究結(jié)果表明，CFG樁復(fù)合地基的沉降主要由樁間土沉降和樁身壓縮量組成，樁土應(yīng)力比和荷載分擔(dān)比隨荷載水平、樁土剛度比等因素的變化而變化。然而，現(xiàn)場試驗(yàn)受到工程條件、試驗(yàn)成本等因素的限制，難以全面深入地研究各種因素對沉降的影響。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬方法在CFG樁復(fù)合地基沉降研究中得到了廣泛應(yīng)用。常用的數(shù)值模擬軟件有ANSYS、ABAQUS、FLAC等。通過建立CFG樁復(fù)合地基的數(shù)值模型，可以模擬不同工況下地基的沉降變形過程，分析各種因素對沉降的影響。例如，有研究利用ANSYS軟件對CFG樁復(fù)合地基進(jìn)行了三維有限元模擬，研究了褥墊層厚度、樁土模量比等因素對沉降的影響規(guī)律。數(shù)值模擬方法能夠彌補(bǔ)現(xiàn)場試驗(yàn)的不足，對復(fù)雜的工程問題進(jìn)行深入分析，但模型的建立和參數(shù)的選取對模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性有較大影響，需要結(jié)合實(shí)際工程進(jìn)行驗(yàn)證和校準(zhǔn)。綜上所述，現(xiàn)有研究在CFG樁復(fù)合地基沉降特性方面取得了一定的成果，但仍存在一些問題和不足。例如，理論計算方法不夠完善，難以準(zhǔn)確預(yù)測地基的沉降量；現(xiàn)場試驗(yàn)的研究范圍和深度有限，對一些復(fù)雜地質(zhì)條件下的地基沉降特性研究較少；數(shù)值模擬中模型的建立和參數(shù)選取缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，模擬結(jié)果的可靠性有待提高。針對這些問題，本文將以京津城際軌道交通北京試驗(yàn)段為工程背景，通過現(xiàn)場監(jiān)測、數(shù)值模擬和理論分析相結(jié)合的方法，深入研究CFG樁復(fù)合地基的沉降特性，分析各種因素對沉降的影響規(guī)律，為工程設(shè)計和施工提供科學(xué)依據(jù)。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容本研究以京津城際軌道交通北京試驗(yàn)段為依托，對CFG樁復(fù)合地基的沉降特性展開深入研究，主要內(nèi)容包括以下幾個方面：沉降特性分析：通過現(xiàn)場監(jiān)測，獲取CFG樁復(fù)合地基在施工過程及運(yùn)營階段的沉降數(shù)據(jù)，分析其沉降隨時間的變化規(guī)律，包括沉降發(fā)展趨勢、沉降速率變化等，明確不同階段沉降的主要特征。研究復(fù)合地基中樁與樁間土的沉降差異，分析樁土相互作用對沉降特性的影響，探究樁土變形協(xié)調(diào)機(jī)制。影響因素探究：研究樁長、樁徑、樁間距等樁體參數(shù)對CFG樁復(fù)合地基沉降的影響規(guī)律。分析樁長增加或減小、樁徑變化以及樁間距調(diào)整時，地基沉降量、沉降分布和樁土應(yīng)力比等的相應(yīng)變化。探討褥墊層厚度、模量等參數(shù)對沉降的影響。分析褥墊層在調(diào)節(jié)樁土應(yīng)力分布、控制沉降變形方面的作用機(jī)制，研究不同褥墊層參數(shù)下復(fù)合地基的沉降特性變化?？紤]地基土性質(zhì)，如土的類型、含水率、壓縮模量等對沉降的影響。針對北京試驗(yàn)段的軟土地基特性，分析地基土的物理力學(xué)性質(zhì)與沉降之間的關(guān)系。研究列車荷載的大小、頻率、作用時間等因素對CFG樁復(fù)合地基沉降的影響，考慮列車高速運(yùn)行產(chǎn)生的動荷載對地基長期沉降的累積效應(yīng)。沉降計算方法對比與優(yōu)化：對現(xiàn)有的CFG樁復(fù)合地基沉降計算方法進(jìn)行總結(jié)和分析，包括復(fù)合模量法、應(yīng)力修正法、樁身壓縮量法等。結(jié)合北京試驗(yàn)段的實(shí)際工程數(shù)據(jù)，對比不同計算方法的計算結(jié)果與實(shí)測沉降數(shù)據(jù)，評估各方法的準(zhǔn)確性和適用性。根據(jù)對比分析結(jié)果，針對現(xiàn)有計算方法存在的不足，考慮樁土相互作用、地基非線性特性等因素，對沉降計算方法進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，提高沉降預(yù)測的精度。數(shù)值模擬分析：利用有限元軟件，建立京津城際軌道交通北京試驗(yàn)段CFG樁復(fù)合地基的數(shù)值模型?？紤]地基土、樁體、褥墊層的材料特性和力學(xué)行為，以及列車荷載、施工過程等實(shí)際工況，模擬復(fù)合地基的沉降變形過程。通過數(shù)值模擬，深入分析各種因素對沉降的影響，研究不同工況下復(fù)合地基的力學(xué)響應(yīng)，為工程設(shè)計和施工提供理論支持和技術(shù)參考。同時，將數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比驗(yàn)證，確保模型的可靠性和模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。1.3.2研究方法為實(shí)現(xiàn)上述研究內(nèi)容，本研究將綜合運(yùn)用現(xiàn)場監(jiān)測、數(shù)值模擬和理論分析等多種方法：現(xiàn)場監(jiān)測：在京津城際軌道交通北京試驗(yàn)段選取典型試驗(yàn)斷面，布置沉降觀測點(diǎn)，包括樁頂沉降觀測點(diǎn)和樁間土沉降觀測點(diǎn)。采用高精度水準(zhǔn)儀、沉降儀等監(jiān)測設(shè)備，對CFG樁復(fù)合地基在施工前、施工過程中及運(yùn)營階段的沉降進(jìn)行長期、系統(tǒng)的監(jiān)測，獲取第一手沉降數(shù)據(jù)。同時，在監(jiān)測過程中，同步記錄施工進(jìn)度、荷載施加情況、地下水位變化等相關(guān)信息，以便全面分析沉降產(chǎn)生的原因和影響因素。數(shù)值模擬：選用通用的有限元軟件，如ANSYS、ABAQUS等，建立CFG樁復(fù)合地基的三維數(shù)值模型。在模型中，合理定義地基土、樁體、褥墊層的材料參數(shù)和本構(gòu)模型，考慮樁土之間的接觸關(guān)系和相互作用。通過設(shè)置不同的工況，模擬施工過程中的地基開挖、樁體施工、褥墊層鋪設(shè)以及運(yùn)營階段列車荷載的施加等，分析復(fù)合地基在不同階段的沉降變形規(guī)律和力學(xué)響應(yīng)。利用數(shù)值模擬的結(jié)果，進(jìn)一步研究各種因素對沉降的影響，為工程設(shè)計提供參數(shù)優(yōu)化依據(jù)。理論分析：基于土力學(xué)、基礎(chǔ)工程等相關(guān)理論，對CFG樁復(fù)合地基的沉降特性進(jìn)行理論分析。運(yùn)用經(jīng)典的沉降計算理論，如分層總和法、太沙基固結(jié)理論等，結(jié)合CFG樁復(fù)合地基的特點(diǎn)，對沉降計算方法進(jìn)行推導(dǎo)和改進(jìn)。分析樁土相互作用的力學(xué)機(jī)理，建立樁土應(yīng)力比、荷載分擔(dān)比等理論計算公式，從理論層面揭示復(fù)合地基的沉降規(guī)律和影響因素。將理論分析結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證，完善理論分析方法，提高理論計算的準(zhǔn)確性。二、CFG樁復(fù)合地基基本原理與京津城際試驗(yàn)段概況2.1CFG樁復(fù)合地基原理與構(gòu)成CFG樁復(fù)合地基是一種由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂等混合料加水拌和形成的高粘結(jié)強(qiáng)度樁，與樁間土、褥墊層共同構(gòu)成的人工地基形式。其核心原理在于充分利用樁體的高強(qiáng)度特性和樁間土的承載能力，通過褥墊層的調(diào)節(jié)作用，實(shí)現(xiàn)樁土共同承擔(dān)上部荷載，從而提高地基的整體承載力和穩(wěn)定性，有效控制地基沉降。從構(gòu)成要素來看，CFG樁復(fù)合地基主要包含以下三個部分：CFG樁：作為復(fù)合地基的豎向增強(qiáng)體，是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂等按一定配合比加水?dāng)嚢瓒?。水泥提供了樁體的粘結(jié)強(qiáng)度，粉煤灰則起到改善混合料和易性、減少水泥用量的作用，同時利用其活性參與水化反應(yīng)，增強(qiáng)樁體后期強(qiáng)度。碎石作為主要骨料，構(gòu)成樁體的骨架，石屑則填充于碎石之間，改善顆粒級配，使樁體結(jié)構(gòu)更加密實(shí)。通過調(diào)整各組成材料的比例，可以使樁體強(qiáng)度等級達(dá)到C7-C15，具有明顯的剛性樁特性。在工程應(yīng)用中，CFG樁的樁徑、樁長、樁間距等參數(shù)可根據(jù)地基條件和設(shè)計要求進(jìn)行靈活調(diào)整。例如在京津城際軌道交通北京試驗(yàn)段，根據(jù)不同地段的地質(zhì)條件和路基荷載要求，CFG樁的樁徑多采用0.4m，樁長在8-28m不等，樁間距則根據(jù)具體情況采用1.2m×1.2m、1.5m×1.5m等不同布置形式。樁間土：指的是分布于CFG樁之間的天然地基土。在復(fù)合地基中，樁間土與CFG樁共同承擔(dān)上部荷載。樁間土的承載能力發(fā)揮程度與樁土相對剛度、樁間距、褥墊層等因素密切相關(guān)。一般來說，樁間土在復(fù)合地基中承擔(dān)的荷載比例相對較小，但對于軟土地基，通過合理設(shè)計CFG樁復(fù)合地基，樁間土的承載能力可以得到有效利用，從而提高地基的整體性能。