高速铁路深厚土层地基处理技术与沉降计算

姚裕春，等：高速铁路深厚土层地基处理技术与沉降计算・９７・

高速铁路深厚土层地基处理技术与沉降计算

姚裕春，庞应刚

（中铁二院工程集团有限责任公司，成都６１００３１）

摘要：高速铁路对工后沉降要求严格，无碴轨道对轿路、隧路过渡段差异沉降限为５ｍｍ，一般路基地段工后沉降限为１５ｍｍ。因此，我国不少在建客运专线需要采取措施对地基进行处理，以有

效控制地基沉降。在深厚土层地基上修筑无碴轨道，现行地基处理措施主要为ＣＦＧ桩、预应力混凝

土管桩及路基桩板结构。文中分析了各种复合地基承载力及沉降的计算方法。提出当应用ＣＦＧ桩和

预应力管桩处理深厚土层地基时，结合采用筏板结构，更能发挥ＣＦＧ桩和预应力管桩的承裁力和有

效控制沉降；深厚土层地基处理后计算沉降应进行修正，其修正系数：ＣＦＧ桩地基处理复合模量法为

０．２左右，管桩地基处理桩基法为０．２～０．４。

关键词：高速铁路；深厚土层地基；地基处理；沉降计算

中图分类号：Ｕ４１６文献标志码：Ａ文章编号：１００３—８８２５（２０１０）Ｓ０—００９７—０３

０引言

高速客运专线铁路目前在我国正处于快速发展阶

段，其以高精度、高速度：高平稳性、高舒适性为特

点。其对工后沉降有严格的要求，特别是无砟轨道，要求路桥或路隧交界处差异沉降不超过５ｍｍ，过渡

段沉降造成的路基与桥梁或隧道的折角不大于

１／１０００；一般路基段工后沉降不超过１５ｍｍ，沉降比

较均匀、长度大于２０ｍ的路基，允许的最大工后沉

降量为３０ｍｍ。深厚土层地基常难以满足无砟轨道高

速铁路工后沉降要求，因此，需对地基进行加固处

理，设计上其复合地基承载力及沉降计算是两个最重要内容。

１深厚土层地基处理措施

目前在建高速客运专线铁路经过大量的深厚土层

地基地段，为控制沉降采取地基处理措施主要采用

ＣＦＧ桩、预应力混凝土管桩及路基桩板结构，并根据

情况结合堆载预压措施以控制工后沉降、１。ｏ。

１．１ＣＦＧ桩

ＣＦＧ桩（ＣｅｍｅｎｔＨｙ．ａｓｈＧｒａｖｅｌＰｉｌｅ），即由碎石、

粉煤灰掺适量的水泥加水拌和，用各种成桩机具制成

的可变黏结强度桩。ＣＦＧ桩复合地基由桩、桩间土及

褥垫层３部分构成，其加固机理为褥垫层受上部基础

荷载作用产生变形后以一定的比例将荷载分摊给桩及

桩间土，使二者共同受力。同时土体受到桩的挤密而

提高承载力，而桩又由于周围土的侧应力的增加而改

善了受力性能，二者共同工作，形成了一个复合地基

的受力整体，共同承担上部基础传来的荷载。

收藕日期：２０１０—０２—１５作者简介：姚裕春（１９７４一），男。高级工程师，博士。１．２预应力混凝土管桩

预应力混凝土管桩有：ＰＨＣ管桩（预应力高强

度混凝土管桩混凝土＞Ｃ８０）、ＰＣ管桩（预应力混凝

土管桩混凝土Ｃ６０一Ｃ８０）和ＰＴＣ管桩（预应力混凝

土薄壁管桩混凝土＞Ｃ６０）。一般采用Ｃ３０钢筋混凝

土桩帽，与桩帽相联的桩面应平整水平，伸入桩帽中

不少于５ｅｍ，施工一般采用震动锤击或静压方式沉

桩，桩距一般２．０～２．５ｍ。１．３路基桩板结构

路基桩板结构是高速铁路的一种新的结构形式，

由下部的钢筋混凝土桩基和上部的钢筋混凝土承载板

组成，多数情况下承载板直接与轨道结构连接。它综

合了板式无碴轨道或双块式轨枕埋人式无碴轨道结构

与桩基础各自的特点，充分利用桩一土一板三者之间

的共同作用，以满足对无碴轨道强度和沉降变形的要求。

２ＣＦＧ桩承载力及沉降计算

２．１ＣＦＧ桩承载力计算

ＣＦＧ桩复合地基承载力应通过现场复合地基载荷

试验确定，也可按《建筑地基处理技术规范》

（ＪＧＪ７９—２００２）估算

印，砷＝ｍ≯＋卢（１一ｍ）Ｚ。（１），ｌｐ式中厶为复合地基承载力特征值，ｋＰａ；ｍ为面积

置换率；Ｒ。为单桩竖向承载力特征值，ｋＮ；Ａ。为桩

的截面积，ｍ２；口为桩间土承载力折减系数，宜按地

区经验取值，如无经验时可取０．７５—０．９５，天然地

基承载力较高时取大值；厶为处理后桩间土承载力特

征值，ｋＰａ，宜按当地经验取值，如无经验时可取天

然地基承载力特征值。

万方数据・９８・路基工程ＳｕｂｇｒａｄｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ２０１０年增刊

单桩竖向承载力特征值尺。的取值，

规定：应符合下列根据桩侧摩阻力与桩端下卧土层端阻力确定单桩

（１）当采用单桩载荷试验时，应将单桩竖向极限

承载力除以安全系数２；

（２）当无单桩载荷试验资料时，可式（２）估算

Ｒ。＝％乏∥：＋ｇ，ＡＰ（２）

式中ｕ。为桩的周长，ｍ；ｎ为桩长范围内所划分的

土层数；ｑ。ｑ。为桩周第ｉ层土的侧阻力特征值、桩

端端阻力特征值，ｋＰａ；ｆ：为第ｉ层土的厚度，ｍ。２．２ＣＦＧ桩沉降计算

通常将复合地基总沉降ｓ分为复合地基加固区压

缩量Ｓ。、下卧层压缩量ｓ：两个部分：

Ｓ＝Ｓｌ＋．ｓ２（３）

’（１）加固区压缩量Ｓ．

ＣＦＧ桩复合地基加固区沉降计算方法有复合模量

法、应力修正法及桩身压缩量法，由于应力修正法桩

土应力比ｎ无法确定，桩身压缩量法也需知桩土应力

比ｎ，并且桩上、下刺入量无法计算，工程中常采用

复合模量法计算。

复合模量法为

｜ｓ。＝争鲤Ｅ．ｉ恁（４）

式中△ｐ；为第ｉ层复合土的附加应力增量；Ｈｉ为第ｉ

层复合土层的厚度；Ｅ。。为第ｉ层复合土层的复合模

量，等于该层天然地基压缩模量的亭倍，亭值为亭＝厶组ｔ（５）

（２）下卧层压缩量ｓ：下卧层沉降计算关键是确定下卧层顶面的附加应

力，计算出附加应力后，按分层总和法计算沉降。其

中附加应力计算方法有Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ法、应力扩散法、

等效实体法、改进Ｇｅｄｄｅｓ法及Ｌ／３法。由于每种方

法都有其局限性，工程中常用Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ法和应力扩散法进行下卧层顶面附加应力计算。

