無(wú)碴軌道復(fù)合路基墩式碎石注漿樁沉降研究

夏　曦　李　博

(1.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司　武漢　430056;　2.中國(guó)鐵建十一局集團(tuán)有限公司　武漢　430000)

無(wú)碴軌道復(fù)合路基墩式碎石注漿樁沉降研究

夏曦1李博2

(1.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司武漢430056;2.中國(guó)鐵建十一局集團(tuán)有限公司武漢430000)

摘要墩式碎石注漿樁是在柔性路堤載荷條件下對(duì)碎石注漿樁技術(shù)進(jìn)一步改進(jìn)的一種復(fù)合路基，在樁頂、樁底形成擴(kuò)大頭，改善樁土受力性能，減少?gòu)?fù)合地基沉降。無(wú)碴軌道路基工后沉降要求嚴(yán)格，文中對(duì)無(wú)碴軌道高鐵路基墩式碎石注漿樁加固作用機(jī)理進(jìn)行分析，用有限元 ABAQUS 程序?qū)τ蔁o(wú)碴軌道板、碎石注漿樁等組成的復(fù)合路基的樁體荷載傳遞規(guī)律、樁體與土體變形特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明墩式注漿樁可用于無(wú)碴軌道路基，對(duì)減少?gòu)?fù)合路基沉降具有明顯效果。

關(guān)鍵詞墩式碎石注漿樁無(wú)碴軌道復(fù)合路基沉降

在高速鐵路中，無(wú)碴軌道以其整體性強(qiáng)，穩(wěn)定性好，堅(jiān)固耐用，軌道變形小，且變形累積緩慢等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用[1]。但無(wú)碴軌道線路狀態(tài)的調(diào)整只能通過(guò)扣件系統(tǒng)進(jìn)行，對(duì)路基沉降控制非常嚴(yán)格，要求路基工后沉降一般不超過(guò)扣件允許的沉降調(diào)高量15 mm[2]。作為一種新型復(fù)合樁基技術(shù)，碎石注漿樁不僅具有一般剛性樁的樁體置

換作用，而且能改善樁周土的力學(xué)性質(zhì)，從而可有效地提高復(fù)合地基的承載力及減小沉降變形[3]。本文通過(guò)對(duì)碎石注漿樁進(jìn)行改進(jìn)，結(jié)合復(fù)合地基荷載傳遞規(guī)律及變形特點(diǎn)，對(duì)墩式碎石注漿樁構(gòu)造及施工進(jìn)行了介紹，并采用ABAQUS程序,通過(guò)有限元方法分析由無(wú)碴軌道板、墩式碎石注漿樁等組成的復(fù)合路基的樁土沉降特性。

1墩式碎石注漿樁施工方法及特點(diǎn)

碎石注漿樁近年來(lái)有很大的發(fā)展，在高速公路的地基處理中已得到廣泛應(yīng)用，很好地發(fā)揮了它的優(yōu)點(diǎn)。墩式碎石注漿樁，是對(duì)碎石注漿樁在構(gòu)造上進(jìn)行了改進(jìn)，更有效地提高了復(fù)合地基的承載力及減小沉降變形。其主要構(gòu)造及施工方法為：

(1) 在樁體下端投放高稠度微膨脹注漿液[4]，漿液對(duì)樁端土層和樁端附近的樁周土層起到滲透、填充、置換、劈裂、壓密及固結(jié)或多種形式的組合作用，改變其物理力學(xué)性能。漿液壓密松散土體并形成微擴(kuò)大頭，增加了樁端承壓面積，從而提高樁的承載力[5]。

(2) 通過(guò)在樁頂沿45°斜面開(kāi)挖，形成一個(gè)倒錐形的擴(kuò)大墩頭，因墩頭的作用及土拱效應(yīng)，樁身能承擔(dān)更多的上部土體的荷載，提高了樁體的荷載分擔(dān)比，同時(shí)防止樁體向上刺入，減弱樁頂應(yīng)力集中。

