傾斜基底軟土樁網(wǎng)復(fù)合地基工作機理分析

路言杰

(中國鐵路上海局集團有限公司 工務(wù)處，上?！?00071)

我國東部沿海地區(qū)廣泛分布著壓縮模量和強度均較低的深厚軟土層，其下方由于地質(zhì)構(gòu)造原因存在著不同傾斜角度的基底硬層。這類地基可稱之為傾斜基底軟土地基。在此類地基上修建高速鐵路路堤容易發(fā)生過大沉降，為改善傾斜基底深厚軟土地基的承載能力并控制地基沉降[1]，常采用樁網(wǎng)復(fù)合結(jié)構(gòu)進行加固。

在上部荷載作用下，軟土發(fā)生壓縮變形的同時會產(chǎn)生對下坡一側(cè)的較大橫向位移，易引起樁身較大的變形，從而造成地基破壞[2]。設(shè)計時通常在滿足豎向承載力條件下采用等樁長布置，導(dǎo)致不同位置處樁的樁端嵌固條件不同。因此，傾斜基底軟土樁網(wǎng)復(fù)合地基的變形特性與水平成層軟土樁網(wǎng)復(fù)合地基存在明顯差異[3-4]。目前，針對傾斜基底軟土地基的研究較少，國外設(shè)計規(guī)范也沒有相應(yīng)規(guī)定。

鑒于試驗存在成本偏高、測試內(nèi)容有限等缺陷，本文利用有限元差分軟件對杭深(杭州-深圳)高速鐵路一典型工點進行數(shù)值分析，重點探討在上部荷載作用下，傾斜基底軟土樁網(wǎng)復(fù)合地基的受力變形特性，為傾斜基底深厚軟土復(fù)合地基的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。

1　數(shù)值建模過程

1.1　工程概況

杭深高速鐵路一典型工點路堤高7.8 m，路堤頂部寬度13.4 m，路堤邊坡坡率為1∶1.5。在路堤底部鋪設(shè)1層0.5 m厚的碎石墊層，其中間包含1層抗拉強度不小于80 kN/m的土工格柵。基底斜坡的傾角為27°，地基分層土質(zhì)依次為：素填土，灰黃、褐黃色，厚度為0.8～1.3 m；淤泥，流塑狀，灰色，厚度為5.6～8.5 m；淤泥質(zhì)黏土，軟塑狀，灰色，厚度為1.3～3.0 m；粉質(zhì)黏土，軟塑狀，灰黃色；凝灰?guī)r，強風(fēng)化至中風(fēng)化，灰黃色。

1.2　數(shù)值模擬方案

采用有限差分軟件FLAC 3D進行數(shù)值模擬。本模型的地基橫斷面寬度為78.85 m，深度為24.43 m，在線路縱向延伸15 m。建模時對土層作如下簡化：素填土厚度較小且分布在地基表層，且對整個樁網(wǎng)復(fù)合地基承載力幾乎沒有影響，故將素填土和淤泥簡化成淤泥質(zhì)黏土層。淤泥質(zhì)黏土和粉質(zhì)黏土都屬于粉質(zhì)黏土類，且都是軟塑狀態(tài)，故簡化成粉質(zhì)黏土層。土體本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb模型。各層土體材料參數(shù)見表1。

土工格柵采用彈性本構(gòu)模擬，彈性模量為2 GPa，泊松比為0.3。土工格柵與碎石墊層的上下接觸面均設(shè)置接觸單元，接觸面符合Mohr-Coulomb破壞準則。接觸面摩擦角與碎石墊層材料一致，而黏聚力取0[5]。樁采用結(jié)構(gòu)單元中Pile單元模擬，彈性模量為30 GPa，泊松比為0.2，重度為25 kN/m3，本構(gòu)模型采用線彈性本構(gòu)模型，樁土之間設(shè)置接觸面，接觸面的參數(shù)計算式[6]為

(1)

表1　材料本構(gòu)模型和物理力學(xué)參數(shù)

式中：φ為與樁接觸土體的內(nèi)摩擦角；R為摩擦因數(shù)，本文取0.4[7]；c為樁接觸土體的黏聚力；ci為接觸單元的黏聚力；G為樁接觸土體的剪切模量；Gi為接觸單元的剪切模量。