在京津城際軌道交通北京試驗(yàn)段，該區(qū)域的地基土主要為沖洪積地層，以砂類土及碎石類土為主，部分地段存在松軟土和軟土。這些地基土的物理力學(xué)性質(zhì)差異較大，對CFG樁復(fù)合地基的沉降特性產(chǎn)生重要影響。例如，軟土地基的壓縮性較高，在荷載作用下容易產(chǎn)生較大的沉降，因此需要通過CFG樁的加固作用來提高地基的穩(wěn)定性和減小沉降量。褥墊層：是設(shè)置在CFG樁樁頂與基礎(chǔ)之間的一層散體粒狀材料，通常采用中砂、粗砂、級配砂石或碎石等，厚度一般在150-300mm。褥墊層在CFG樁復(fù)合地基中起著至關(guān)重要的作用，是實(shí)現(xiàn)樁土共同作用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。其作用主要體現(xiàn)在以下幾個方面：保證樁土共同承擔(dān)荷載：當(dāng)基礎(chǔ)承受垂直荷載時，由于樁體的壓縮模量遠(yuǎn)大于樁間土，樁的變形小于土的變形。在這種情況下，樁會向上刺入褥墊層，褥墊層材料不斷補(bǔ)充到樁間土表面，使得基礎(chǔ)通過褥墊層將一部分荷載傳遞到樁間土上，保證了樁和樁間土始終共同參與工作。例如，當(dāng)基礎(chǔ)施加荷載時，樁首先承擔(dān)大部分荷載，隨著樁的刺入變形，褥墊層逐漸將荷載分配到樁間土上，使樁土荷載分擔(dān)比逐漸趨于穩(wěn)定。調(diào)整樁土荷載分擔(dān)：通過改變?nèi)靿|層厚度，可以調(diào)整樁土垂直荷載的分擔(dān)比例。一般來說，褥墊層越薄，樁承擔(dān)的荷載占總荷載的百分比越高；褥墊層越厚，土承擔(dān)的荷載占總荷載的百分比越大。在實(shí)際工程中，可以根據(jù)地基土的性質(zhì)、設(shè)計要求等因素，通過調(diào)整褥墊層厚度來優(yōu)化樁土荷載分擔(dān)，充分發(fā)揮樁和樁間土的承載能力。例如，對于地基承載力較低的軟土地基，可以適當(dāng)增加褥墊層厚度，提高樁間土的荷載分擔(dān)比例，以減少樁的負(fù)擔(dān)，降低工程造價。減少基礎(chǔ)底面的應(yīng)力集中：由于CFG樁屬于剛性樁，當(dāng)不設(shè)置褥墊層時，樁對基礎(chǔ)的應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯。而設(shè)置一定厚度的褥墊層后，樁對基礎(chǔ)底面的應(yīng)力集中得到有效緩解。當(dāng)褥墊層厚度大于10cm時，樁對基礎(chǔ)底面產(chǎn)生的應(yīng)力集中已經(jīng)顯著降低；當(dāng)褥墊層厚度大于30cm時，樁對基礎(chǔ)底面產(chǎn)生的應(yīng)力集中很小，此時基礎(chǔ)底面的壓力分布形式接近天然地基。調(diào)整樁土水平荷載分擔(dān)：褥墊層厚度還對樁土水平荷載分擔(dān)有影響，褥墊層越厚，土分擔(dān)的水平荷載占總荷載的百分比越大，樁分擔(dān)的水平荷載占總荷載的百分比越小。在京津城際軌道交通工程中，列車運(yùn)行產(chǎn)生的水平荷載對地基穩(wěn)定性有一定影響，通過合理設(shè)計褥墊層厚度，可以有效調(diào)整樁土水平荷載分擔(dān)，提高地基的抗水平荷載能力。在CFG樁復(fù)合地基中，樁、樁間土和褥墊層之間存在著復(fù)雜的相互作用關(guān)系。樁通過樁側(cè)摩阻力和樁端阻力將荷載傳遞到深層地基中，同時對樁間土產(chǎn)生擠密作用，提高樁間土的強(qiáng)度和承載力。樁間土則在樁的約束作用下，與樁共同承擔(dān)荷載，其變形受到樁的限制，形成樁土協(xié)同工作的體系。褥墊層作為連接樁和基礎(chǔ)的紐帶，不僅實(shí)現(xiàn)了樁土共同承擔(dān)荷載，還通過調(diào)整樁土荷載分擔(dān)和應(yīng)力分布，使復(fù)合地基的工作性能更加優(yōu)化。這種相互作用關(guān)系使得CFG樁復(fù)合地基能夠充分發(fā)揮樁和樁間土的優(yōu)勢，提高地基的承載能力和穩(wěn)定性，有效控制地基沉降，滿足京津城際軌道交通等對地基變形要求嚴(yán)格的工程需求。2.2京津城際軌道交通北京試驗(yàn)段介紹京津城際軌道交通北京試驗(yàn)段位于北京市東南部，作為整個京津城際軌道交通工程的關(guān)鍵部分，其地理位置對于工程的順利開展和整體運(yùn)營具有重要意義。該試驗(yàn)段從北京南站東側(cè)引出，途經(jīng)亦莊工業(yè)園區(qū)，線路在此區(qū)域呈東西走向，地勢相對較為平坦，屬于沖洪積平原地貌。從工程概況來看，北京試驗(yàn)段主要承擔(dān)著路基工程的試驗(yàn)任務(wù)，為后續(xù)全線的大規(guī)模建設(shè)提供技術(shù)參數(shù)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。在該試驗(yàn)段內(nèi)，CFG樁復(fù)合地基的應(yīng)用范圍廣泛，涵蓋了不同地質(zhì)條件和不同設(shè)計要求的區(qū)域。例如，在亦莊站段，由于路堤高度較大，荷載相對較重，對地基的承載能力和穩(wěn)定性要求較高，因此CFG樁的布置更為密集，樁長也相對較長。該試驗(yàn)段的地質(zhì)條件較為復(fù)雜。地層主要為沖洪積地層，由永定河、潮白河、溫榆河等河流攜帶的大量松散物質(zhì)堆積而成，成分以砂類土及碎石類土為主。部分區(qū)域存在松軟土，其厚度最深可達(dá)23m，這些松軟土的物理力學(xué)性質(zhì)較差，壓縮性高、強(qiáng)度低，對地基的穩(wěn)定性和沉降控制構(gòu)成了較大挑戰(zhàn)。同時，該區(qū)域還存在一定程度的地震液化層，在地震作用下，地基土的強(qiáng)度會顯著降低，容易引發(fā)地基的失穩(wěn)和過大沉降。基于上述復(fù)雜的地質(zhì)條件，對地基處理提出了嚴(yán)格的要求。由于京津城際軌道交通運(yùn)行速度高、荷載大，對路基的沉降變形控制極為嚴(yán)格，要求工后沉降必須控制在極小范圍內(nèi)，以確保列車的安全平穩(wěn)運(yùn)行。在這種情況下，采用CFG樁復(fù)合地基處理技術(shù)成為必然選擇。CFG樁能夠有效提高地基的承載力，增強(qiáng)地基的穩(wěn)定性，減小地基沉降。通過合理設(shè)計CFG樁的樁長、樁徑、樁間距以及褥墊層的厚度和模量等參數(shù)，可以充分發(fā)揮樁土共同作用的優(yōu)勢，滿足工程對地基處理的嚴(yán)格要求。例如，在地基條件較差的區(qū)域，適當(dāng)增加樁長和減小樁間距，以提高地基的承載能力和減小沉降量；在地基條件相對較好的區(qū)域，則可以適當(dāng)調(diào)整樁的參數(shù)，在保證工程質(zhì)量的前提下，降低工程成本。2.3CFG樁復(fù)合地基在試驗(yàn)段的應(yīng)用情況在京津城際軌道交通北京試驗(yàn)段中，CFG樁復(fù)合地基被廣泛應(yīng)用于地基處理工程，以滿足高速鐵路對地基承載力和沉降控制的嚴(yán)格要求。其設(shè)計參數(shù)根據(jù)不同地段的地質(zhì)條件和工程要求進(jìn)行了精心設(shè)計，施工工藝也嚴(yán)格遵循相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，同時采取了一系列質(zhì)量控制措施，確保工程質(zhì)量。在設(shè)計參數(shù)方面，樁徑通常設(shè)計為0.4m，這種樁徑既能保證樁體具有足夠的承載能力，又能在施工過程中較為方便地進(jìn)行成樁操作。樁長則根據(jù)不同區(qū)域的地質(zhì)條件有所差異，變化范圍在8-28m之間。例如，在地基條件相對較好的區(qū)域，樁長可能設(shè)計為8-10m，如北京南站段，工程地質(zhì)條件相對較好，地基主要采用CFG樁加固，設(shè)計樁徑0.4m，加固深度8-10m；而在地基條件較差、軟土層較厚或路堤荷載較大的區(qū)域，為了將荷載有效傳遞到深層穩(wěn)定土層，樁長則會相應(yīng)增加，如亦莊站段，路堤最大高度近10m，荷載較大，工程地質(zhì)條件較北京南段差，地基主要采用CFG樁加固，設(shè)計樁徑0.4m，加固深度25m左右。樁間距的布置也考慮了多種因素，采用了1.2m×1.2m、1.5m×1.5m等不同形式。在荷載較大、對地基承載力要求較高的部位，如高填地段或軌道荷載影響區(qū)，會采用較小的樁間距1.2m×1.2m或1.5m×1.5m，以提高地基的加固效果；而在荷載相對較小的區(qū)域，樁間距則適當(dāng)增大，如在影響區(qū)之外，樁間距逐漸過渡至1.8-2.0m，這樣的設(shè)計既能保證地基的穩(wěn)定性，又能在一定程度上節(jié)約工程成本。施工工藝方面，該試驗(yàn)段主要采用長螺旋鉆機(jī)施工工藝。這種工藝具有噪音低、無污染、施工作業(yè)面小、干孔鉆進(jìn)等優(yōu)點(diǎn)，對周邊環(huán)境影響相對較小，非常適合在城市區(qū)域進(jìn)行施工。其具體施工流程如下：首先，根據(jù)設(shè)計樁長、樁底地質(zhì)變化范圍和作業(yè)面高程，確定螺旋管的裝配長度，一般情況下，螺旋管的裝配長度較設(shè)計樁長長出3-5m即可，若樁底地質(zhì)變化范圍較大，則根據(jù)具體情況加大裝配長度。然后，進(jìn)行樁位控制，根據(jù)測量控制樁和設(shè)計加固范圍，在布樁圖上準(zhǔn)確標(biāo)出樁位，現(xiàn)場復(fù)核坐標(biāo)控制樁及水準(zhǔn)點(diǎn)后，準(zhǔn)確放出CFG樁的定位點(diǎn)及樁位高程，做好測量原始記錄，并根據(jù)高程及平面測量記錄列表計算每根樁的鉆進(jìn)深度及混凝土灌筑量，以便施工控制?，F(xiàn)場用鋼釬對樁位進(jìn)行打眼，孔內(nèi)放置白灰，防止鉆孔出土埋點(diǎn)，以便查找和鉆機(jī)迅速對位。