2計(jì)算模型

為了解墩式碎石注漿樁復(fù)合結(jié)構(gòu)在路堤等柔性荷載作用下的應(yīng)力分布和沉降規(guī)律，結(jié)合某一典型的地層情況， 建立路堤半斷面模型，分析地基中荷載傳遞情況及沉降規(guī)律。

2.1　幾何模型

某客運(yùn)專(zhuān)線設(shè)計(jì)時(shí)速高達(dá)350 km，路基結(jié)構(gòu)要求采用多層結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，從上至下依次為混凝土支承層、級(jí)配碎石層、換填A(yù)、B填料層、碎石墊層和地基層。路基頂面寬13.6 m，線間距5 m，路堤邊坡為1∶1.5。無(wú)渣軌道板選用CRTS II，軌道板采用C55混凝土，標(biāo)準(zhǔn)板長(zhǎng)6.45 m，寬2.55 m，厚0.2 m，為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)?；炷林С?/p>

層頂面寬度為2.95 m，底面寬度為3.25 m，厚度為0.3 m。具體幾何模型見(jiàn)圖1。墩式碎石注漿樁樁徑取0.5 m，樁長(zhǎng)15 m。樁頂墩頭頂面1.1 m，厚0.5 m。樁底擴(kuò)大頭假定為半球形，其半徑一般取比漿液擴(kuò)散區(qū)大0.2 m。地基層為簡(jiǎn)化的15 m厚淤泥質(zhì)粘土層，其下為粉質(zhì)粘土層。

圖1　路基半斷面示意圖(尺寸單位：m)

因路基為條帶狀結(jié)構(gòu)，橫向尺寸與沿線路的縱向相比較小，因此建模時(shí)可考慮對(duì)稱(chēng)性。為了減少計(jì)算單元，在橫向上取地基和路基結(jié)構(gòu)的右半部分進(jìn)行分析。地基計(jì)算考慮范圍，在深度方向上取40 m，大于加固體高度的2倍，橫向方向取30 m，超過(guò)路基底面寬度的2倍；邊界約束條件為：在地基土的下部邊界因遠(yuǎn)離樁體，荷載影響甚微，視為無(wú)位移的固定邊界，中心對(duì)稱(chēng)面和側(cè)面各節(jié)點(diǎn)限制水平位移。地基底部及兩側(cè)為不透水邊界，地表設(shè)為透水邊界。地下水位在地下2 m處。

2.2　本構(gòu)關(guān)系

在計(jì)算中針對(duì)不同材料采用了不同本構(gòu)模型，以反映材料應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)的差異性。其中，軌道板、混凝土支承層及碎石注漿樁采用線彈性模型；路基土、級(jí)配碎石層及碎石墊層采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型參數(shù)如表1所示；軟土地基的粘土、淤泥及漿液加固土Drucker-Prager理想彈塑性模型參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　模型參數(shù)

2.3　模型加載

在路堤、軌道結(jié)構(gòu)及列車(chē)荷載產(chǎn)生的附加應(yīng)力的作用下，軟土地基呈現(xiàn)弱滲透性，其變形過(guò)程一般較長(zhǎng)，表現(xiàn)為工后沉降或不均勻沉降過(guò)大。本文采用ABAQUS中的固結(jié)分析步來(lái)模擬整個(gè)模型在施工期與10年運(yùn)營(yíng)期的固結(jié)狀況[6]。為模擬實(shí)際填筑及預(yù)壓施工過(guò)程，在計(jì)算中考慮分級(jí)施加路堤和軌道結(jié)構(gòu)荷載，采用ABAQUS中的時(shí)間步令來(lái)控制路堤和軌道分級(jí)加載情況，將路堤結(jié)構(gòu)總共分7層進(jìn)行數(shù)值模擬，每層高度依次為0.5，0.62，0.62，0.62，0.62，0.62，0.4 m。每一層的填筑期為15 d,施工間歇期為15 d，路堤整個(gè)填筑期為210 d；路堤填筑完的預(yù)壓期為180 d，預(yù)壓結(jié)束后鋪設(shè)混凝土支承層及軌道板，鋪軌180 d后進(jìn)入運(yùn)營(yíng)期。