由于計算結(jié)果的收斂性與土體計算模型的網(wǎng)格劃分密切相關(guān)，因此，在劃分樁附近土體單元網(wǎng)格時應(yīng)適當(dāng)加密。對于遠離樁的土體區(qū)域可適當(dāng)加寬網(wǎng)格尺寸，這樣既能保證計算結(jié)果的收斂性，又能提高計算效率。劃分網(wǎng)格后的計算模型如圖1所示。換算土柱法實際上是靜力計算，不存在動力計算中存在的地震波反射、投射等問題，所以對于邊界的設(shè)置問題較為簡單，在底部施加豎向約束的固定邊界，在四周施加法向約束的固定邊界。

圖1　劃分網(wǎng)格后的計算模型

路基在填筑過程中產(chǎn)生的沉降為施工沉降，可通過填補加高來調(diào)整，不作為控制部分。路基在鋪軌之后的沉降為工后沉降，直接關(guān)系到高速鐵路的運營和維護，是鐵路路基沉降控制的重點[8]。本文僅對運營期內(nèi)的傾斜基底樁網(wǎng)復(fù)合地基工作機理進行分析。

運營期內(nèi)路堤頂部受到的荷載包含2部分：①線路上部結(jié)構(gòu)的重量作用在路基面上的荷載，即為軌道荷載；②列車荷載。目前鐵路路基設(shè)計規(guī)范考慮荷載的影響時，建議用換算土柱來代替軌道和列車荷載，即通常所說的換算土柱法[9]。將土柱高度引起的荷載換算成面力施加在路堤表面，面力值為54 kN/m2。

在實際工程中，天然土層被認為已固結(jié)沉降完畢，在此基礎(chǔ)上進行CFG樁施工、加筋墊層鋪設(shè)和路堤填筑。因此在后續(xù)分析時，需要將已經(jīng)固結(jié)沉降完成的原狀土應(yīng)力狀態(tài)作為后續(xù)施工的初始狀態(tài)。在模擬施工過程之前，首先進行地應(yīng)力平衡，保留應(yīng)力場，清除位移。隨后分別通過激活樁單元、加筋墊層和路堤進行樁基礎(chǔ)、加筋墊層和路堤的施工模擬，并清除位移場，保留應(yīng)力場，隨后激活路堤表面荷載進行運營期內(nèi)傾斜基底樁網(wǎng)復(fù)合地基的計算分析。

1.3　監(jiān)測點布置

本次數(shù)值分析的研究對象為路堤的變形和位移、樁的應(yīng)變和位移、樁間土的位移，故監(jiān)測點的布置主要在路堤中部橫斷面，如圖2所示。

圖2　監(jiān)測點布置

路堤頂部和底部的左、中、右側(cè)分別布置1個監(jiān)測點，墊層的左、中、右側(cè)分別布置1個監(jiān)測點，用以監(jiān)測路堤頂部和底部、墊層底部的左側(cè)、中部和右側(cè)的豎向和橫向位移。選取4根平臺樁、3根斜坡樁和3根懸浮樁，分別沿樁身均勻布置5個監(jiān)測點(對應(yīng)的高度分別為1.00,0.75,0.50,0.25,0倍樁身相對高度)，用以監(jiān)測樁身的彎矩分布規(guī)律。在上述選取的10根樁的右側(cè)樁間土中沿深度均分別布置3個監(jiān)測點(對應(yīng)的高度分別為0.75,0.50,0.25倍樁身相對高度)，用以監(jiān)測樁間土的橫向位移。