当采用应力扩散法时，对于铁路路基情况可采用

平面应变假定，下卧层平均附加应力为

Ｐｂ２瓦荔Ｂｐ采面（６）

式中曰为路堤宽度；Ｈ为加固区厚度；Ｐ复合地基

上附加应力；口为加固区应力扩散角。

下卧层沉降为

ｓ：＝蹬Ｅ（７）

式中ｎ为下卧层土分层数；４ｐｉ为第ｉ层土平均附加

应力；Ｅ。为下卧层第ｉ层土压缩模量；Ｈ；为第ｉ层土

厚度。

３预应力管桩承载力及沉降计算

３．１预应力管桩承载力计算‘４３

（１）单桩承载力承载力时为

Ｐ，＝Ｅｇｆ／ｓ，Ｌ。＋Ａ，尺（８）

式中Ｐ。。为管桩单桩容许承载力，ｋＮ；，为按土层

划分的各土层桩周原状土容许摩阻力，ｋＰａ；Ｓｐ为桩身周边长度，ｍ；Ｌ。为按土层划分的各段桩长，ｍ；Ｒ

为桩端原状土端阻力，ｋＰａ；Ａ。为桩的横截面积，

１１１２；肛为虑桩间土时间效应的经验系数，根据不同土

层，一般为０．７～１．５。

根据预应力管桩桩体材料强度确定单桩承载力

时为

Ｐ。＝７１ｑ。。Ａ，／Ｋ（９）

式中田为折减系数，一般取０．３３；ｑｃｕ为预应力管桩

桩体材料立方体抗压强度，ｋＰａ；Ｋ为安全系数；Ａ。

为桩的环形横截面积，ｍ２。

由式（８）．、式（９）计算所得取二者中较小值

即可。

（２）复合地基承载力计算

预应力管桩复合地基承载力可根据单桩承载力和

桩间土承载力，由一定的原则叠加这两部分承载力确

定Ｈ］，即

ＰＲ，＝ｍ≠＋（１一ｍ）Ａ尺；（１０）＾胍式中尺，为预应力管桩复合地基容许承载力，ｋＰａ；

ｐ。为单桩容许承载力，ｋＮ；Ｒ，为桩间土容许承载力，

ｋＰａ；Ａ。为桩帽的横截面积，ｍ２；ｍ为复合地基面积

置换率，ｍ＝Ａ。／Ａ；Ａ为桩间土强度发挥度，即复合地基破坏时，桩问土发挥其极限强度比例。

３．２预应力管桩沉降计算Ｍ。

预应力管桩沉降计算最常用的有两种方法。

（１）桩体沉降法

管桩一般带有桩帽（或筏板基础），其桩身强度

极高，混凝土达Ｃ６０、Ｃ８０级，在路堤荷载作用下，

桩身只发生极小的弹性变形，甚至不发生，其值对路

堤总沉降影响很小，即加固区沉降在复合地基总沉降

中所占比例较小，同时褥垫层的压缩量也很小，二者

之和可忽略不计，因此只考虑桩端平面以下部分的沉

降，即只考虑加固区下卧层的沉降量．ｓ：，并以下卧层

的沉降量作为复合地基的总沉降。

计算模式首先需要确定加固区下卧层面上的应力

分布，分两种情况：①预应混凝土管桩作为摩擦型

桩，侧摩阻力的发挥是其承载的主要因素，作用于桩

帽顶部的荷载按一定的角度扩散至下卧层面，但扩散

区域以单桩计算宽度为限，即不考虑上部荷载向下扩

散产生的交替影响。因此可把加固区下卧层面上的荷

载视为均匀分布载荷，其大小近似与上覆荷载相等；

②预应力混凝土管桩作为端承型桩，桩体主要起荷

载传递作用，而桩侧摩阻力几乎不起作用，作用于加

固区下卧层面上的荷载即可认为是桩帽顶的均布万方数据姚裕春，等：高速铁路深厚土层地基处理技术与沉降计算・９９・

荷载。

根据通用的Ｂｏｕｓｓｎｉｅｓｑ半无限空间解求出加固区