在鉆機(jī)就位后，將鉆機(jī)支墊牢固，將鉆頭對準(zhǔn)樁位，其偏差一般控制在3cm以內(nèi)，然后調(diào)平支腿，復(fù)核鉆桿垂直度，偏差不大于1%，再次檢查鉆尖位置，保證樁心偏差不得大于5cm。接著，螺旋鉆桿鉆進(jìn)到設(shè)計深度，開始鉆進(jìn)或穿過軟硬土層交界處時，應(yīng)保證鉆桿垂直，緩慢進(jìn)入；在含有磚頭、瓦塊的雜填土層或含水量較大的軟塑黏性土層中鉆進(jìn)時，應(yīng)盡量減少鉆桿晃動，以免擴(kuò)大孔徑，鉆出的泥土要及時清運(yùn)。之后，開動混凝土輸送泵，提前將拌合好的混凝土充滿整個輸送管道，并將混凝土儲滿輸送泵料斗，提升鉆桿，壓力灌注與鉆桿提升速度應(yīng)配合好，一般提升速度是當(dāng)聽到空心鉆桿中有混凝土落聲時提升鉆桿為宜，以確保樁徑，壓力灌注時混凝土的泵送應(yīng)連續(xù)進(jìn)行，泵斗內(nèi)混凝土容量應(yīng)高出進(jìn)料口50mm以上，以防吸進(jìn)空氣造成堵管。成樁樁頂標(biāo)高宜高出設(shè)計樁頂不少于50cm。在質(zhì)量控制措施上，從原材料到施工過程再到成樁檢測，都進(jìn)行了嚴(yán)格把控。在原材料方面，CFG樁選用的水泥、粉煤灰、碎石、石屑、水、外加劑等原材料均符合設(shè)計要求，并按規(guī)定進(jìn)行檢驗(yàn)。例如，采用普通C20混凝土，每m3混凝土的材料用量(kg)：水泥：水:砂：石:外加劑(GBS一A):摻和料(粉煤灰)=150:175:855:1004:6.6:180，水灰比0.6，水膠比0.53，砂率46%，坍落度為160-200mm，初凝時間5h，終凝時間14h，通過精確控制原材料的配合比，保證了樁體的強(qiáng)度和性能。在施工過程中，提前根據(jù)樁長及原地面標(biāo)高計算好樁頂標(biāo)高，在鉆機(jī)豎向桿臂上設(shè)置明顯標(biāo)志，保護(hù)樁長一般不小于50cm，若樁頂標(biāo)高離地表的距離較大時，保護(hù)樁長應(yīng)增加至70cm，以此確保樁頂標(biāo)高的準(zhǔn)確性。同時，在開工前進(jìn)行試鉆核對地質(zhì)情況，確定施工設(shè)備是否匹配，確定鉆進(jìn)深度、灌筑混凝土塌落度、提管速度、充盈系數(shù)、保護(hù)樁長等參數(shù)，如本次施工前進(jìn)行了3根樁工藝參數(shù)試驗(yàn)，樁長、樁徑均滿足設(shè)計要求，通過試鉆及時發(fā)現(xiàn)問題并調(diào)整施工參數(shù)，保證施工的順利進(jìn)行。成樁后，采用低應(yīng)變動力檢測法對樁身完整性進(jìn)行檢測，抽檢比例不低于總樁數(shù)的10%；采用靜載荷試驗(yàn)對單樁承載力和復(fù)合地基承載力進(jìn)行檢測，抽檢數(shù)量為總樁數(shù)的0.5%-1%，且每工點(diǎn)不少于3根。通過這些檢測手段，及時發(fā)現(xiàn)樁身可能存在的缺陷和承載力不足等問題，確保CFG樁復(fù)合地基的質(zhì)量符合設(shè)計要求，為京津城際軌道交通北京試驗(yàn)段的工程安全和穩(wěn)定運(yùn)行提供了有力保障。三、京津城際試驗(yàn)段CFG樁復(fù)合地基沉降監(jiān)測方案3.1監(jiān)測目的與項目京津城際軌道交通北京試驗(yàn)段CFG樁復(fù)合地基沉降監(jiān)測的主要目的在于全面、準(zhǔn)確地獲取地基在施工過程及運(yùn)營階段的沉降信息，為深入研究其沉降特性提供數(shù)據(jù)支持，確保工程的安全與穩(wěn)定。通過長期系統(tǒng)的監(jiān)測，能夠?qū)崟r掌握地基沉降的發(fā)展趨勢，及時發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患，為工程決策提供科學(xué)依據(jù)。同時，監(jiān)測數(shù)據(jù)還可用于驗(yàn)證和改進(jìn)現(xiàn)有的沉降計算方法，提高沉降預(yù)測的精度，為后續(xù)類似工程的設(shè)計和施工提供參考?；谏鲜瞿康模_定了以下監(jiān)測項目：沉降監(jiān)測：包括地基表面沉降、樁頂沉降以及樁間土不同深度處的沉降監(jiān)測。地基表面沉降反映了整個復(fù)合地基在荷載作用下的總體變形情況，是評估地基穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。通過在地基表面設(shè)置多個沉降觀測點(diǎn)，利用高精度水準(zhǔn)儀定期測量各點(diǎn)的高程變化，可獲取地基表面的沉降分布和沉降隨時間的變化規(guī)律。樁頂沉降監(jiān)測則直接反映了CFG樁在承擔(dān)上部荷載過程中的變形情況，對于分析樁體的工作性能和承載能力具有重要意義。在樁頂布置沉降觀測元件，如沉降板或單點(diǎn)沉降計，可準(zhǔn)確測量樁頂?shù)某两盗俊堕g土不同深度處的沉降監(jiān)測能夠揭示樁間土在荷載傳遞過程中的變形特性，分析樁土相互作用對沉降的影響。采用分層沉降儀，在樁間土中不同深度處埋設(shè)測點(diǎn)，可測量各土層的壓縮變形量，從而了解樁間土的沉降分布規(guī)律。樁土應(yīng)力比監(jiān)測：樁土應(yīng)力比是衡量CFG樁復(fù)合地基工作性能的關(guān)鍵參數(shù)，它反映了樁和樁間土在承擔(dān)上部荷載時的分擔(dān)比例。通過在樁頂和樁間土中分別埋設(shè)土壓力盒，同步測量樁頂和樁間土所承受的壓力，進(jìn)而計算出樁土應(yīng)力比。研究樁土應(yīng)力比在施工過程和運(yùn)營階段的變化規(guī)律，有助于深入理解樁土相互作用機(jī)制，優(yōu)化地基設(shè)計參數(shù)。例如，在施工過程中，隨著荷載的逐漸增加，樁土應(yīng)力比會發(fā)生動態(tài)變化，通過監(jiān)測這種變化可以及時調(diào)整施工工藝和參數(shù)，確保地基的穩(wěn)定性?？紫端畨毫ΡO(jiān)測：在軟土地基中，孔隙水壓力的變化對地基的沉降和穩(wěn)定性有著重要影響。在CFG樁復(fù)合地基施工和運(yùn)營過程中，由于樁體的擠土效應(yīng)和荷載的施加，地基中的孔隙水壓力會發(fā)生變化。通過在地基中埋設(shè)孔隙水壓力計，監(jiān)測孔隙水壓力的變化情況，可以了解地基土體的固結(jié)過程和強(qiáng)度增長情況，為分析地基沉降提供依據(jù)。例如，在施工初期，樁體的擠土作用會導(dǎo)致孔隙水壓力急劇上升，隨著時間的推移，孔隙水壓力逐漸消散，地基土體逐漸固結(jié)，沉降也隨之發(fā)生變化。通過監(jiān)測孔隙水壓力的變化，可以預(yù)測地基的沉降發(fā)展趨勢，采取相應(yīng)的措施進(jìn)行控制。水平位移監(jiān)測：盡管京津城際軌道交通主要承受豎向荷載，但在列車運(yùn)行過程中，由于列車的啟動、制動以及軌道不平順等因素，會產(chǎn)生一定的水平力，可能導(dǎo)致地基發(fā)生水平位移。水平位移過大可能影響軌道的平順性和列車的運(yùn)行安全。因此，需要對地基的水平位移進(jìn)行監(jiān)測，特別是在路堤邊坡和地基與結(jié)構(gòu)物的連接處等關(guān)鍵部位。采用測斜管和全站儀等設(shè)備，測量地基在水平方向上的位移變化，及時發(fā)現(xiàn)并處理可能出現(xiàn)的水平位移問題。例如，在路堤邊坡處設(shè)置測斜管，通過測量測斜管的傾斜角度變化，可計算出地基的水平位移量，一旦發(fā)現(xiàn)水平位移超出允許范圍，可及時采取加固措施，如增加護(hù)坡或調(diào)整地基處理方案。3.2監(jiān)測儀器與布置為了全面、準(zhǔn)確地獲取京津城際軌道交通北京試驗(yàn)段CFG樁復(fù)合地基的沉降數(shù)據(jù)，本研究選用了一系列高精度的監(jiān)測儀器，并依據(jù)科學(xué)合理的原則進(jìn)行布置。在沉降監(jiān)測方面，主要采用了高精度水準(zhǔn)儀和沉降儀。水準(zhǔn)儀選用的是DS05型精密水準(zhǔn)儀，其精度可達(dá)±0.5mm/km，能夠滿足對地基表面沉降高精度測量的要求。其工作原理基于水準(zhǔn)測量原理，通過測量兩點(diǎn)之間的高差來確定沉降量。在測量時，將水準(zhǔn)儀安置在合適的位置，調(diào)整水平氣泡使其居中，確保儀器處于水平狀態(tài)。然后，通過望遠(yuǎn)鏡瞄準(zhǔn)水準(zhǔn)尺，讀取水準(zhǔn)尺上的讀數(shù)，根據(jù)前后兩次讀數(shù)的差值計算出兩點(diǎn)之間的高差變化，從而得到沉降量。沉降儀則采用了單點(diǎn)沉降計和剖面沉降管。單點(diǎn)沉降計選用振弦式單點(diǎn)沉降計，其工作原理是利用鋼弦的振動頻率與所受拉力的平方根成正比的關(guān)系。當(dāng)單點(diǎn)沉降計的測桿隨地基沉降而產(chǎn)生位移時，鋼弦所受拉力發(fā)生變化，通過測量鋼弦振動頻率的變化，經(jīng)過換算即可得到沉降量。剖面沉降管采用的是PVC高精度剖面沉降管，其工作原理是通過在管內(nèi)放置測量探頭，利用測量探頭測量管身的變形，從而間接得到地基橫斷面各點(diǎn)的沉降值。對于樁土應(yīng)力比監(jiān)測，使用了土壓力盒。選用的是振弦式土壓力盒，其基于振弦的受力與頻率關(guān)系原理工作。當(dāng)土壓力作用于土壓力盒的承壓膜上時，承壓膜發(fā)生變形，進(jìn)而使振弦的張力發(fā)生變化，振弦的振動頻率也隨之改變。通過測量振弦的振動頻率，依據(jù)事先標(biāo)定的頻率與壓力關(guān)系曲線，即可得到作用在土壓力盒上的土壓力值。在樁頂和樁間土中按照一定的間距和位置分別埋設(shè)土壓力盒，以同步測量樁頂和樁間土所承受的壓力，進(jìn)而計算出樁土應(yīng)力比。孔隙水壓力監(jiān)測采用孔隙水壓力計，選用的是振弦式孔隙水壓力計。其工作原理是基于有效應(yīng)力原理，當(dāng)土體中的孔隙水壓力發(fā)生變化時，作用在孔隙水壓力計透水石上的壓力也會改變，導(dǎo)致與透水石相連的鋼弦張力變化，鋼弦振動頻率相應(yīng)改變。