2　計算結(jié)果分析

2.1　位移分析

定義與圖1中坐標軸的正向一致的位移方向為正向。表2為路堤頂部、路堤底部、墊層底部的左側(cè)、中部和右側(cè)的水平位移和豎向位移。

由表2可知，在上部荷載作用下，由于下部軟土的壓縮變形路堤整體發(fā)生沉降，路堤頂部的沉降大于路堤底部，說明路堤存在著不可忽視的壓縮。在路堤頂部，中部沉降最大，右側(cè)沉降次之，左側(cè)沉降最小。比較墊層底部和路堤頂部的豎向位移可以看出，路堤頂部左右側(cè)的沉降差明顯小于墊層底部，說明即使地基土表面發(fā)生不均勻沉降，通過加筋墊層和路堤填料的調(diào)節(jié)能夠明顯減小地基不均勻沉降對路堤頂部的影響。路堤底部右側(cè)的豎向位移小于墊層底部的原因可能是墊層底部隨地基土的沉降而發(fā)生沉降，由于樁和路堤均會發(fā)生橫向位移，會使得路堤底部測點恰好位于樁上方，樁土剛度差使得樁土間出現(xiàn)較明顯沉降差。該處受到樁的支撐從而沉降較墊層底部測點的豎向位移偏小。

表2　路堤的水平位移和豎向位移　mm

分析路堤不同位置處的橫向位移可知，路堤右側(cè)均發(fā)生明顯向右的橫向位移，路堤底部最為明顯。路堤頂部整體發(fā)生向右的橫向位移，因此在運營期內(nèi)，應(yīng)注意對路堤的橫向偏移的監(jiān)測，以便及時地進行路堤糾偏，保證路堤的穩(wěn)定性。

圖3為樁和地基土表面的沉降分布曲線，其中樁頂測點有25個，分別位于每根樁的樁頂，地基土表面的測點有26個，最左側(cè)測點(第1個測點)布置在第1根樁的左側(cè)，25根樁間各布置1個(共計24個)，最右側(cè)測點(第26個測點)布置在第25根樁的右側(cè)。可知，樁頂沉降和地基土表面沉降均關(guān)于路堤中心不對稱，右側(cè)的沉降大于左側(cè)，樁頂沉降和地基土表面沉降的最大值均出現(xiàn)在路堤中心偏右側(cè)2倍樁間距，且樁土沉降差最大值也出現(xiàn)在路堤中心偏右側(cè)2倍樁間距，右側(cè)沉降差大于左側(cè)。

圖3　樁頂和地基土表面的沉降分布

圖4　樁-土相對橫向位移

樁-土相對橫向位移見圖4?？芍?，樁土之間發(fā)生相對位移且樁身位移減去土位移為負，說明土相對于樁發(fā)生向右的位移。對于平臺樁而言，樁身發(fā)生水平向左的橫向位移，斜坡樁和懸浮樁發(fā)生水平向右的橫向位移，因而對于平臺樁而言，樁間并未發(fā)生繞樁流動，而對于斜坡樁和懸浮樁而言，樁間土發(fā)生明顯的繞樁流動。原因是樁土的剛度和彈性模量相差過大，樁身對土體的切割作用明顯，土體發(fā)生繞樁流動。

2.2　樁身的受力

選取4根平臺樁、3根斜坡樁和3根懸浮樁進行樁身受力分析，各樁的樁身內(nèi)力分布見圖5。

圖5　樁身內(nèi)力分布

由圖5可知，1#,2#和3#平臺樁的樁身彎矩分布基本一致，但第4#平臺樁與前3根平臺樁的樁身彎矩分布明顯不同，且與斜坡樁和懸浮樁的樁身彎矩分布基本一致，說明樁身彎矩分布與樁的位置和樁端嵌固條件密切相關(guān)。樁身彎矩最大值主要出現(xiàn)在0.5～0.7倍樁身高度范圍。斜坡樁的樁身彎矩明顯較平臺樁和懸浮樁偏小，原因是斜坡樁靠近路堤中心，主要承擔(dān)上部荷載的豎向作用，其受到的橫向推力較小。平臺樁的樁身彎矩峰值的大小順序為：1#>2#>3#>4#，說明對于平臺樁而言，隨著離路堤中心的距離越近，樁身彎矩峰值越來越小且彎矩峰值的分布規(guī)律也發(fā)生明顯變化。斜坡樁的樁身彎矩峰值的大小順序為：5#<6#<7#，具體表現(xiàn)為距離路堤中心越近，樁身彎矩峰值越大。懸浮樁的樁身彎矩峰值的大小順序為：9#>8#>10#，說明對于懸浮樁而言，隨著距路堤中心的距離越大，樁身彎矩峰值先增大后減小。原因是距路堤中心較近時樁身主要承擔(dān)豎向荷載，其受到的橫向推力較小，其樁身彎矩較小；距路堤中心較遠時樁身受上部荷載影響較小，其樁身彎矩也較小。樁身剪力反彎點出現(xiàn)在土層分界面附近，且4#平臺樁由于靠近路堤中心，其彎矩沿樁身分布規(guī)律與斜坡樁類似。