底面以下的附加应力，由此采用分层总和法计算下卧

层沉降变形量，计算公式为式（７）。

（２）复合桩基沉降法

把预应力管桩按复合桩基进行沉降计算，计算方

法见４．２。

４路基桩板结构沉降计算

４．１单桩竖向承载力计算

桩板结构中桩为钻（挖）孔灌注桩一摩擦桩，其

容许承载力为Ｈ’

［Ｐ］＝０．５Ｕ∑ｆ，ｌｉ＋ｍｏＡ［ｏｒ］（１１）

式中［Ｐ］为桩的容许承载力；Ｕ为桩身截面周

长，ｍ；Ｚ为各土层的极限承载力，ｋＰａ；Ｚ。为各土层

的厚度，ｍ；Ａ为桩底支撑面积，ｍ２，按设计桩径计

算；［ｏｒ］为桩底地基土的容许承载力，ｋＰａ；ｍ。为

桩底支撑力折减系数，一般取１．０。

４．２桩基沉降计算

工程中当桩中心距均为小于６倍桩径的摩擦桩，

则需将桩基作为实体基础计算沉降【２１，即

ｎ一５＝帆薹半（毛Ｃ。一Ｚｉ－１Ｃｉ－１）（１２）‘一１凸“式中ｓ为桩基总沉降量；ｎ为基底以下地基沉降计

算深度范围内按压缩模量划分的土层分层数目；ｏｒ枷，

为基础底面处的附加应力，把桩的承载力及负摩阻力

看成附加力；ｍ。为沉降经验修正系数；Ｅ。为等效作

用面以下第ｉ层土的压缩模量；气，ＺＨ为自基底第ｉ

层和第ｉ一１层薄层底面的距离；Ｅ，ＣＨ为基础底面

至第ｉ薄层底面范围内和至第ｉ一１薄层底面范围内的

平均附加应力系数。

５对深厚土层地基处理工程的建议

５．１工程措施

ＣＦＧ桩复合地基加固区沉降计算是等应变条件下

的推导结果，对于基础和下卧层均为刚性的复合地基

有一定的合理性。对于ＣＦＧ桩桩网结构复合地基会

夸大桩体的作用，但当复合模量法采用平均基底应力

计算沉降，会在一定程度上弥补了夸大桩体作用的缺

陷。另外，实测资料表明，ＣＦＧ桩桩网结构桩土应力

比一般在３～６，当采用ＣＦＧ桩＋筏板结构时，桩土

应力比可达５０—６４，可见深厚土层地基处理采用ＣＦＧ

桩＋筏板结构，更能有效发挥ＣＦＧ桩的承载作用和

减小桩长满足沉降要求的作用。

当采用预应力混凝土管桩＋桩帽结构时，桩间土

也承担着一定的附加应力，也会发生一定的变形。另

外，当采用桩体沉降法计算沉降时，认为复合地基下卧层附加应力与上覆荷载相等，而实际上还是存在应

力扩散，下卧层沉降偏大。

沉降实测Ｈ１表明管桩荷载分担比随着桩帽尺寸的

增加而迅速增加，同样可见采用管桩进行深厚土层地

基处理时也宜采用管桩＋筏板结构，更有利于控制

沉降。

Ｓ．２计算沉降修正

结合京沪高速铁路李窑试验段、宿州车站等多个

深厚土层地基处理的计算沉降与实测沉降结果对比

（表１、表２），笔者建议应对深厚土层地基处理后的

沉降计算结果进行修正：ＣＦＧ桩地基处理复合模量法

计算沉降修正系数为０．２左右，管桩地基处理桩基法

计算沉降修正系数为０．２～０．４。

表１李窑试验段地基沉降对比

．．．……．…．…．．桩间距桩长计算总实测总代表性里程措施类型＿二。Ｘ≤彭二磊荔二

表２宿州车站地基沉降对比

６结论

（１）在深厚土层地基上修建无砟轨道高速铁路，