并線高速鐵路路基隔離樁隔離效果的影響因素

李帆 周寶岐 郭帥杰 黃海新

（1.河北工業(yè)大學土木與交通學院，天津 300401；2.中國鐵路設(shè)計集團有限公司，天津 300251）

隨著鐵路建設(shè)的增加，臨近既有高速鐵路的新建高速鐵路工程越來越多。TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》要求無砟軌道路基工后沉降不宜超過15 mm。特別是在地質(zhì)較差地區(qū)，新建高速鐵路路基荷載和列車荷載引起的地基附加應(yīng)力可能直接導致臨近既有高速鐵路沉降超標，影響既有線路軌道的平順性及行車安全。因此，為保護既有高速鐵路，須在新建高速鐵路和既有高速鐵路之間合理位置布置隔離樁［1］。

鄭鳳先［2］通過Plaxis 軟件數(shù)值模擬分析了隔離樁的樁長、位置、剛度對鄰近建筑物差異沉降的影響。黃然明［3］研究了深基坑開挖過程中隔離樁的工作機理，分析了隔離樁的樁長、位置、結(jié)構(gòu)、樁間距對隔離效果的影響。龐梅［4］主要研究新建跨線橋橋基荷載對鄰近既有高速鐵路產(chǎn)生的附加影響，隨著樁長增加隔離樁的阻隔能力增加，樁排數(shù)及其處理長度對高速鐵路路基附加沉降的隔離效果有限并且超過一定值后隔離效果增加不明顯。竺明星等［5］通過室內(nèi)模型試驗研究了控制邊載作用下隧道基礎(chǔ)沉降的隔離樁樁長、樁間距、樁徑、位置對隔離作用的影響。梁偉［6］在一條高速鐵路無砟軌道路基幫寬設(shè)計方案優(yōu)化中，利用ABAQUS 軟件研究了隔離樁控制既有路基附加沉降的效果，結(jié)果表明隔離樁可減小既有路基附加沉降30%左右；隔離樁樁長越大，其控制既有線路基整體沉降的能力越強；隨著并線高速鐵路凈距的減小，隔離樁對既有路基附加沉降的隔離效果減弱。

由于樁土相互作用的復(fù)雜性，大部分研究通過數(shù)值模擬方法開展。實際工程中，部分施工單位根據(jù)工程經(jīng)驗在并線高速鐵路之間進行隔離樁布置和施工，缺乏完整的隔離樁設(shè)計理論。有些工程項目中采用隔離樁取得了良好的隔離效果，有些則并不理想。本文依托魯南高速鐵路曲阜東站聯(lián)絡(luò)線接軌工程，采用ABAQUS 軟件建立有限元模型，分析隔離樁的樁長、樁徑、樁間距、排數(shù)對既有路基附加沉降隔離效果的影響，得出相應(yīng)的并線高速鐵路隔離樁設(shè)計建議。

1 工程概況

新建魯南高速鐵路從南夏宋線路所引出的上行聯(lián)絡(luò)線先后上跨魯南高速鐵路與京滬高速鐵路的正線，并接入既有京滬高速鐵路曲阜東站上行線。既有路基填高為3～5 m，地基采用CFG 樁加固，正方形布置，樁徑0.5 m，樁間距2.0 m，樁長30 m。新建上行聯(lián)絡(luò)線預(yù)設(shè)計路堤填土高度3～4 m，采用預(yù)應(yīng)力混凝土管樁筏復(fù)合地基，樁徑0.5 m，樁間距2.0 m，樁長30 m。

魯南高速鐵路曲阜東站地處沖洪積平原，地勢平坦，主要地基土層有軟土、粉質(zhì)黏土、中砂和黏土。其中0～9 m軟土層呈軟塑狀，以粉質(zhì)黏土為主，局部夾黏土、粉土薄層，為主要不良地層。根據(jù)魯南高速鐵路的地質(zhì)報告，典型斷面的土層參數(shù)物理力學性質(zhì)指標見表1，路基和地基處理材料參數(shù)見表2。