對(duì)于軌道結(jié)構(gòu)和列車(chē)荷載對(duì)地基沉降的影響，《規(guī)范》[2]中將列車(chē)荷載作為靜荷載處理，把列車(chē)荷載和軌道重量等效成分布在路基面中心的一土柱。本文則將其等效為軌道板上的均布荷載，見(jiàn)圖1，其中P1為鋼軌、扣件等換算得到的均布荷載，P2為列車(chē)換算得到的均布荷載。在路堤荷載作用下的樁與樁間土之間有著相對(duì)的變形，樁土接觸關(guān)系非常復(fù)雜，不可能很精確地模擬，而ABAQUS中constrains自帶的tie命令可以較滿(mǎn)意地實(shí)現(xiàn)樁與樁間土之間的接觸狀況[7]。

3計(jì)算結(jié)果及分析

3.1　墩式碎石注漿樁加固效果

為說(shuō)明墩式碎石注漿樁的加固效果，分別建立無(wú)樁與有樁的模型。圖2為未加樁時(shí)的最終沉降云圖。圖3是在樁間距2 m，注漿區(qū)0.2 m條件下路基的最終沉降云圖，從圖中的數(shù)據(jù)可以看出路基中心沉降較大，按照本文所取深度和橫向方向來(lái)看，這2個(gè)方向末端沉降均已可忽略，證明所選取這2個(gè)數(shù)值合理，對(duì)計(jì)算結(jié)果無(wú)太大影響。

圖2　路基(未加樁)總沉降云圖

圖3　路基(加樁后)總沉降云圖

對(duì)比圖2與圖3，可以看出，打樁后的地基沉降量小，總沉降由161.5 mm減小到加固后的30.4 mm，路基底面中點(diǎn)的工后沉降則由34.7 mm減小到8.7 mm，滿(mǎn)足無(wú)碴軌道的工后沉降要求。而且沉降變形比較集中，說(shuō)明應(yīng)用墩式注漿碎石樁處理軟土地基取到了較好的效果，但同時(shí)沉降的影響深度也有所增加。在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要注意這個(gè)問(wèn)題，應(yīng)選擇合適的影響深度進(jìn)行沉降及承載力的驗(yàn)算。在本文的地質(zhì)條件下打樁后影響深度為2個(gè)樁長(zhǎng)左右。

3.2　樁頂墩頭及樁底擴(kuò)大頭作用

為了說(shuō)明墩式注漿樁與普通碎石注漿樁的不同之處，在其他條件相同情況下分別建立模型。結(jié)果如圖4所示，當(dāng)加固區(qū)土的彈性模量為4.941 MPa時(shí)，墩式注漿樁路堤中樁樁頂?shù)墓で俺两怠⒖偝两岛凸ず蟪两递^普通碎石注漿樁分別減小了1.16 mm，1.46 mm，0.31 mm，說(shuō)明樁頂墩頭及樁底擴(kuò)大頭可以有效降低總沉降，但對(duì)減小工后沉降作用有限。若將加固區(qū)土的彈性模量減小到1 MPa，則分別減小了2.21,2.95,0.74 mm。這是因?yàn)閺?fù)合地基主要作用是減少加固區(qū)的沉降，通過(guò)樁將路堤荷載傳到下臥層。當(dāng)加固區(qū)彈性模量較小時(shí)，可通過(guò)加墩頭，提高樁土應(yīng)力比，減小路基總沉降和工后沉降。

