長(zhǎng)短樁處理路基不均勻沉降三維有限元分析

秦曉光，楊龍才，何太洪

（同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201804）

隨著無(wú)砟軌道鐵路建設(shè)的不斷進(jìn)行，路基的不均勻沉降逐漸成為導(dǎo)致無(wú)砟軌道產(chǎn)生變形乃至破壞的主要原因之一。對(duì)于有砟軌道，當(dāng)路基不均勻沉降較大時(shí)，可以通過(guò)扣件調(diào)整、填充道砟等手段達(dá)到調(diào)整軌道面高度、保持軌道平順性的目的，而無(wú)砟軌道則只能通過(guò)扣件微小的調(diào)高量來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道面的調(diào)節(jié)。路基的工后沉降主要有3部分組成，路基填土壓密下沉、行車引起的基床累計(jì)變形和地基產(chǎn)生的工后沉降，其中前兩者一般量值較小，且能在路基施工完成后較短的時(shí)間趨于穩(wěn)定[1]。因此地基產(chǎn)生的工后沉降是路基工后沉降變形的主要矛盾。我國(guó)在《新建時(shí)速300-350公里客運(yùn)專線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》（鐵建設(shè)[2007]47號(hào)）中規(guī)定，路基上鋪設(shè)無(wú)砟軌道在“路橋或路隧交界處的差異沉降不應(yīng)大于5 mm，鋪軌工程完成后由于過(guò)渡段沉降造成的路基與橋梁或隧道的折角不應(yīng)大于1/1 000”[2]。

由于地基處理的需要，多種樁型處理的復(fù)合地基在同一區(qū)域出現(xiàn)的情況不斷出現(xiàn)，文獻(xiàn)[3]認(rèn)為建筑物不同樁型差異沉降中當(dāng)樁基彈性模量達(dá)到一定程度時(shí)對(duì)基礎(chǔ)沉降的影響將很小。文獻(xiàn)[4]對(duì)松軟土路基不均勻沉降影響因素進(jìn)行了分析。滬寧高鐵某站場(chǎng)改建工程中，滬寧城際全段正線、咽喉區(qū)及相鄰的到發(fā)線地段采用不同剛度樁型進(jìn)行加固。本文以此為工程背景，通過(guò)三維有限元的方法對(duì)由于地基處理方式不同而產(chǎn)生的路基不均勻沉降進(jìn)行分析，為工程施工提供參考。

1 工程背景

1.1 工程簡(jiǎn)介

滬寧城際某站場(chǎng)全段正線、咽喉區(qū)及相鄰的到發(fā)線地段采用預(yù)應(yīng)力管樁（PHC樁）及CFG樁加固；城際車場(chǎng)與正線分離（如隔站臺(tái)）的到發(fā)線、與滬寧城際正線并行地段的既有滬寧改造地段、過(guò)渡地段施工便道、公務(wù)岔線等均采用攪拌樁加固，各種樁型加固區(qū)互相緊鄰，如圖1所示。

1.2 樁基設(shè)計(jì)參數(shù)及地質(zhì)資料

站場(chǎng)內(nèi)采用的預(yù)應(yīng)力管樁樁徑為0.5 m，間距2.2 m，呈正方形布置，樁長(zhǎng)19.0～23.5 m；樁頂設(shè)置1.6×1.6×0.35 m（厚）的鋼筋混凝土樁帽；樁頂設(shè)0.5 m厚碎石墊層，內(nèi)鋪一層雙向土工格柵。預(yù)應(yīng)力管樁采用靜壓法沉樁，施工前于基底范圍內(nèi)鋪設(shè)0.5～1.0 m厚C組以上填料作為工作墊層，施工完成后于樁頂鋪設(shè)一層土工格柵及0.5 m厚碎石墊層。土工格柵兩端折回2.0 m，延伸率≤10%，抗拉強(qiáng)度≥100 kN·m-1。設(shè)計(jì)采用的CFG樁樁徑0.5 m，間距1.8 m，呈正方形布置，樁長(zhǎng)20.5～23.0 m；樁頂設(shè)0.5 m厚碎石墊層，內(nèi)鋪一層雙向土工格柵。CFG樁采用長(zhǎng)螺旋成孔、管內(nèi)泵壓混合料，再利用振動(dòng)打樁機(jī)成樁，樁體原材料采用碎石、石屑、粉煤灰、水泥配合而成，材料按C15配比，樁位偏差不應(yīng)大于0.4倍樁徑。