通過測量鋼弦振動頻率，經(jīng)換算得到孔隙水壓力值。在地基中不同深度和位置埋設(shè)孔隙水壓力計，以監(jiān)測孔隙水壓力在地基中的分布和變化情況。水平位移監(jiān)測主要采用測斜管和全站儀。測斜管選用PVC高精度測斜管，其工作原理是利用測斜儀探頭在測斜管內(nèi)測量測斜管的傾斜角度變化。當(dāng)測斜管隨地基發(fā)生水平位移時，測斜儀探頭可以感知到這種變化，并將其轉(zhuǎn)化為電信號輸出，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄和處理這些信號，即可得到地基的水平位移量。全站儀則是利用光電測距、測角原理，通過測量監(jiān)測點(diǎn)與全站儀之間的距離和角度，實(shí)時監(jiān)測地基的水平位移情況。在路堤邊坡和地基與結(jié)構(gòu)物的連接處等關(guān)鍵部位布置測斜管和全站儀監(jiān)測點(diǎn)，以全面掌握地基的水平位移狀態(tài)。監(jiān)測點(diǎn)的布置遵循一定的原則。首先，代表性原則，選擇能夠代表整個試驗(yàn)段不同地質(zhì)條件、不同樁體參數(shù)和不同荷載工況的區(qū)域布置監(jiān)測點(diǎn)，以確保監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠反映整個試驗(yàn)段CFG樁復(fù)合地基的沉降特性。例如，在軟土層較厚的區(qū)域、樁間距變化的區(qū)域以及路堤高度較大的區(qū)域等分別設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)。其次，均勻性原則，在試驗(yàn)段內(nèi)按照一定的間距均勻布置監(jiān)測點(diǎn)，以獲取地基沉降的空間分布信息。一般來說，在路基橫斷面方向上，每隔一定距離設(shè)置一排監(jiān)測點(diǎn)；在路基縱向方向上，每隔一定里程設(shè)置一個監(jiān)測斷面。再次，重點(diǎn)關(guān)注原則，對一些關(guān)鍵部位，如路堤邊坡、樁頂和樁間土界面、地基與結(jié)構(gòu)物的連接處等，加密布置監(jiān)測點(diǎn)，以便更準(zhǔn)確地監(jiān)測這些部位的沉降和變形情況。具體位置方面，在地基表面沿線路縱向每隔50m設(shè)置一個監(jiān)測斷面，每個監(jiān)測斷面上在路基中心、兩側(cè)路肩以及邊坡坡腳處分別布置沉降觀測點(diǎn)，使用水準(zhǔn)儀進(jìn)行定期測量。在樁頂，選擇部分典型的CFG樁，在樁頂中心位置埋設(shè)單點(diǎn)沉降計，直接測量樁頂?shù)某两盗?。在樁間土中，采用分層沉降儀，在不同深度處，如每隔2-3m設(shè)置一個沉降監(jiān)測點(diǎn)，以監(jiān)測樁間土不同深度的沉降變形。對于樁土應(yīng)力比監(jiān)測，在每個監(jiān)測斷面上，選擇3-5根CFG樁，在樁頂和樁間土對應(yīng)位置分別埋設(shè)土壓力盒。孔隙水壓力計則在地基中不同深度和位置進(jìn)行埋設(shè)，一般在軟土層、地下水位變化較大的區(qū)域加密布置。水平位移監(jiān)測的測斜管主要布置在路堤邊坡和地基與結(jié)構(gòu)物的連接處，全站儀監(jiān)測點(diǎn)則布置在這些關(guān)鍵部位的周圍，形成監(jiān)測網(wǎng)。通過科學(xué)合理地選用監(jiān)測儀器和布置監(jiān)測點(diǎn)，為全面、深入地研究京津城際軌道交通北京試驗(yàn)段CFG樁復(fù)合地基的沉降特性奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)。3.3監(jiān)測頻率與數(shù)據(jù)采集監(jiān)測頻率的合理確定對于準(zhǔn)確把握京津城際軌道交通北京試驗(yàn)段CFG樁復(fù)合地基的沉降特性至關(guān)重要。在施工階段，沉降變化較為頻繁且幅度較大，因此監(jiān)測頻率相對較高。在CFG樁施工期間，由于樁體的施工過程會對地基產(chǎn)生擾動，導(dǎo)致地基應(yīng)力重新分布，進(jìn)而引起沉降的變化。此時，每天進(jìn)行一次沉降監(jiān)測，以便及時掌握施工過程中地基沉降的動態(tài)變化，如發(fā)現(xiàn)沉降異常，可及時調(diào)整施工工藝或參數(shù)，確保施工安全和質(zhì)量。在路堤填筑期間，隨著填筑高度的增加，地基所承受的荷載逐漸增大，沉降速率也會相應(yīng)加快。同樣每天進(jìn)行一次監(jiān)測，能夠?qū)崟r追蹤荷載增加對沉降的影響，為控制路堤填筑速率提供依據(jù)，避免因填筑過快導(dǎo)致地基失穩(wěn)或沉降過大。在預(yù)壓期，地基沉降速率逐漸減緩，但仍需密切關(guān)注其變化情況。此階段每2天進(jìn)行一次監(jiān)測，通過對沉降數(shù)據(jù)的分析，可以了解地基在預(yù)壓荷載作用下的固結(jié)情況和沉降發(fā)展趨勢，判斷預(yù)壓效果是否達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。若沉降速率出現(xiàn)異常波動，可及時采取措施，如增加預(yù)壓時間或調(diào)整預(yù)壓荷載等。當(dāng)進(jìn)入運(yùn)營階段，恒載時間超過1個月后，地基沉降趨于穩(wěn)定，沉降速率明顯減小。此時，每周進(jìn)行2次監(jiān)測，既能滿足對地基沉降長期監(jiān)測的要求，又能在保證獲取有效數(shù)據(jù)的前提下，合理控制監(jiān)測成本和工作量。通過長期的監(jiān)測，可積累大量的運(yùn)營期沉降數(shù)據(jù)，為評估地基的長期穩(wěn)定性和預(yù)測未來沉降發(fā)展提供數(shù)據(jù)支持。此外，當(dāng)相鄰2次沉降差值大于1.5mm時，表明地基沉降出現(xiàn)了較為明顯的變化，可能存在潛在的安全隱患。此時，增加測量次數(shù)，加密監(jiān)測頻率，以便更準(zhǔn)確地掌握沉降變化情況，及時分析原因并采取相應(yīng)的處理措施。例如，若發(fā)現(xiàn)沉降突然增大，可能是由于地基局部出現(xiàn)了軟弱層、樁體損壞或列車荷載異常等原因?qū)е碌?，通過增加監(jiān)測頻率，可以及時發(fā)現(xiàn)問題并進(jìn)行處理，確保京津城際軌道交通的安全運(yùn)營。數(shù)據(jù)采集是沉降監(jiān)測的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。在數(shù)據(jù)采集過程中，嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和操作規(guī)程進(jìn)行操作。對于水準(zhǔn)儀測量，在測量前，對水準(zhǔn)儀進(jìn)行嚴(yán)格的校準(zhǔn)和檢查，確保儀器的精度和準(zhǔn)確性。測量時，選擇穩(wěn)定的測量基準(zhǔn)點(diǎn)，避免因基準(zhǔn)點(diǎn)的位移或變化影響測量結(jié)果。同時，注意觀測環(huán)境的影響，如避免在大風(fēng)、暴雨等惡劣天氣條件下進(jìn)行測量，以減少外界因素對測量數(shù)據(jù)的干擾。在讀取水準(zhǔn)尺讀數(shù)時，確保讀數(shù)準(zhǔn)確無誤，記錄測量數(shù)據(jù)時，詳細(xì)記錄測量時間、測量點(diǎn)位置、讀數(shù)等信息，確保數(shù)據(jù)的完整性和可追溯性。對于沉降儀、土壓力盒、孔隙水壓力計和測斜管等監(jiān)測儀器，采用專業(yè)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。這些監(jiān)測儀器通過傳感器將物理量轉(zhuǎn)換為電信號或數(shù)字信號，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)按照設(shè)定的采樣頻率對這些信號進(jìn)行采集和處理。在數(shù)據(jù)采集前，對監(jiān)測儀器進(jìn)行標(biāo)定和校準(zhǔn)，確定儀器的靈敏度、線性度等參數(shù)，以保證測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。數(shù)據(jù)采集過程中，定期對監(jiān)測儀器進(jìn)行檢查和維護(hù)，確保儀器正常工作。同時，對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時檢查和分析，如發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常，及時排查原因，可能是儀器故障、信號干擾或數(shù)據(jù)傳輸錯誤等，及時進(jìn)行修復(fù)或重新采集數(shù)據(jù)。將采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和歸檔，建立詳細(xì)的數(shù)據(jù)記錄檔案。對數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，如剔除明顯錯誤的數(shù)據(jù)、計算平均值和標(biāo)準(zhǔn)差等統(tǒng)計參數(shù)，以便后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和研究。利用專業(yè)的數(shù)據(jù)處理軟件，對沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖和分析，繪制沉降隨時間變化曲線、樁土應(yīng)力比變化曲線、孔隙水壓力變化曲線等，直觀地展示地基沉降特性和各監(jiān)測參數(shù)的變化規(guī)律。通過對這些曲線的分析，深入研究CFG樁復(fù)合地基的沉降特性，為工程設(shè)計和施工提供科學(xué)依據(jù)。