圖4加固區(qū)彈性模量對(duì)沉降的影響圖5加固區(qū)頂面的沉降曲線圖6加固區(qū)底面的沉降曲線3.3漿液擴(kuò)散區(qū)置換率

樁頂墩頭及樁底擴(kuò)大頭的另一個(gè)主要作用是減小樁頂?shù)纳洗毯蜆兜椎南麓獭D5為加固區(qū)頂面的沉降曲線。由圖5可見(jiàn)，沉降曲線基本呈盆狀，其中曲線波峰為樁頂?shù)某两?，曲線波谷處為樁間土的沉降，表現(xiàn)為樁頂向上刺入。距離路基中心的距離越大，樁間土和樁的沉降越小，樁土差異沉降越小。在路基中部所受的荷載較大，樁頂刺入明顯，而在加了墩頭后，刺入量明顯減少且總沉降量也有所減小。圖6為加固區(qū)底面的沉降，其中曲線波谷為樁頂?shù)某两?，曲線波峰為樁間土的沉降，表現(xiàn)為樁底向下刺入。由于樁底擴(kuò)大頭的存在，使樁底承壓面積增大，應(yīng)力發(fā)散，樁的下刺量大大減少。

漿液通過(guò)滲透膠結(jié)等綜合作用形成漿液擴(kuò)散區(qū)，可以有效改善樁周土的力學(xué)性質(zhì)。漿液擴(kuò)散區(qū)置換率為漿液擴(kuò)散區(qū)面積與加固區(qū)面積之比。圖7為路堤在樁間距2 m時(shí)，路基中樁樁頂及樁間土的沉降隨置換率的變化圖?？梢钥吹诫S著注漿擴(kuò)散區(qū)增大，沉降顯著減小。且樁間土的沉降規(guī)律與樁頂沉降規(guī)律一致。注漿樁復(fù)合地基由樁、漿液擴(kuò)散區(qū)和樁間土共同承擔(dān)荷載[8]。樁土應(yīng)力比、漿土應(yīng)力比(漿液擴(kuò)散區(qū)的應(yīng)力與樁間土的應(yīng)力比值)這2個(gè)參數(shù)隨漿液擴(kuò)散區(qū)置換率變化規(guī)律見(jiàn)圖8，在樁間距2 m的條件下，樁土應(yīng)力比隨漿液擴(kuò)散區(qū)置換率的增大有所減小，而漿土應(yīng)力比只是略微下降。

圖7　漿液擴(kuò)散區(qū)置換率對(duì)沉降的影響

圖8　漿液擴(kuò)散區(qū)置換率對(duì)應(yīng)力比的影響

3.4　樁間距的影響

本文分別計(jì)算了樁間距2，2.5，3，4 m 4種工況。路基中樁樁頂和樁周土總沉降隨樁距的變化規(guī)律見(jiàn)圖9，隨著樁間距提高，樁和樁間土的沉降隨之增大，但樁間土的沉降明顯要大于樁。在樁間距3，4m這2種工況下，樁土沉降差異更明顯。實(shí)際工程中應(yīng)避免樁間距過(guò)大[9]。

圖9　樁間距對(duì)沉降的影響

計(jì)算結(jié)果還表明樁土應(yīng)力比、漿土應(yīng)力比隨樁間距的變化規(guī)律為：隨著樁間距的增大，樁間土承擔(dān)的應(yīng)力逐漸增大，即樁土應(yīng)力比減小。但漿土應(yīng)力比只是略有減小。從路基中樁樁頂在各種樁間距下不同漿液擴(kuò)散半徑的工后沉降對(duì)比看出：樁間距2 m，漿液擴(kuò)散半徑0.2 m與樁間距2.5 m，漿液擴(kuò)散半徑0.4 m這2種工況下，工后沉降幾乎相等，實(shí)際設(shè)計(jì)中從經(jīng)濟(jì)的角度，可選用后者。

4結(jié)論

(1) 墩式碎石注漿樁是根據(jù)樁土特別是樁上下端與土體作用特點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)的，符合無(wú)碴軌道軟土路堤中樁土作用特性，加固效果理想。