表1 典型斷面土層物理力學性質(zhì)指標

表2 路基和地基處理材料參數(shù)

2 數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模型的建立

采用ABAQUS 軟件建立魯南高速鐵路典型斷面地基與路基模型，取路基高度為4 m，邊坡坡度1：1.5，路面寬度14 m，新建高速鐵路和既有高速鐵路凈距6 m。地基采用CFG樁加固，樁徑0.5 m，樁間距2.0 m，樁長30 m。為了研究隔離樁對既有高速鐵路附加沉降的影響，路基填料采用普通路堤填土，隔離樁采用鉆孔灌注樁［2-3］。高速鐵路無砟軌道列車荷載分布寬度3.1 m，軌道單位荷載13.7 kPa，列車荷載40.4 kPa，總荷載強度54.1 kPa。

為保證計算模型的收斂性和準確性，根據(jù)路基荷載和列車荷載的影響范圍，兩線坡腳向外延伸40 m，無砟軌道鐵路復(fù)合地基深度以下壓縮層的計算深度按照等代實體基礎(chǔ)法中變形比法計算為29 m，因此取地基厚度60 m?？v斷面根據(jù)樁間土中心兩側(cè)的對稱性取雙樁加固影響范圍進行分析［7］，不僅能夠?qū)堕g距、排數(shù)等影響隔離樁隔離效果的因素進行數(shù)值模擬，而且把高速鐵路復(fù)合路基結(jié)構(gòu)的三維群樁數(shù)值模型簡化為三維雙排樁模型，保證模型計算準確性的同時極大程度上簡化了計算分析的工作量。有限元分析模型如圖1所示。

圖1 有限元計算模型

數(shù)值分析中的地基土層彈性模量通常取壓縮模量的 2～5 倍［8-9］。本次研究通過數(shù)值模擬試算，取 3.7倍壓縮模量作為彈性模量。復(fù)合地基中樁土剛度差異較大，在上部路基荷載和列車荷載作用下可能產(chǎn)生較大的剪切變形，故模型中采用樁土接觸面單元進行模擬。樁側(cè)與土體采用表面與表面接觸，對于接觸面相互作用力學模型，切向模型選擇罰函數(shù)，摩擦因數(shù)按照公式tan（0.65φ）取值［10］，并按照地層厚度加權(quán)取平均值，經(jīng)計算側(cè)摩力系數(shù)為0.2。法向行為選擇硬接觸。樁頂和混凝土板采用綁定（tie）約束。

模型網(wǎng)格劃分時，對路基本體、樁和地基處理樁側(cè)部分土體進行加密，遠離路基和樁身的土體區(qū)域網(wǎng)格設(shè)置單精度偏移。根據(jù)結(jié)構(gòu)的對稱性，地基土體模型的橫向邊界設(shè)為x、y方向約束，底邊邊界設(shè)為x、y、z方向約束。路基及樁有限元網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 模型網(wǎng)格劃分

數(shù)值模型建立和分析計算過程中，基本假定為：①在路堤荷載作用下，樁被視為各向同性彈性體，土體服從Mohr-Coulomb 非線性彈塑性變形規(guī)律；②考慮初始應(yīng)力場，初始位移為0，不考慮打樁的施工過程；③填土瞬時加載，分析過程中樁土之間的摩擦因數(shù)保持不變，不考慮復(fù)合地基在荷載作用下的時間效應(yīng)［11］，并假定在整個加載過程中產(chǎn)生的超孔隙水有足夠的時間消散；④應(yīng)用總應(yīng)力原理進行分析，即不考慮地下水影響，不考慮滲流問題，不考慮固結(jié)沉降變形等中間過程，只關(guān)注和分析最終的沉降變形。