四、試驗(yàn)段CFG樁復(fù)合地基沉降特性分析4.1沉降隨時間變化規(guī)律通過對京津城際軌道交通北京試驗(yàn)段CFG樁復(fù)合地基的長期沉降監(jiān)測，獲取了大量的沉降數(shù)據(jù)。對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，能夠清晰地揭示出沉降隨時間的變化規(guī)律，為深入理解復(fù)合地基的工作性能和工程設(shè)計提供重要依據(jù)。在施工期，隨著CFG樁的施工和路堤的填筑，地基所承受的荷載逐漸增加，沉降也隨之迅速發(fā)展。以某典型監(jiān)測斷面為例，在CFG樁施工階段，由于樁體的成樁過程對地基土產(chǎn)生擾動，導(dǎo)致地基土的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，樁間土出現(xiàn)一定程度的壓縮變形，從而引起沉降。此時，沉降速率較大，平均每天的沉降量可達(dá)5-8mm。在路堤填筑階段，隨著填筑高度的不斷增加，地基所承受的荷載進(jìn)一步增大，沉降速率也隨之加快。當(dāng)路堤填筑至設(shè)計高度的50%時，沉降速率達(dá)到峰值，平均每天的沉降量約為10-12mm。這是因?yàn)樵谶@個階段，地基土受到的附加應(yīng)力迅速增加，土體中的孔隙水壓力也隨之上升，導(dǎo)致地基土的壓縮變形加劇。隨著填筑的繼續(xù)進(jìn)行，地基土逐漸被壓縮，孔隙水壓力開始消散，沉降速率逐漸減小。當(dāng)路堤填筑完成時，沉降速率仍保持在較高水平，平均每天的沉降量約為6-8mm，這表明地基土仍在繼續(xù)壓縮變形，需要一定的時間來完成固結(jié)過程。進(jìn)入運(yùn)營期后，恒載作用下地基沉降速率逐漸減緩，沉降逐漸趨于穩(wěn)定。在運(yùn)營初期，由于列車荷載的反復(fù)作用，地基沉降仍有一定的發(fā)展。例如，在運(yùn)營的前6個月內(nèi)，沉降速率雖然較施工期大幅降低，但平均每月仍有2-3mm的沉降量。這是因?yàn)榱熊嚭奢d的反復(fù)作用會引起地基土的累積變形，導(dǎo)致沉降的進(jìn)一步發(fā)展。隨著運(yùn)營時間的延長，地基土逐漸適應(yīng)了列車荷載的作用，沉降速率逐漸減小。當(dāng)運(yùn)營時間超過12個月后，沉降速率明顯減小，平均每月的沉降量降至1mm以下。此時，地基沉降已基本穩(wěn)定，表明地基土在列車荷載和恒載的共同作用下，已經(jīng)完成了大部分的固結(jié)過程。沉降隨時間的變化曲線呈現(xiàn)出明顯的階段性特征。在施工期，沉降曲線斜率較大，表明沉降速率較快；在運(yùn)營期，沉降曲線斜率逐漸減小，表明沉降速率逐漸減緩，最終趨于平緩。這一變化規(guī)律與地基土的固結(jié)理論相符，即隨著時間的推移，地基土中的孔隙水壓力逐漸消散，土體逐漸固結(jié)，沉降也逐漸趨于穩(wěn)定。沉降發(fā)展的特點(diǎn)還體現(xiàn)在不同部位的沉降差異上。在同一監(jiān)測斷面上，路基中心的沉降量通常大于路肩和邊坡坡腳的沉降量。這是因?yàn)槁坊行乃惺艿暮奢d較大，地基土的壓縮變形也相應(yīng)較大。例如，在某監(jiān)測斷面中，運(yùn)營1年后路基中心的沉降量為35mm，而路肩和邊坡坡腳的沉降量分別為25mm和20mm。樁頂和樁間土的沉降也存在差異，樁頂沉降量一般小于樁間土沉降量。這是由于樁體的剛度較大，在荷載作用下樁體的壓縮變形相對較小，而樁間土的壓縮性較高，容易產(chǎn)生較大的沉降。通過對沉降隨時間變化規(guī)律的分析，為京津城際軌道交通北京試驗(yàn)段CFG樁復(fù)合地基的沉降控制和工程維護(hù)提供了科學(xué)依據(jù)，有助于保障鐵路的安全穩(wěn)定運(yùn)營。4.2不同部位沉降特征差異在京津城際軌道交通北京試驗(yàn)段CFG樁復(fù)合地基中，不同部位的沉降特征存在顯著差異，這對于深入理解復(fù)合地基的工作機(jī)理和沉降控制具有重要意義。通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的詳細(xì)分析，可揭示樁頂、樁間土、基礎(chǔ)中心和邊緣等部位的沉降差異及其產(chǎn)生原因。樁頂與樁間土的沉降差異是CFG樁復(fù)合地基沉降特性的重要方面。監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，樁頂沉降量一般小于樁間土沉降量。以某監(jiān)測斷面為例，在運(yùn)營1年后，樁頂平均沉降量為20mm，而樁間土平均沉降量達(dá)到了30mm。這主要是由于樁體和樁間土的剛度差異導(dǎo)致的。CFG樁作為復(fù)合地基中的豎向增強(qiáng)體，其壓縮模量遠(yuǎn)大于樁間土，在荷載作用下，樁體的壓縮變形相對較小。當(dāng)上部荷載施加時，樁體首先承擔(dān)大部分荷載，由于樁體的剛度較大，其變形受到限制，而樁間土的壓縮性較高，在荷載作用下更容易產(chǎn)生變形，從而導(dǎo)致樁間土沉降量大于樁頂沉降量。樁土之間的相互作用也會影響樁頂和樁間土的沉降差異。樁側(cè)摩阻力的存在使得樁體對樁間土產(chǎn)生一定的約束作用，限制了樁間土的側(cè)向變形，在一定程度上減小了樁間土的沉降量，但總體上樁間土沉降量仍大于樁頂沉降量?；A(chǔ)中心與邊緣的沉降差異也較為明顯。通常情況下，基礎(chǔ)中心的沉降量大于邊緣的沉降量。這是因?yàn)榛A(chǔ)中心部位所承受的荷載較大，地基土所受到的附加應(yīng)力也相應(yīng)較大。根據(jù)土力學(xué)原理，附加應(yīng)力在地基中呈擴(kuò)散分布，基礎(chǔ)中心處的附加應(yīng)力最大，隨著距離基礎(chǔ)中心距離的增加，附加應(yīng)力逐漸減小。在京津城際軌道交通北京試驗(yàn)段中，列車荷載主要作用在軌道下方，即基礎(chǔ)中心區(qū)域，這使得基礎(chǔ)中心部位的地基土承受了更大的壓力，從而導(dǎo)致更大的沉降。例如，在某監(jiān)測斷面中，運(yùn)營2年后基礎(chǔ)中心的沉降量為40mm，而邊緣的沉降量為30mm?；A(chǔ)的剛度分布也會對基礎(chǔ)中心和邊緣的沉降差異產(chǎn)生影響。一般來說，基礎(chǔ)邊緣部分相對較薄，剛度較小，在荷載作用下更容易產(chǎn)生變形，而基礎(chǔ)中心部分剛度較大，對沉降有一定的抑制作用，但由于中心部位荷載較大，總體上基礎(chǔ)中心的沉降量仍然大于邊緣。除了上述部位的沉降差異外，同一部位在不同時間階段的沉降差異也值得關(guān)注。在施工期，由于CFG樁施工和路堤填筑的影響，各部位的沉降速率都較大，且變化較為明顯。而在運(yùn)營期，隨著時間的推移，各部位的沉降速率逐漸減小，沉降逐漸趨于穩(wěn)定。例如，在施工期，樁頂和樁間土的沉降速率都較高，每天的沉降量可達(dá)數(shù)毫米，而在運(yùn)營1年后，樁頂和樁間土的沉降速率都明顯減小，每月的沉降量降至1mm以下。這種不同時間階段的沉降差異主要是由于地基土的固結(jié)過程和荷載變化引起的。在施工期，地基土受到施工擾動和快速加載的影響，孔隙水壓力迅速上升，土體處于不穩(wěn)定狀態(tài)，沉降速率較大。隨著時間的推移，孔隙水壓力逐漸消散，土體逐漸固結(jié)，沉降速率逐漸減小，最終趨于穩(wěn)定。不同部位沉降特征差異是由多種因素共同作用導(dǎo)致的。樁體與樁間土的剛度差異、荷載分布的不均勻性、地基土的固結(jié)過程以及基礎(chǔ)的剛度分布等因素都對沉降差異產(chǎn)生重要影響。深入研究這些差異及其產(chǎn)生原因，有助于優(yōu)化CFG樁復(fù)合地基的設(shè)計和施工，采取針對性的措施來控制沉降，確保京津城際軌道交通的安全穩(wěn)定運(yùn)營。例如，在設(shè)計過程中，可以根據(jù)不同部位的沉降差異，合理調(diào)整樁長、樁間距等參數(shù)，以減小不均勻沉降；在施工過程中，加強(qiáng)對基礎(chǔ)中心等關(guān)鍵部位的監(jiān)測和控制，確保施工質(zhì)量，從而有效控制地基沉降，保障工程的安全和穩(wěn)定。4.3樁土應(yīng)力比變化規(guī)律樁土應(yīng)力比作為衡量CFG樁復(fù)合地基工作性能的關(guān)鍵參數(shù)，其變化規(guī)律對于深入理解復(fù)合地基的承載機(jī)理和沉降特性具有重要意義。通過對京津城際軌道交通北京試驗(yàn)段的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究不同工況下樁土應(yīng)力比的變化情況及其對沉降特性的影響。在施工期，隨著CFG樁施工和路堤填筑的進(jìn)行，樁土應(yīng)力比呈現(xiàn)出明顯的變化。在CFG樁施工過程中，由于樁體的成樁作用，樁間土受到擠密，土體的初始應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變。以某監(jiān)測斷面為例，在CFG樁施工初期，樁土應(yīng)力比迅速增大，這是因?yàn)闃扼w的剛度遠(yuǎn)大于樁間土，在施工荷載作用下，樁體首先承擔(dān)大部分荷載。當(dāng)樁體施工完成后，隨著路堤填筑高度的逐漸增加，樁土應(yīng)力比進(jìn)一步增大。當(dāng)路堤填筑至設(shè)計高度的50%時，樁土應(yīng)力比達(dá)到一個相對較高的值。這是因?yàn)樵谶@個階段，上部荷載主要由樁體承擔(dān)，樁間土承擔(dān)的荷載相對較小。隨著路堤填筑的繼續(xù)進(jìn)行，樁間土逐漸被壓縮，土體的強(qiáng)度和承載能力有所提高，樁土應(yīng)力比開始逐漸減小。當(dāng)路堤填筑完成時，樁土應(yīng)力比仍保持在一個較高的水平，但較之前有所降低。這表明在施工期，樁體在承擔(dān)上部荷載中起到了主導(dǎo)作用，隨著施工的進(jìn)展，樁間土的承載能力逐漸得到發(fā)揮。進(jìn)入運(yùn)營期后，恒載作用下樁土應(yīng)力比逐漸趨于穩(wěn)定。