(2) 墩式碎石注漿樁的樁頂墩頭提高了樁體荷載分擔(dān)比，避免樁頂發(fā)生刺入破壞。樁底擴(kuò)大頭可以提高樁的承載力，減小樁底的刺入量。尤其是在加固層的彈性模量較小時(shí)設(shè)置墩頭及擴(kuò)大頭，加固效果更為理想。

(3) 在本文地質(zhì)條件下，樁間距2 m，漿液擴(kuò)散半徑0.2 m與樁間距2.5 m，漿液擴(kuò)散半徑0.4 m這2種工況加固效果相近，說(shuō)明當(dāng)漿液擴(kuò)散半徑較大時(shí)，可適當(dāng)增大樁間距。

(4) 在樁的設(shè)計(jì)過(guò)程中，當(dāng)樁長(zhǎng)一定的情況下，可以綜合考慮樁間距與漿液擴(kuò)散區(qū)置換率這2個(gè)設(shè)計(jì)因素，得出較優(yōu)的方案。

參考文獻(xiàn)

[1]肖宏.高速鐵路無(wú)碴軌道樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)路基研究[D].成都: 西南交通大學(xué),2007.

[2]鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院.新建時(shí)速300～350 km客運(yùn)專(zhuān)線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定(上)，鐵建設(shè)[2007]47號(hào)[S]．北京：中國(guó)鐵道出版社，2007.

[3]左威龍，劉漢龍，陳永輝.漿固碎石樁成樁注漿影響范圍現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué)，2006，29(12):3329-3332.

[4]COSTAS A.Anagnstopoulous. Cement-clay grouts modified with acrylic resin or methyl methacrylate ester: Physical and mechanical properties. Construction and Building Materials[J].2007(21):252-257.

[5]POULOS H G. Analysis of piles vintage soil undergoing lateral movement[J]. JSMFD,ASCE,1973,99(SM5)：391-406.

[6]Hibbit, Karlsson & Sorensen. ABAQUS Analysis User’s Manual, HKS INC.2005.

[7]楊慶剛,黃曉明.分級(jí)加載條件下粉噴樁聯(lián)合土工格柵加固軟基的數(shù)值模擬[J].公路交通科技,2008,25(2):34-39.

[8]刑恩達(dá).注漿樁復(fù)合地基加固機(jī)理及承載特性研究[D].南京：河海大學(xué)，2005.

[9]QIU HONGSHENG,CHEN JIANMEI, LI MEI. Numerical Analysis of Settlement of Composite Foundation Reinforced with Crushed Stone Grouting Pile and Rigid Bearing Plate[J].Journal of Southwest Jiaotong University(English Edition) Vol 18 No. 2 Apr.2010,99-106.

Study on the Settlement of the Frusta-like Crushed Stone Grouting

Pile with Ballastless Track Slab Composite Foundation

XiaXi1，LiBo2

(1.CCCC Second Highway Consultants Co.,Ltd., Wuhan 430056, China;

2.Chinese Railway Construction 11 Burequ Croup Co.,Ltd., Wuhan 430000,China)

Abstract：Frusta-like crushed stone grouting pile is a new composite soft-base processing technology developed on the basis of crushed stone grouting pile, with a transformation of pile heads into pier heads and a transformation of pile bottoms into enlarged ones, which can improve the mechanical properties of pile and soil and reduce composite foundation settlement. Ballastless track railway must meet the strict requirement of ground post-construction settlement. In this paper, the technology of frusta-like crushed stone grouting pile is applied into the foundation of high-speed railway of ballastless track, of which the mechanism was analyzed. Also, through ABAQUS package, the characteristics of settlement of the pile and the soil, as well as the transmission pattern of load of composite foundation borne with frusta-like crushed stone grouting pile with ballastless track slab were analyzed. All the above results lead to a conclusion, that frusta-like grouting pile can be used into the foundation of high-speed railway of ballastless track and has a significant effect on reducing composite foundation settlement.

Key words:frusta-like crushed stone grouting pile; roadbed of ballastless track; composite foundation; post-construction settlement

收稿日期：2015-04-19

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.03.036