2.2 模型適用性驗證

宋緒國等［12］針對數(shù)值模擬能夠準確模擬復(fù)雜荷載和加固地基條件下的沉降變形，但由于數(shù)值模型參數(shù)取值范圍大，存在邊界條件差異等因素導致的計算結(jié)果差別較大。當荷載條件和邊界條件相當時，地層附加應(yīng)力分布趨于一致，因此提出了一種基于數(shù)值模型附加應(yīng)力提取的有限元分層總和法。首先應(yīng)用數(shù)值模型進行并線高速鐵路復(fù)雜工況數(shù)值模擬并計算，提取新建高速鐵路對既有高速鐵路不同位置處的附加應(yīng)力；然后采用地基土壓縮模量和復(fù)合地基復(fù)合模量，通過規(guī)范修正方法計算既有高速鐵路的附加沉降。該方法已經(jīng)成功應(yīng)用于京滬高速鐵路一處高速鐵路站的沉降評估，滿足并線高速鐵路的附加沉降評估要求。

將數(shù)值模擬計算得到的相應(yīng)位置附加沉降與通過有限元分層總和法計算得到的結(jié)果進行對比，見圖3。可知，數(shù)值模擬與有限元分層總和法得出的結(jié)果相差0.76～1.43 mm，可見二者數(shù)值及變化趨勢都較為接近。因此，本文有限元模型是合理的。

圖3 有限元分層總和法與數(shù)值模擬結(jié)果對比

3 模擬計算結(jié)果分析

既有高速鐵路路基附加沉降計算點采用距離既有高速鐵路路基中心O點0，2，4，6，7，8，10，12，13 m 的點，分別對應(yīng)圖1（a）中O，1#，2#，3#，4#，5#，6#，7#，P的位置，4#為既有路基右坡頂，P為既有路基右坡腳。

3.1 樁長影響分析

控制樁間距1.2 m，樁徑0.4 m，樁頂自由，與新建高速鐵路和既有高速鐵路路基間距均為3.0 m，單排布置，新建高速鐵路路堤寬26 m、高4 m，建立并線高速鐵路之間不設(shè)置隔離樁和設(shè)置隔離樁的樁長分別為25，30，35，40，45，50 m 的7 種有限元模型并進行數(shù)值模擬計算，得到不同工況下既有高速鐵路路基9個計算位置的附加沉降，見圖4。

圖4 不同樁長既有路基附加沉降

由圖4 可知，既有高速鐵路路基越靠近新建高速鐵路的位置附加沉降越大，最大沉降出現(xiàn)在路基右坡腳P處。隔離樁樁長對既有路基附加沉降的影響顯著，當不設(shè)置隔離樁時，既有路基附加沉降較大，隨著隔離樁樁長的增加既有路基的附加沉降不斷減小。但是既有路基附加沉降的減小幅度隨著隔離樁樁長的變化呈現(xiàn)不同的變化趨勢，見表3。

表3 既有路基沉降量減小幅度

由表 3 可知，隔離樁樁長為25，30，35 m 時對應(yīng)的既有路基最大附加沉降均大于規(guī)范要求15 mm，隨著樁長增加最大沉降減小幅度相對較??；當隔離樁樁長大于35 m 時，既有路基最大附加沉降均小于15 mm，隨著樁長增加到40，45，50 m，最大沉降的減小幅度明顯增大。

出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因與既有高速鐵路和新建高速鐵路自身處理深度為30 m 的復(fù)合地基相關(guān)。隨著樁長增加，隔離樁承受附加荷載增加，隔斷土體變形的能力增強，所以既有高速鐵路附加沉降減小，但既有高速鐵路和新建高速鐵路復(fù)合地基對應(yīng)力、變形的傳遞已起到相當大的隔離作用，所以當隔離樁樁長小于30 m 時，隨著樁長增加最大沉降減小幅度相對較小。