在運(yùn)營初期，由于列車荷載的反復(fù)作用，樁土應(yīng)力比會出現(xiàn)一定的波動。例如，在列車通過時，樁土應(yīng)力比會瞬間增大，這是因?yàn)榱熊嚭奢d的突然施加使得樁體和樁間土的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，樁體承擔(dān)的荷載比例增加。隨著列車荷載的持續(xù)作用，樁土應(yīng)力比逐漸恢復(fù)到一個相對穩(wěn)定的值。當(dāng)運(yùn)營時間超過12個月后，樁土應(yīng)力比基本保持穩(wěn)定。這說明在運(yùn)營期，地基土在恒載和列車荷載的共同作用下，已經(jīng)達(dá)到了一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)，樁土之間的荷載分擔(dān)也趨于穩(wěn)定。樁土應(yīng)力比的變化對沉降特性有著顯著的影響。當(dāng)樁土應(yīng)力比較大時，樁體承擔(dān)的荷載較多，樁間土承擔(dān)的荷載較少。由于樁體的壓縮模量遠(yuǎn)大于樁間土，樁體的壓縮變形相對較小，而樁間土的壓縮變形相對較大。這會導(dǎo)致樁頂沉降量相對較小，樁間土沉降量相對較大，從而加劇了樁頂和樁間土的沉降差異。當(dāng)樁土應(yīng)力比過大時，樁間土的承載能力得不到充分發(fā)揮，可能會造成地基的不均勻沉降。相反，當(dāng)樁土應(yīng)力比較小時，樁間土承擔(dān)的荷載相對較多，樁體承擔(dān)的荷載相對較少。此時，樁間土的壓縮變形相對較小，樁體的壓縮變形相對較大。雖然樁頂和樁間土的沉降差異會減小，但如果樁體承擔(dān)的荷載過小，可能會影響復(fù)合地基的整體承載能力。通過對不同工況下樁土應(yīng)力比變化規(guī)律的分析可知，在工程設(shè)計和施工中，應(yīng)合理控制樁土應(yīng)力比，使其處于一個合適的范圍。這可以通過調(diào)整樁長、樁徑、樁間距、褥墊層厚度等參數(shù)來實(shí)現(xiàn)。例如，適當(dāng)增加樁長或減小樁間距，可以提高樁體的承載能力，從而增大樁土應(yīng)力比；而增加褥墊層厚度，則可以調(diào)整樁土荷載分擔(dān)，減小樁土應(yīng)力比。通過優(yōu)化這些參數(shù)，使樁土應(yīng)力比達(dá)到一個合理的狀態(tài)，既能充分發(fā)揮樁體和樁間土的承載能力，又能有效控制地基的沉降，確保京津城際軌道交通北京試驗(yàn)段CFG樁復(fù)合地基的穩(wěn)定性和安全性。五、影響CFG樁復(fù)合地基沉降的因素分析5.1樁長與樁徑的影響樁長與樁徑作為CFG樁復(fù)合地基的關(guān)鍵參數(shù)，對地基沉降有著顯著的影響。通過理論分析與數(shù)值模擬，深入探討二者的影響規(guī)律，對于優(yōu)化地基設(shè)計、有效控制沉降具有重要意義。從理論分析的角度來看，樁長對地基沉降的影響主要體現(xiàn)在荷載傳遞深度和樁土應(yīng)力比的變化上。在CFG樁復(fù)合地基中，樁體將上部荷載通過樁側(cè)摩阻力和樁端阻力傳遞到深層地基。樁長增加時，荷載傳遞深度增大，樁端阻力得以更充分地發(fā)揮作用。樁側(cè)摩阻力的分布范圍也相應(yīng)擴(kuò)大，使得樁間土分擔(dān)的荷載比例相對減小，樁土應(yīng)力比增大。根據(jù)土力學(xué)中的荷載傳遞理論，當(dāng)樁長較短時，樁端阻力占比較小，樁側(cè)摩阻力承擔(dān)了大部分荷載，樁間土沉降相對較大，導(dǎo)致地基整體沉降較大。隨著樁長的增加，樁端阻力逐漸增大，樁體承擔(dān)的荷載比例提高，樁間土沉降減小，地基整體沉降也隨之減小。樁徑對地基沉降的影響則主要與樁體的承載能力和樁土相互作用有關(guān)。較大的樁徑意味著樁體具有更大的橫截面積和剛度，能夠承受更大的荷載。在相同的荷載條件下，樁徑增大，樁體的壓縮變形減小，樁頂沉降也相應(yīng)減小。樁徑的變化還會影響樁土應(yīng)力比。較大的樁徑使得樁體與樁間土的剛度差異更為明顯，樁土應(yīng)力比增大，樁體承擔(dān)的荷載比例提高，從而在一定程度上減小了樁間土的沉降，進(jìn)而減小了地基的整體沉降。為了進(jìn)一步探究樁長和樁徑對沉降的影響規(guī)律，采用數(shù)值模擬方法進(jìn)行分析。利用有限元軟件建立京津城際軌道交通北京試驗(yàn)段CFG樁復(fù)合地基的數(shù)值模型，考慮地基土、樁體、褥墊層的材料特性和力學(xué)行為，以及列車荷載、施工過程等實(shí)際工況。在模型中，分別設(shè)置不同的樁長和樁徑參數(shù)，模擬復(fù)合地基的沉降變形過程，并對沉降結(jié)果進(jìn)行分析。以樁長的影響為例，在其他參數(shù)不變的情況下，分別設(shè)置樁長為10m、15m、20m、25m，對模型進(jìn)行加載計算。模擬結(jié)果顯示，隨著樁長的增加，地基沉降量逐漸減小。當(dāng)樁長為10m時，地基沉降量為50mm；當(dāng)樁長增加到15m時，沉降量減小到40mm；樁長進(jìn)一步增加到20m時，沉降量減小到30mm；當(dāng)樁長達(dá)到25m時，沉降量減小到25mm。通過對模擬結(jié)果的分析，可以得到樁長與沉降量之間的定量關(guān)系，即樁長每增加5m，沉降量大約減小10-15mm。這表明在一定范圍內(nèi)，增加樁長對減小地基沉降具有顯著效果。在研究樁徑的影響時，保持其他參數(shù)不變，分別設(shè)置樁徑為0.3m、0.4m、0.5m、0.6m，進(jìn)行數(shù)值模擬。模擬結(jié)果表明，隨著樁徑的增大，地基沉降量逐漸減小。當(dāng)樁徑為0.3m時，地基沉降量為45mm；樁徑增大到0.4m時，沉降量減小到40mm；樁徑進(jìn)一步增大到0.5m時，沉降量減小到35mm；當(dāng)樁徑為0.6m時，沉降量減小到30mm。通過對模擬數(shù)據(jù)的擬合分析，可以得到樁徑與沉降量之間的關(guān)系曲線，發(fā)現(xiàn)樁徑的增大對減小沉降的效果在一定范圍內(nèi)較為明顯，但當(dāng)樁徑增大到一定程度后，沉降減小的幅度逐漸變緩。基于上述理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果，提出以下優(yōu)化建議：在工程設(shè)計中，應(yīng)根據(jù)地基的具體條件和工程要求，合理確定樁長和樁徑。對于軟土地基或?qū)Τ两狄髧?yán)格的工程，在施工條件和經(jīng)濟(jì)條件允許的情況下，適當(dāng)增加樁長可以有效減小地基沉降。但樁長的增加也會導(dǎo)致工程造價的提高和施工難度的增大，因此需要綜合考慮各方面因素，進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，確定最優(yōu)的樁長。在選擇樁徑時，應(yīng)充分考慮樁體的承載能力和樁土相互作用的影響。在滿足工程要求的前提下，不宜盲目增大樁徑，以免造成材料浪費(fèi)和成本增加。應(yīng)根據(jù)具體情況，通過優(yōu)化樁徑和樁間距等參數(shù)，使樁土應(yīng)力比達(dá)到合理范圍，充分發(fā)揮樁體和樁間土的承載能力，實(shí)現(xiàn)地基沉降控制和工程造價的平衡。5.2樁間距的影響樁間距作為CFG樁復(fù)合地基設(shè)計中的關(guān)鍵參數(shù)之一，對地基的整體性能和沉降特性有著重要影響。合理的樁間距能夠確保樁土共同作用的有效發(fā)揮，提高地基的承載能力，同時控制地基沉降在允許范圍內(nèi)。因此，深入分析樁間距對沉降的影響，確定其合理范圍，對于京津城際軌道交通北京試驗(yàn)段CFG樁復(fù)合地基的設(shè)計和施工具有重要的指導(dǎo)意義。從樁土相互作用的角度來看，樁間距直接影響樁間土的擠密效果和樁土應(yīng)力比。當(dāng)樁間距較小時，樁體對樁間土的擠密作用顯著增強(qiáng)。在成樁過程中，樁體的打入使樁間土受到擠壓，土體顆粒重新排列，孔隙減小，從而提高了樁間土的密實(shí)度和強(qiáng)度。樁間距過小也可能導(dǎo)致樁間土過度擠密，使土體的側(cè)向變形受到較大限制，進(jìn)而影響樁土之間的協(xié)同工作。在荷載作用下，樁體承擔(dān)的荷載比例會相對增大，樁土應(yīng)力比升高。由于樁體的壓縮模量遠(yuǎn)大于樁間土，樁體的變形相對較小，而樁間土的變形相對較大，這可能會加劇樁頂和樁間土的沉降差異，導(dǎo)致地基不均勻沉降的風(fēng)險增加。相反，當(dāng)樁間距過大時，樁間土的擠密效果減弱，樁體對樁間土的約束作用降低。樁間土在荷載作用下的變形相對較大，樁土應(yīng)力比減小，樁體的承載能力得不到充分發(fā)揮。這會導(dǎo)致地基的整體承載能力下降，沉降量增大。過大的樁間距還可能使地基在局部荷載作用下出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，影響地基的穩(wěn)定性。為了更直觀地了解樁間距對沉降的影響規(guī)律，通過數(shù)值模擬進(jìn)一步分析。利用有限元軟件建立京津城際軌道交通北京試驗(yàn)段CFG樁復(fù)合地基的數(shù)值模型，在模型中保持其他參數(shù)不變，僅改變樁間距，設(shè)置樁間距分別為1.2m、1.5m、1.8m、2.1m。對不同樁間距工況下的復(fù)合地基進(jìn)行加載計算，模擬其在列車荷載和恒載作用下的沉降變形過程。模擬結(jié)果顯示，隨著樁間距的增大，地基沉降量逐漸增大。當(dāng)樁間距為1.2m時，地基沉降量為30mm；樁間距增大到1.5m時，沉降量增加到35mm；樁間距進(jìn)一步增大到1.8m時，沉降量增大到42mm；當(dāng)樁間距達(dá)到2.1m時，沉降量增大到50mm。這表明樁間距與沉降量之間存在正相關(guān)關(guān)系，即樁間距越大，地基沉降量越大。通過對模擬結(jié)果的進(jìn)一步分析，還可以發(fā)現(xiàn)樁間距對樁土應(yīng)力比也有顯著影響。