高速铁路CFG桩复合地基技术发展现状

摘要：针对目前CFG桩复合地基处理技术在国内高速铁路上的大量使用，对该技术沉降计算理论在国内外的发展现状进行探讨。随着高速铁路的发展，CFG桩复合地基在实践中被广泛的运用，国内外高速铁路都十分重视路基沉降控制。国内在柔性基础下的桩体复合地基的工作性状以及桩土应力比与基础刚度关系等的定性方面取得了很多成果。但切实可行，简单实用的计算方法尚未能形成。
　　关键词：CFG桩复合地基；计算理论；高速铁路；处理
　　1.引言
　　对于在路堤荷载下的CFG桩复合地基沉降计算理论，现阶段还不成熟。原因在于，已有的沉降计算是以桩－土有相同的应变为假设前提条件。在柔性荷载下，桩与土的应变不一致，桩相对于土有“上刺”和“下刺”的位移，基础具有调整复合地基桩土荷载分担的作用，给定褥垫层厚度和给定荷载条件下，置换率相通时，基础刚度不同，则桩土荷载分担比例不同。基础刚度越小，桩土应力比越小，桩分担的荷载越小。工业与民用建筑工程通常基础都具有足够的刚度，在合理褥垫层厚度条件下，基础具有让桩多承担荷载的作用，复合地基桩土应力比大于1，如图1所示；在路堤等柔性荷载下，只有填土荷载没有基础，桩土应力比等于1[1]。一般应在桩顶设置具一定“流动性的”褥垫层，如砂、碎石等散体材料；在褥垫层上再设置有足够刚度的垫层，如混凝土板，加筋碎石垫层等，如图2所示。
　　图1常见的CFG桩复合地基基本结构图2路堤荷载下CFG桩复合地基
　　2.国外研究状况
　　对于国外的高速铁路技术，最先开始研究的有日本的新干线技术、德国的市内快速ICE和法国的TVG[2-3]，世界各国高速铁路都十分重视路基沉降控制。
　　1959年，日本开始国内的高速铁路“新干线(Shinkansen)”的建设，用来连接东瀛四岛的主要城市。在高速铁路的土木工程等方面积累了许多值得借鉴的经验，日本在处理软土地基方面的方法主要分为二类：一是地基改良施工方法：如换填、堆载、直角排水、压缩法、夯实法等；二是地基处理如反压护道法、缓速填筑法、表层加固法、填土加固法、采用轻质填料法等。日本修建高速铁路初期拟定的工后总沉降为10cm，年沉降量3cm；而在后来修建高速铁路时，工后沉降已按3cm控制，对无碴轨道工后沉降的控制更为严格[4]。
　　德国铁路规范第M836.0502节规定，当线下结构或地基不满足沉降变形和稳定要求时，必须进行加固或改善。德国铁路规范给出的、通常采取的地基加固措施有：换填土；（通过物理或化学方法进行的）土的固化和改良；振动沉管法；碎石桩、砾石砂土桩、素混凝土桩、粉喷桩、高压旋喷桩等类似的桩，高压灌浆加固[5-6]，对路基有了较高的要求，认为在列车开始运行后，路基工后总沉降不应大于1cm，年沉降速率不应超过2mm，并应避免在短距离内发生不均匀沉降，在桥台附近不应有任何不均匀沉降。
　　3.国内研究现状
　　路堤荷载作用下CFG桩复合地基随着高速铁路的发展，实践中被广泛的运用，对于复合地基理论，由于其系统复杂，桩、桩间土及其相互作用使得复合地基的应力场位移场分布难以定量描述，桩土荷载分担问题也仅能根据工程经验来定性把握。
　　目前，研究CFG桩复合地基有如下手段：室内模型试验、离心试验、现场试验、在一定假设条件下的公式推导也就是解析方法、由单桩静载荷试验推断多桩下复合地基的力学变形性能。
　　吴慧明等[7](2004)现有沉降理论在不同刚度地基中的应用，从模型试验和理论计算进行了研究，指出在桩土变形不一致的柔性基础下，现行复合地基沉降理论计算误差很大，出现上述情况的原因是复合模量法将桩土的模量按面积加权综合考虑，充分考虑了桩强度的发挥，这些假设比较符合刚性基础下复合地基变形得实际情况。而在柔性基础下，桩和土的变形有不协调得趋势，桩有相对刺入柔性基础中的趋势，桩的强度并不能充分发挥。
　　董必昌、郑俊杰[8](2002)分析了CFG桩复合地基沉降变形模式，推导出一种考虑桩—土—垫层相互作用的沉降计算方法以及桩、土应力比公式，该沉降计算方法充分考虑了桩土之间的相互作用即摩擦阻力的作用，在中间过程中还可方便的求出等沉面位置以及桩土应力比等参数，并进一步对其进行了数值仿真，得到的模拟值与计算值较为一致，结果证实了该沉降计算公式的可行性。
　　李海芳等(2005)通过假设位移模式，考虑桩土相互作用，从力学角度推导了路堤荷载下复合地基桩侧的摩阻力分布及加固区压缩量的解析解，并获得了桩土应力比的解析表达式[9]。
　　李国维(2005)通过现场实测数据表明柔性基础下的复合地基桩土应力比要比刚性基础下小得多，其根本原因就在于柔性基础并不强迫桩沉降量与桩间土相同，因此荷载并不会大规模向桩顶转移。柔性基础下的复合地基桩间土的承载力要比天然地基高的多，除了土的固结使桩间土承载力提高外，另一个重要原因是桩的负摩阻力对桩间土承载力产生了增强作用。桩土应力比小，意味着柔性基础下的桩间土与刚性基础下相比分担了更多的荷载，可以预料，随着荷载的进一步增加，由于桩间土比桩承载能力小得多，桩间土必将首先破坏[10]。