新建高速鐵路路基荷載和列車荷載通過復(fù)合地基將荷載傳遞至樁端。在地基處理深度30 m 以下，復(fù)合地基對應(yīng)力和變形的的隔離作用消失，下部土體在傳至樁端的荷載作用下發(fā)生位移，對既有路基產(chǎn)生附加沉降起主要作用。當隔離樁樁長小于30 m 時，不能抵抗大部分下部移動土體的位移，當隔離樁樁長超過新建復(fù)合地基的深度一定值時才能夠更好地發(fā)揮隔離樁的作用，此時隨著樁長增加，既有路基最大沉降量的減小幅度明顯增大。其中45 m 和50 m 隔離樁能夠很好地抵抗大部分下部移動土體的位移，滿足規(guī)范要求的同時保證一定的安全系數(shù)，此時隔離樁大于新建復(fù)合地基處理深度與壓縮層的1/2厚度之和。

由此可見，隔離樁樁長同既有高速鐵路附加沉降控制效果直接相關(guān)。隔離樁越長，相應(yīng)的既有高速鐵路附加沉降控制效果越明顯，且隔離樁樁長應(yīng)大于新建鐵路復(fù)合地基處理深度，并考慮壓縮層情況合理加長樁長。

3.2 樁徑影響分析

控制隔離樁樁長45 m，樁間距1.2 m，樁頂自由，單排布置，距離既有高速鐵路路基右坡腳P點2 m，新建高速鐵路路堤寬26 m、高4 m等因素不變，建立樁徑d為 0.3，0.4，0.5，0.6 m 的 4 種并線高速鐵路有限元模型并進行模擬計算，得到不同樁徑下既有高速鐵路路基9個計算位置附加沉降，見圖5。

圖5 不同樁徑既有路基附加沉降

由圖5可知，隨著樁徑增加，隔離樁對既有路基附加沉降的隔離效果越來越好。樁徑為0.3，0.4，0.5，0.6 m 時，既有路基最大附加沉降分別為12.99，11.06，10.51，10.18 mm。樁徑從0.3 m 增加到0.4 m時，既有路基最大沉降減小了14.86%，隔離效果增加顯著；樁徑從0.4 m 增加到0.5 m 和從0.5 m 增加到0.6 m 時，既有路基最大沉降分別減小了4.97%和3.14%，隔離樁隔離效果增加越來越不明顯。

這是因為隨著樁徑的增加，樁與土體的接觸面積增加，隔離樁本身和樁身側(cè)向與豎向摩擦力直接承受更多的附加荷載，隔離樁隔斷能力有一定的增加。同時樁間凈距減小，土拱效應(yīng)增強，樁的荷載分擔比增加，進一步提高了隔離樁對附加應(yīng)力和變形的隔斷能力，隔離效果增加顯著。當樁間凈距達到臨界值時土拱效應(yīng)基本不再增強，這種情況下樁徑再增加，僅有隔離樁本身和樁身摩擦力直接承受的附加荷載增加，隔離樁隔離效果提高有限。

綜上，隔離樁樁徑同既有高速鐵路路基附加沉降控制效果間保持正相關(guān)關(guān)系，建議樁徑選擇不小于0.4 m，隨設(shè)計樁長的增加可適當增大樁徑。

3.3 樁間距影響分析

控制隔離樁樁長45 m，樁徑d為0.4 m，樁頂自由，單排布置，距離既有高速鐵路路基右坡腳P 點2 m，新建高速鐵路路堤寬26 m、高4 m等因素不變，建立樁間距s為 2d，3d，4d，5d，6d，7d的 6 種并線高速鐵路有限元模型并進行模擬計算，得到不同樁間距下既有高速鐵路路基9個計算位置附加沉降，見圖6。

圖6 不同s/d既有路基附加沉降

由圖6可知，隨著樁間距增大，既有高速鐵路附加沉降增大，隔離樁樁間距的改變對既有路基附加沉降的影響顯著。無隔離樁時，既有路基最大附加沉降為22.36 mm，當樁間距s為2d，3d，4d，5d，6d和7d時，最大沉降分別為 10.16，11.06，13.31，16.83，20.01，22.07 mm。s=2d相比于s=3d既有路基最大沉降減小了 8.23%，s=4d，5d，6d，7d相比于s=3d既有路基最大沉降分別增加了20.34%，52.17%，80.92%，99.55%。