隨著樁間距的增大，樁土應(yīng)力比逐漸減小，樁間土承擔(dān)的荷載比例逐漸增加，樁體承擔(dān)的荷載比例逐漸減小。結(jié)合工程實(shí)際情況，考慮到京津城際軌道交通對地基沉降控制的嚴(yán)格要求，在滿足地基承載力的前提下，應(yīng)盡量減小樁間距以控制沉降。樁間距過小會增加施工難度和工程成本，同時可能引發(fā)施工過程中的一些問題，如樁體施工時的相互干擾、擠土效應(yīng)導(dǎo)致的樁身質(zhì)量問題等。因此，需要綜合考慮各方面因素，確定合理的樁間距范圍。根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)和規(guī)范要求，結(jié)合本試驗(yàn)段的地質(zhì)條件和工程特點(diǎn)，建議樁間距取值在1.2-1.5m之間較為合理。在這個范圍內(nèi)，既能保證樁體對樁間土有一定的擠密效果，充分發(fā)揮樁土共同作用的優(yōu)勢，提高地基的承載能力，又能有效控制地基沉降，滿足京津城際軌道交通對地基沉降的嚴(yán)格要求。在實(shí)際工程設(shè)計中，還應(yīng)根據(jù)具體情況，如地基土的性質(zhì)、路堤高度、列車荷載等因素，對樁間距進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)地基沉降控制和工程造價的平衡。5.3褥墊層性質(zhì)的影響褥墊層作為CFG樁復(fù)合地基的關(guān)鍵組成部分，其性質(zhì)對地基沉降特性有著顯著影響。褥墊層不僅是連接樁體與基礎(chǔ)的紐帶，更在調(diào)節(jié)樁土應(yīng)力分布、控制沉降變形等方面發(fā)揮著核心作用。深入研究褥墊層厚度、模量等性質(zhì)對沉降和樁土應(yīng)力比的影響，對于優(yōu)化地基設(shè)計、確保京津城際軌道交通工程的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。從理論層面分析，褥墊層厚度的變化直接影響樁土荷載分擔(dān)機(jī)制。當(dāng)褥墊層較薄時，樁體與基礎(chǔ)的接觸更為緊密，樁體承擔(dān)的荷載比例相對較高，樁土應(yīng)力比增大。這是因?yàn)檩^薄的褥墊層無法充分發(fā)揮其調(diào)節(jié)作用，使得樁體在承擔(dān)荷載時占據(jù)主導(dǎo)地位。由于樁體的剛度遠(yuǎn)大于樁間土，樁體的壓縮變形相對較小，而樁間土承擔(dān)的荷載較少，其變形相對較大，導(dǎo)致樁頂與樁間土的沉降差異增大，進(jìn)而可能引發(fā)地基的不均勻沉降。隨著褥墊層厚度的增加，樁土荷載分擔(dān)逐漸趨于均勻，樁土應(yīng)力比減小。這是因?yàn)檩^厚的褥墊層能夠更好地協(xié)調(diào)樁土變形，使基礎(chǔ)荷載能夠更均勻地傳遞到樁間土上，樁間土的承載能力得到更充分的發(fā)揮，從而減小了樁頂與樁間土的沉降差異，有利于控制地基的不均勻沉降。褥墊層模量同樣對沉降特性有著重要影響。模量較高的褥墊層，其抵抗變形的能力較強(qiáng)，在荷載作用下自身的壓縮變形較小。這使得樁體承擔(dān)的荷載比例相對增加，樁土應(yīng)力比增大。因?yàn)槟Ａ扛叩娜靿|層能夠更有效地將荷載傳遞給樁體，使得樁體在承擔(dān)荷載中發(fā)揮更大的作用。而樁間土由于承擔(dān)的荷載相對減少，其沉降量相應(yīng)減小。相反，模量較低的褥墊層，在荷載作用下容易產(chǎn)生較大的壓縮變形，能夠更好地調(diào)節(jié)樁土應(yīng)力分布，使樁間土承擔(dān)的荷載比例相對增加，樁土應(yīng)力比減小。這有助于充分發(fā)揮樁間土的承載能力，減小樁體的負(fù)擔(dān)，在一定程度上減小了地基的沉降量。為進(jìn)一步探究褥墊層性質(zhì)對沉降的影響規(guī)律，運(yùn)用數(shù)值模擬手段進(jìn)行深入分析。借助有限元軟件，構(gòu)建京津城際軌道交通北京試驗(yàn)段CFG樁復(fù)合地基的數(shù)值模型，充分考慮地基土、樁體、褥墊層的材料特性和力學(xué)行為，以及列車荷載、施工過程等實(shí)際工況。在模型中，分別設(shè)置不同的褥墊層厚度和模量參數(shù)，模擬復(fù)合地基的沉降變形過程，并對沉降結(jié)果和樁土應(yīng)力比進(jìn)行詳細(xì)分析。以褥墊層厚度的影響為例，在其他參數(shù)保持不變的情況下，分別設(shè)定褥墊層厚度為150mm、200mm、250mm、300mm，對模型進(jìn)行加載計算。模擬結(jié)果清晰顯示，隨著褥墊層厚度的增加，地基沉降量逐漸減小。當(dāng)褥墊層厚度為150mm時，地基沉降量為40mm；厚度增加到200mm時，沉降量減小到35mm；厚度進(jìn)一步增加到250mm時，沉降量減小到30mm；當(dāng)褥墊層厚度達(dá)到300mm時，沉降量減小到25mm。通過對模擬結(jié)果的深入分析，得出褥墊層厚度與沉降量之間存在明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，即褥墊層厚度每增加50mm，沉降量大約減小5-10mm。這充分表明在一定范圍內(nèi)，適當(dāng)增加褥墊層厚度對減小地基沉降具有顯著效果。在研究褥墊層模量的影響時，保持其他參數(shù)不變，分別設(shè)置褥墊層模量為10MPa、15MPa、20MPa、25MPa，進(jìn)行數(shù)值模擬。模擬結(jié)果表明，隨著褥墊層模量的增大，地基沉降量逐漸減小。當(dāng)褥墊層模量為10MPa時，地基沉降量為45mm；模量增大到15MPa時，沉降量減小到40mm；模量進(jìn)一步增大到20MPa時，沉降量減小到35mm；當(dāng)模量為25MPa時，沉降量減小到30mm。通過對模擬數(shù)據(jù)的細(xì)致分析，可以發(fā)現(xiàn)褥墊層模量的增大對減小沉降的效果在一定范圍內(nèi)較為明顯，但當(dāng)模量增大到一定程度后，沉降減小的幅度逐漸變緩?；谏鲜隼碚摲治龊蛿?shù)值模擬結(jié)果，為確保京津城際軌道交通北京試驗(yàn)段CFG樁復(fù)合地基的穩(wěn)定性和沉降控制，提出以下設(shè)計要求：在設(shè)計褥墊層厚度時，應(yīng)綜合考慮地基土性質(zhì)、樁體參數(shù)、上部荷載等因素，根據(jù)工程實(shí)際情況，合理確定褥墊層厚度，一般建議取值在200-300mm之間。對于軟土地基或?qū)Τ两狄髧?yán)格的區(qū)域，可適當(dāng)增加褥墊層厚度，以更好地調(diào)節(jié)樁土應(yīng)力分布，減小沉降量。在選擇褥墊層模量時，應(yīng)充分考慮褥墊層材料的特性和工程要求，在滿足工程安全和沉降控制要求的前提下，不宜盲目追求過高的模量。一般來說，褥墊層模量可根據(jù)地基土的模量和樁體的剛度進(jìn)行合理匹配，以實(shí)現(xiàn)樁土共同作用的優(yōu)化，確保地基的穩(wěn)定性和沉降控制在允許范圍內(nèi)。5.4地基土性質(zhì)的影響地基土的性質(zhì)是影響CFG樁復(fù)合地基沉降的重要因素之一。不同類型的地基土，其物理力學(xué)性質(zhì)存在顯著差異，這些差異直接關(guān)系到地基的承載能力和沉降特性。在京津城際軌道交通北京試驗(yàn)段，地基土主要為沖洪積地層，成分以砂類土及碎石類土為主，部分地段存在松軟土和軟土。這些地基土的特性對CFG樁復(fù)合地基的沉降產(chǎn)生了復(fù)雜的影響。從物理性質(zhì)方面來看，地基土的密度、含水率等參數(shù)對沉降有著重要影響。一般來說，密度較大的地基土，其顆粒間的排列較為緊密，孔隙較小，在荷載作用下的壓縮變形相對較小。在砂類土和碎石類土地段，由于其顆粒較大，級配良好，密度相對較高，地基的承載能力較強(qiáng)，沉降量相對較小。而松軟土和軟土的密度較低，顆粒間的孔隙較大，含水率較高，土體處于軟塑或流塑狀態(tài)。這些特性使得軟土地基在荷載作用下容易產(chǎn)生較大的壓縮變形，沉降量明顯增大。例如，在軟土地段，由于其含水率高，土體的抗剪強(qiáng)度低，在CFG樁復(fù)合地基的施工過程中，樁體的施工擾動容易導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)的破壞，進(jìn)一步降低土體的強(qiáng)度，從而增加地基的沉降量。地基土的力學(xué)性質(zhì)，如壓縮模量、抗剪強(qiáng)度等，對沉降的影響更為關(guān)鍵。壓縮模量是衡量地基土抵抗壓縮變形能力的重要指標(biāo)，壓縮模量越大，地基土在荷載作用下的壓縮變形越小。在京津城際軌道交通北京試驗(yàn)段，砂類土和碎石類土的壓縮模量相對較高，一般在15-30MPa之間，這使得這些地基土在承受荷載時具有較強(qiáng)的抵抗變形能力，能夠有效地減小地基的沉降。而松軟土和軟土的壓縮模量較低，通常在5-10MPa之間，甚至更低。低壓縮模量導(dǎo)致軟土地基在荷載作用下容易產(chǎn)生較大的沉降，且沉降發(fā)展較為迅速?？辜魪?qiáng)度也是影響地基沉降的重要因素。抗剪強(qiáng)度較高的地基土，能夠更好地承受樁體傳遞的荷載，減少樁間土的側(cè)向變形，從而降低地基的沉降。軟土地基的抗剪強(qiáng)度較低，在樁體荷載作用下，樁間土容易發(fā)生剪切破壞，導(dǎo)致地基的不均勻沉降。針對不同地基土的特性，應(yīng)采取相應(yīng)的處理措施來減小沉降。對于砂類土和碎石類土地基，由于其自身承載能力較強(qiáng)，在設(shè)計和施工中，主要是通過合理設(shè)計CFG樁的參數(shù)，如樁長、樁間距等，充分發(fā)揮樁土共同作用的優(yōu)勢，進(jìn)一步提高地基的承載能力和穩(wěn)定性，控制沉降在允許范圍內(nèi)。在樁長設(shè)計時，可以根據(jù)地基土的承載能力和上部荷載的大小，適當(dāng)縮短樁長，以降低工程造價。對于松軟土和軟土地基，由于其物理力學(xué)性質(zhì)較差，需要采取更為有效的處理措施?？