　　关云飞等通过现场试验实测沉降值验证了采用有限差分模拟结果的可靠性，然后对影响CFG桩复合地基沉降的因素分别进行变化计算，得出增加桩长、减小桩间距、增大垫层模量和厚度都可以有效减小路堤沉降，但过分利用这些因素减小沉降并不现实和经济，桩长、桩间距、褥垫层模量和厚度都存在合理的取值[11]。
　　刑杨(2008)通过现场静载荷试验，在荷载板和CFG桩复合地基(或褥垫层)之间加入一层橡胶板来进行柔性基础下的静载荷试验。对比分析了刚性与柔性荷载作用下，CFG桩复合地基中桩土与土体承担荷载比例，桩土位移情况；同时运用有限元软件ANSYS对单桩情况下四种结构形式的静载荷试验进行模拟，得出褥垫层的有无对于CFG桩复合地基桩土荷载分担和沉降量变化有一定影响，刚性单桩复合地基结构形式和柔性单桩复合地基结构形式在桩土荷载分担及沉降量变化上也有一定的差异[12]。
　　自上世纪90年代以来，我国成功开发了轨枕埋入式、板式和弹性支承块式无碴轨道结构，并在秦沈客运专线、西康线、渝怀线及赣龙线成功铺设了试验段。2002年，铁道部设立高速铁路桥梁、隧道及路基地段无碴轨道研究课题，对无碴轨道技术进行系统研发。最近，铁道部先后在隧渝、武广、郑西及京津城际等线路设立无碴轨道综合试验段，采用自主研发或中外联合设计的方式，进行系统试验研究。我国第一条新建客运专线，秦沈客运专线于2002年正式运营通车，跨区间铺设无缝线路，并试铺了无碴轨道，对于软土地基常用的处理方式为CFG桩；石郑客运专线沿线软土及松软土等土质地基分布广泛，为了满足路基沉降控制标准的要求，对松软地基进行了地基处理，处理措施原则上以复合地基法为主，加固深度原则上均穿透软土或松软土层。武广客运专线是目前我国已开工建设线路里程最长、技术标准最高的客运专线铁路。武广客运专线软土及松软土地基分布较广，层位差异较大，拟用桩板结构、钢筋混凝土桩网结构、CFG桩复合地基进行加固，得出桩板结构是一种更优越的工程措施，但作为一种新型地基处理方法，其适用性有待进行更多、更深入的试验研究，其沉降计算(尤其是下卧层为土层)，目前尚没有成熟的计算方法，更有待进一步研究[13]。
　　4.结论及展望
　　纵观以上国内外的研究可见，在柔性基础下的桩体复合地基的工作性状以及桩土应力比与基础刚度关系等的定性方面取得了很多成果，地基处理数值计算模型也从二维扩展到了三维。但常用的研究方法基本从工程试验入手，从单一的工程效应进行定性研究，研究成果大多具有局限性，切实可行、简单实用的计算方法尚未能形成。
　　在以后的研究工作中，建议从现场试验沉降观测的技术和设备方面进行研究，得出更加接近真实结果的值，在此基础上加强建立CFG桩复合地基三维数值计算模型，采用非线性计算模型模拟桩、桩间土及其相互作用，将其结果与实测值进行对比分析。加强对复合地基的荷载传递规律、应力场和位移场分布及其特性研究，对复合地基测试技术、沉降计算方法及计算参数的确定等进行优化设计。
　　参考文献：
　　[1]    闫明礼等.CFG桩复合地基技术及工程实践.中国水利水电出版社，2006年第2版：1-145.
　　[2]    王晓刚.国外高速铁路.建筑机械，2007年3月上半月刊：30-36.
　　[3]    王炳龙等.高速铁路路基工程.中国铁道出版社，2007：12-29.
　　[4]    Ing.N.G.Cortlever.DesignofDoubleRailwayTrackonAuGeoPillingSystem.4thInternationalConferenceonGroundImprovementTechniques,March,2002.
　　[5]    JohannesHillig.GeotechnischeAnforderungenandenEisenbahnunterbau.Eisenbahningenieur(47)3/96：24-31.
　　[6]    Hans-GottfriedSchmidt,FrankWuttke.IndirekteseismischeStandortuntersuchungen-DIN4020undaktuelleEntwicklungen.Bauhaus-UniversitätWeimar,2006.
　　[7]    吴慧明等.现行复合地基沉降理论在不同刚度基础地基中得应用研究.土工基础，Feb.,200418(1)：16-20.
　　[8]    董必昌，郑俊杰.CFG桩复合地基沉降计算方法研究.岩石力学与工程学报，July,200221(8)：1084-1086.
　　[9]    李海芳，温晓贵，龚晓南.路堤荷载复合地基加固区压缩量的解析算法.土木工程学报，Mar.,200538(3)：77-80.
　　[10]    李国维，杨涛.柔性基础下复合地基桩土应力比现场试验研究.岩土力学，Feb.,200526(2)：265-270.
　　[11]    关云飞，赵维炳，唐彤芝，俞缙.路堤荷载下CFG桩复合地基沉降影响因素分析.第十届全国岩石力学与工程学术大会论文集：479-483.
　　[12]    刑杨.京沪高速铁路CFG桩复合地基刚性与柔性静载荷试验对比分析研究.2008年6月北京交通大学硕士学位论文.
　　[13]    卢祖文.客运专线铁路轨道.中国铁道出版社，2005：12-14.