本文計算得到的樁身彎矩和剪力分布與一些國外學(xué)者關(guān)于樁身受到土體橫向運動影響的結(jié)論[10-11]基本一致。這種分布是由于樁端受持力層的約束較大，而樁身中上部的地基軟土橫向運動要大于樁身中下部。這表明傾斜基底樁網(wǎng)復(fù)合地基的樁在承擔(dān)豎向荷載同時還受到地基土橫向運動的明顯影響，在設(shè)計中應(yīng)給予考慮。

圖6　土工格柵的位移分布

2.3　土工格柵應(yīng)變分布規(guī)律

從左至右在土工格柵上布置24個監(jiān)測點，且監(jiān)測點均位于樁間中部的土工格柵，用以監(jiān)測土工格柵的位移和應(yīng)力。圖6為土工格柵的橫向和豎向位移分布規(guī)律，其中，向右的橫向位移和向上的豎向位移為正。由圖6可知，土工格柵的左側(cè)發(fā)生向左的橫向位移，右側(cè)發(fā)生向右的橫向位移，土工格柵受到明顯的拉伸作用。土工格柵隨著地基的壓縮發(fā)生沉降，從左至右土工格柵的沉降呈現(xiàn)出一個關(guān)于路堤中心非對稱的“沉降盆”。土工格柵最大豎向位移出現(xiàn)在路堤中心偏向右側(cè)約2倍樁間距處。

圖7為土工格柵的拉力分布。可知，土工格柵各處均發(fā)生明顯的拉伸，其中土工格柵的拉力分布呈現(xiàn)出關(guān)于路堤中心非對稱的“沉降盆”，最大拉力與最大豎向位移出現(xiàn)位置一致。土工格柵右側(cè)的拉力明顯大于左側(cè)，這是由于右側(cè)樁土沉降差大于左側(cè)導(dǎo)致的。

圖7　土工格柵的拉力分布

3　結(jié)論

采用數(shù)值分析方法對運營荷載作用下杭深高速鐵路一工點的傾斜基底樁網(wǎng)復(fù)合地基受力變形特性進行分析，得出如下結(jié)論：

1)路堤頂部發(fā)生明顯的不均勻沉降和橫向位移；在路堤同一高度處，路堤中部沉降最大，路堤右側(cè)沉降次之，路堤左側(cè)沉降最小。路堤頂部左右側(cè)的沉降差明顯小于墊層底部，加筋墊層和路堤填料的調(diào)節(jié)能夠明顯減小地基發(fā)生不均勻沉降對路堤頂部的影響。

2)樁頂沉降和地基土表面沉降均關(guān)于路堤中心不對稱，右側(cè)的沉降大于左側(cè)，樁頂沉降和地基土表面沉降的最大值均出現(xiàn)在路堤中心偏右側(cè)約2倍樁間距處。

3)斜坡樁和懸浮樁的樁間土發(fā)生明顯的繞樁流動，而平臺樁的樁間土無此現(xiàn)象。

4)樁身彎矩分布與樁的位置和樁端嵌固條件密切相關(guān)。距離路堤中心越近平臺樁的樁身彎矩峰值越小，懸浮樁的樁身彎矩峰值越小；隨著距路堤中心的距離加大，懸浮樁的樁身彎矩峰值先增大，隨后減小。

5)土工格柵的沉降和拉力呈現(xiàn)出一個關(guān)于路堤中心非對稱的“沉降盆”，右側(cè)大于左側(cè)；土工格柵的最大豎向位移和最大拉力均出現(xiàn)在路堤中心偏向右側(cè)約2倍樁間距處。

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