圖1 加固區(qū)平面示意圖Fig.1 Layout of the reinforced area

攪拌樁加固樁徑0.5 m，間距1.2 m，呈正方形布置，樁長(zhǎng)10.0～11.5 m，樁頂設(shè)0.5 m厚碎石墊層，內(nèi)鋪一層雙向土工格柵。水泥土攪拌樁采用三軸攪拌法施工，全樁上下復(fù)攪不得少于1次。場(chǎng)地中央地質(zhì)鉆孔揭示從上到下各土層的情況詳見(jiàn)表1所示。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)表Tab.1 Parameters of soil physical mechanics

2 三維有限元分析

傳統(tǒng)關(guān)于復(fù)合地基的沉降計(jì)算，往往講地基按照二維平面問(wèn)題進(jìn)行計(jì)算分析[5-6]，本站場(chǎng)渡線區(qū)（咽喉區(qū)）3種地基處理方式并存，由于空間的影響，難于簡(jiǎn)單的使用平面問(wèn)題分析來(lái)獲得不均勻沉降及其分布形態(tài)，本文通過(guò)構(gòu)建三維數(shù)值分析模型來(lái)研究上述問(wèn)題[7-8]。由于土體的壓縮模量不是常數(shù)在ANSYS中采用一固定的變形模量值輸入進(jìn)行計(jì)算，將不能有效地反映地基土體在沉降時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變特性，故本論文提出了根據(jù)土工實(shí)驗(yàn)和勘察報(bào)告提供的壓縮模量Es和壓縮系數(shù)a等數(shù)據(jù)，在ANSYS中自定義一種非線性材料，其變形模量大小可隨附加應(yīng)力大小變化而變化。

根據(jù)本文算例的工程地質(zhì)勘察資料，其壓縮試驗(yàn)提供了各土層壓縮模量Es和壓縮系數(shù)a，由式1得

壓縮試驗(yàn)的加載等級(jí)p已知，各加載壓力區(qū)間的初始空隙比e0，因此得到各土層e-p曲線如圖2所示。

無(wú)側(cè)限條件下的變形模量，與有側(cè)限條件下的壓縮模量關(guān)系如下式

圖2 各土層e-p曲線圖Fig.2 e-p curves of various soil layers

式中：E0為變形模量；Es為壓縮模量；μ為泊松比。

由式2可求得各加載壓力區(qū)間起始端點(diǎn)的變形模量E0，再根據(jù)加載值便可得到各土層的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖3所示。在ANSYS中，首先在線彈性材料中定義一初始變形模量，再在非線性彈性材料中輸入各起始端點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力和應(yīng)變值，便實(shí)現(xiàn)了適合地基沉降計(jì)算的一種非線性彈性材料的定義。

考慮對(duì)稱性，建立半路基模型，模型寬度30 m，長(zhǎng)85 m，路基寬度11 m，路堤填土高3 m，地基頂面墊層厚度0.5 m，其中，模型分為3個(gè)區(qū)域，分別為攪拌樁加固區(qū)、PHC樁加固區(qū)、CFG樁加固區(qū)。攪拌樁加固區(qū)無(wú)樁帽，PHC樁加固區(qū)、CFG樁加固區(qū)有樁帽，PHC樁和CFG樁加固深度基本相同，而攪拌樁加固深度約為前兩者的一半，但攪拌樁的樁間距明顯小于PHC樁和CFG樁，地基頂面鋪設(shè)0.5 m墊層，提高墊層彈性模量以模擬格柵的作用，路堤邊坡坡度按設(shè)計(jì)文件1∶1.5，路堤填筑荷載按照自重應(yīng)力考慮如圖4所示。