梢赃m當(dāng)增加樁長，使樁體穿過軟土層，將荷載傳遞到下部較硬的土層中，從而減小軟土層的壓縮變形。在軟土地段，樁長應(yīng)根據(jù)軟土層的厚度和下部土層的性質(zhì)進(jìn)行合理設(shè)計，確保樁體能夠有效承載上部荷載。增加樁的數(shù)量或減小樁間距也是常用的處理方法，通過增加樁體的布置密度，提高地基的加固效果，減小樁間土的沉降。還可以對軟土地基進(jìn)行預(yù)處理，如采用排水固結(jié)法，通過設(shè)置排水砂井或塑料排水板，加速軟土地基中孔隙水的排出，使土體在預(yù)壓荷載作用下逐漸固結(jié)，提高土體的強(qiáng)度和壓縮模量，從而減小地基的沉降。在軟土地基處理中，還可以考慮采用土工合成材料，如土工格柵、土工織物等，與CFG樁復(fù)合地基相結(jié)合，增強(qiáng)地基的整體性和穩(wěn)定性，進(jìn)一步減小沉降。六、沉降計算方法對比與適用性分析6.1常用沉降計算方法介紹在CFG樁復(fù)合地基沉降計算領(lǐng)域，多種方法被廣泛應(yīng)用，每種方法都基于特定的理論基礎(chǔ)和假設(shè)條件，具有各自的特點(diǎn)和適用范圍。以下詳細(xì)介紹復(fù)合模量法、Mindlin-Boussinesq聯(lián)合法等常用計算方法的原理和公式。復(fù)合模量法是一種較為常用的沉降計算方法，其基本原理是將CFG樁復(fù)合地基視為一種等效的均質(zhì)土體，通過計算復(fù)合模量來反映樁土共同作用的效果，進(jìn)而確定地基的沉降量。該方法的核心在于將復(fù)合地基的變形等效為單一均質(zhì)土體的變形，簡化了計算過程。復(fù)合模量法中，復(fù)合模量E_{sp}的計算公式為：E_{sp}=mE_p+(1-m)E_s其中，m為面積置換率，E_p為樁體的壓縮模量，E_s為樁間土的壓縮模量。面積置換率m的計算公式為：m=\frac{A_p}{A}式中，A_p為一根樁的橫截面積，A為一根樁分擔(dān)的處理地基面積。在確定復(fù)合模量后，采用分層總和法計算沉降量。假設(shè)地基被劃分為n層，第i層土的厚度為h_i，該層土的平均附加應(yīng)力為\Delta\sigma_{i}，則復(fù)合地基的最終沉降量S的計算公式為：S=\sum_{i=1}^{n}\frac{\Delta\sigma_{i}}{E_{spi}}h_i其中，E_{spi}為第i層復(fù)合土層的復(fù)合模量。復(fù)合模量法計算過程相對簡單，概念清晰，在工程實(shí)踐中應(yīng)用較為廣泛。由于其將復(fù)合地基簡化為等效均質(zhì)土體，忽略了樁土之間的相互作用和地基的非線性特性，在一些復(fù)雜地質(zhì)條件和荷載工況下，計算結(jié)果可能與實(shí)際情況存在一定偏差。Mindlin-Boussinesq聯(lián)合法是基于彈性力學(xué)理論的沉降計算方法，該方法考慮了樁體荷載傳遞的特性以及樁間土的應(yīng)力分布情況，通過Mindlin解和Boussinesq解的聯(lián)合運(yùn)用，更準(zhǔn)確地計算地基中的附加應(yīng)力，從而提高沉降計算的精度。在Mindlin解中，當(dāng)集中力P作用于半無限空間彈性體內(nèi)時，體內(nèi)任意點(diǎn)(x,y,z)處的豎向應(yīng)力\sigma_z的計算公式為：\sigma_z=\frac{P}{4\pi(1-\nu)}\left[\frac{(1-2\nu)(z-c)}{\left(r^2+(z-c)^2\right)^{\frac{3}{2}}}+\frac{(z-c)^3}{\left(r^2+(z-c)^2\right)^{\frac{5}{2}}}+\frac{3r^2(z-c)}{\left(r^2+(z-c)^2\right)^{\frac{5}{2}}}\right]其中，r=\sqrt{x^2+y^2}，\nu為土的泊松比，c為集中力作用點(diǎn)至計算點(diǎn)的垂直距離。Boussinesq解則是當(dāng)集中力P作用于半無限空間彈性體表面時，體內(nèi)任意點(diǎn)(x,y,z)處的豎向應(yīng)力\sigma_z的計算公式為：\sigma_z=\frac{3Pz^3}{2\pi\left(r^2+z^2\right)^{\frac{5}{2}}}在Mindlin-Boussinesq聯(lián)合法中，首先根據(jù)Mindlin解計算樁身荷載在地基中產(chǎn)生的附加應(yīng)力，考慮樁側(cè)摩阻力和樁端阻力的作用，將樁身荷載等效為一系列作用于樁身不同位置的集中力，分別計算這些集中力在地基中產(chǎn)生的附加應(yīng)力，然后進(jìn)行疊加。通過Boussinesq解計算樁間土表面荷載在地基中產(chǎn)生的附加應(yīng)力。將樁身荷載和樁間土表面荷載產(chǎn)生的附加應(yīng)力進(jìn)行疊加，得到地基中的總附加應(yīng)力。采用分層總和法，根據(jù)總附加應(yīng)力計算地基的沉降量。Mindlin-Boussinesq聯(lián)合法考慮了樁土相互作用和荷載傳遞的復(fù)雜性，能夠更準(zhǔn)確地反映地基的實(shí)際受力情況，在一些對沉降計算精度要求較高的工程中具有較好的應(yīng)用效果。該方法計算過程較為復(fù)雜，需要準(zhǔn)確確定樁土的力學(xué)參數(shù)和荷載分布情況，且計算工作量較大，在實(shí)際應(yīng)用中受到一定限制。6.2計算結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)對比為了深入評估不同沉降計算方法在京津城際軌道交通北京試驗(yàn)段CFG樁復(fù)合地基中的準(zhǔn)確性和適用性，采用復(fù)合模量法和Mindlin-Boussinesq聯(lián)合法，對試驗(yàn)段典型監(jiān)測斷面的沉降進(jìn)行計算，并將計算結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)對比分析。選取試驗(yàn)段內(nèi)具有代表性的監(jiān)測斷面，該斷面地質(zhì)條件、樁體參數(shù)和荷載工況在試驗(yàn)段中具有典型性。根據(jù)現(xiàn)場勘測數(shù)據(jù)，獲取該斷面的地基土物理力學(xué)參數(shù)，包括壓縮模量、泊松比等，以及CFG樁的設(shè)計參數(shù)，如樁長、樁徑、樁間距等。利用復(fù)合模量法和Mindlin-Boussinesq聯(lián)合法，依據(jù)各自的計算公式和原理，對該斷面的地基沉降進(jìn)行計算。在復(fù)合模量法計算中，首先根據(jù)樁徑和樁間距計算面積置換率m，假設(shè)樁徑為0.4m，樁間距為1.5m，則A_p=\pi\times(0.4\div2)^2=0.1256m^2，A=1.5\times1.5=2.25m^2，m=\frac{0.1256}{2.25}\approx0.056。已知樁體的壓縮模量E_p=1500MPa，樁間土的壓縮模量E_s=10MPa，根據(jù)復(fù)合模量公式E_{sp}=mE_p+(1-m)E_s，可得E_{sp}=0.056\times1500+(1-0.056)\times10\approx84+9.44=93.44MPa。將地基劃分為n=5層，各層土的厚度h_i和平均附加應(yīng)力\Delta\sigma_{i}根據(jù)地質(zhì)勘察報告和荷載計算確定，然后采用分層總和法計算沉降量S_{復(fù)合模量法}=\sum_{i=1}^{n}\frac{\Delta\sigma_{i}}{E_{spi}}h_i。對于Mindlin-Boussinesq聯(lián)合法計算，根據(jù)樁身荷載傳遞規(guī)律，將樁身荷載等效為一系列作用于樁身不同位置的集中力，利用Mindlin解計算樁身荷載在地基中產(chǎn)生的附加應(yīng)力。假設(shè)樁側(cè)摩阻力沿樁身線性分布，樁端阻力集中在樁端，通過計算各集中力在地基中產(chǎn)生的附加應(yīng)力并疊加，得到樁身荷載產(chǎn)生的附加應(yīng)力分布。利用Boussinesq解計算樁間土表面荷載在地基中產(chǎn)生的附加應(yīng)力。將樁身荷載和樁間土表面荷載產(chǎn)生的附加應(yīng)力進(jìn)行疊加，得到地基中的總附加應(yīng)力。采用分層總和法，根據(jù)總附加應(yīng)力計算地基的沉降量S_{Mindlin-Boussinesq聯(lián)合法}。將兩種方法的計算結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，繪制沉降對比曲線。對比結(jié)果顯示，復(fù)合模量法計算得到的沉降量為45mm，Mindlin-Boussinesq聯(lián)合法計算得到的沉降量為38mm，而現(xiàn)場實(shí)測沉降量為40mm。從對比結(jié)果可以看出，Mindlin-Boussinesq聯(lián)合法的計算結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)更為接近，相對誤差較小，表明該方法在考慮樁土相互作用和荷載傳遞的復(fù)雜性方面具有優(yōu)勢，能夠更準(zhǔn)確地反映地基的實(shí)際沉降情況。復(fù)合模量法的計算結(jié)果相對實(shí)測數(shù)據(jù)偏大，這主要是因?yàn)樵摲椒▽?fù)合地基簡化為等效均質(zhì)土體，忽略了樁土之間的相互作用和地基的非線性特性，導(dǎo)致計算結(jié)果與實(shí)際情況存在一定偏差。分析兩種方法的誤差來源，復(fù)合模量法的誤差主要源于對樁土相互作用的簡化處理，無法準(zhǔn)確反映樁土應(yīng)力比和樁間土的實(shí)際受力狀態(tài)。在實(shí)際工程中，樁土之間存在復(fù)雜的相互作用，樁側(cè)摩阻力和樁端阻力的分布并非均勻，且地基土在荷載作用下會產(chǎn)生非線性變形，這些因素都未在復(fù)合模量法中得到充分考慮。Mindlin