圖3 各土層應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖Fig.3 Stress-strain curves of various soil layers

圖4 三種樁型長(zhǎng)度、間距模型圖Fig.4 Model of length and space in three types of pile

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

三維有限元計(jì)算結(jié)果表明，3種不同剛度樁型加固區(qū)之間存在明顯的不均勻沉降，沿路基中心線整理地基頂面的不均勻沉降曲線，如圖6所示。為了了解樁的剛度對(duì)不均勻沉降的影響，圖6中分別給出了基樁在原有模量基礎(chǔ)上增大30%和減小30%的計(jì)算結(jié)果，從圖5中可見(jiàn)，增大基樁的彈性模量對(duì)改變不均勻變形的形態(tài)意義不大。

從上述計(jì)算結(jié)果可以看出，PHC樁和CFG樁加固區(qū)之間不均勻沉降不明顯，而攪拌樁和PHC樁由于剛度差異較大，其結(jié)合部發(fā)生明顯的不均勻沉降。不均勻沉降過(guò)渡形式接近于半余弦型，可簡(jiǎn)化為兩相切的圓弧，再根據(jù)不均勻沉降控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)(如圖6所示)；而不均勻沉降的過(guò)渡長(zhǎng)度約為30 m，即相切的兩條圓弧平均每條圓弧的半弦長(zhǎng)約為15 m。

圖5 沿路基中心線三維數(shù)值分析得到的地基頂面不均勻沉降曲線圖Fig.5 Uneven settlement curve of top foundation through 3D numerical analysis along the lines of roadbed

對(duì)于不同樁型復(fù)合地基加固區(qū)結(jié)合部，采用長(zhǎng)短樁過(guò)渡段對(duì)路基不均勻沉降進(jìn)行控制，根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果不均勻沉降的過(guò)渡段長(zhǎng)度約為30 m，故長(zhǎng)短樁在過(guò)渡段的處理范圍為30 m，由于攪拌樁樁長(zhǎng)受機(jī)械限制，因此將靠近攪拌樁加固區(qū)15 m范圍內(nèi)的PHC樁樁長(zhǎng)詩(shī)經(jīng)逐漸增加到22 m。采用數(shù)值模擬方法分析，其他參數(shù)與前一模型相同。計(jì)算結(jié)果表明變樁長(zhǎng)措施對(duì)不均勻沉降有一定的控制效果，能有效增加均勻沉降過(guò)渡段的長(zhǎng)度，增加曲線半徑，提高行車的舒適性和安全性，如圖7所示。

圖6 路基面不均勻沉降過(guò)渡形式示意圖Fig.6 Transition forms of embankment surface uneven settlement

圖7 路基面不平順曲線半徑增大示意圖Fig.7 Radius increase of surface irregularity curve

4 結(jié)論

1）由于樁基剛度差異較大，其結(jié)合部位產(chǎn)生明顯的不均勻沉降，對(duì)比不同樁型的差異沉降，PHC樁與攪拌樁之間的沉降差為1.1 cm，PHC樁與CFG樁之間的沉降差為0.2 cm不均勻沉降的形式接近與半余弦型可簡(jiǎn)化為兩個(gè)相切的圓弧，三維模型不均勻沉降過(guò)渡段長(zhǎng)度為20～30 m。

2）采用長(zhǎng)短樁方式處理過(guò)渡段能起到減少不均勻沉降的作用。建議在不均勻沉降過(guò)渡段范圍內(nèi)采用長(zhǎng)短樁，由于攪拌樁樁長(zhǎng)受施工機(jī)械限制加長(zhǎng)較困難，因此將靠近攪拌樁區(qū)域15 m范圍內(nèi)的PHC裝樁長(zhǎng)實(shí)行逐漸增長(zhǎng)到22 m從而對(duì)路基不均勻沉降進(jìn)行控制。

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