當樁間距s＜3d時，隨著樁間距減小隔離樁的荷載分擔比增加不明顯，減小樁間距對提高隔離效果不明顯，且增加工程量和工程成本，性價比低。當樁間距s＞3d時，隨著樁間距的增加，樁間水平土拱效應(yīng)減弱，樁的荷載分擔比減小，隔離樁對應(yīng)力和變形的隔斷能力減小，隔離效果越來越差。當樁間距s=7d時，既有路基最大附加沉降量與無隔離樁較為接近，樁間基本上已沒有土拱效應(yīng)，樁間土從樁間滑出或繞樁滑動，此時起主要作用的是樁與土體之間的摩擦力，相比于土拱效應(yīng)對應(yīng)力和變形的隔斷能力要小很多，對既有路基附加沉降隔離效果不明顯。

可見，樁間距是影響隔離樁對既有高速鐵路路基附加沉降隔離效果的關(guān)鍵因素。樁間距s=3d時，隔離效果最好。

3.4 排數(shù)影響分析

控制隔離樁樁長45 m，樁徑d=0.4 m，樁間距s=3d（1.2 m），樁頂自由，新建高速鐵路路堤寬26 m、高4 m等因素不變，建立單排樁和雙排樁2 種并線高速鐵路有限元模型并進行模擬計算，其中單排樁距離既有高速鐵路路基右坡腳P點2 m，雙排樁采用三角形布樁，排間距s1=3d（1.2 m），前后排樁距離既有高速鐵路路基右坡腳P點分別為2.6，1.4 m。最終得到不同排數(shù)下既有高速鐵路路基9個計算位置附加沉降，見圖7。

圖7 不同隔離樁排數(shù)既有路基附加沉降

由圖7 可知，隔離樁由單排樁變?yōu)殡p排樁時既有路基最大豎向沉降由11.06 mm 減至9.53 mm，減少了13.83%，隔離效果有所提高但不明顯。

基于上述現(xiàn)象，控制其他影響因素不變，建立樁間距s=6d單排樁和樁間距s=6d、排間距s1=3d雙排樁2 種并線高速鐵路有限元模型并進行模擬計算，得到不同排數(shù)下既有高速鐵路路基9 個計算位置附加沉降，見圖8。

圖8 不同隔離樁排數(shù)既有路基附加沉降

由圖8 可知，雙排樁相對于單排樁可以顯著提高隔離效果。單排樁變?yōu)殡p排三角形布樁時，既有路基最大附加沉降由18.54 mm 減至10.95 mm，減少了40.94%。當樁間距相對較大時，增加排數(shù)（間接減小樁間距），隔離樁自身的隔斷能力和樁間水平土拱效應(yīng)均明顯增強，隔離樁荷載分擔比增加，隔離效果顯著提升。

綜上，當樁間距較?。╯=3d）時，雙排樁相對于單排樁隔離效果提高不明顯，此時不需要設(shè)置雙排樁；當樁間距相對較大（s=6d）時，雙排樁可以顯著提高隔離效果。

4 結(jié)論與建議

1）既有高速鐵路路基越靠近新建高速鐵路的位置附加沉降越大，最大沉降出現(xiàn)在靠近新建路基一側(cè)的既有路基坡腳位置處。

2）隔離樁樁長是影響既有高速鐵路路基附加沉降隔離效果的關(guān)鍵因素。當樁長超過新建復(fù)合地基處理深度，隔離樁樁長的增加對既有高速鐵路附加沉降的控制效果更加明顯和有效。建議隔離樁樁長最小取新建復(fù)合地基處理深度與一半壓縮層厚度之和，滿足附加沉降規(guī)范要求的同時保證一定的安全系數(shù)。

3）隔離樁樁徑從0.3 m增加到0.4 m，隔離樁的隔離效果增加；超過0.4 m 以后，樁徑的增加對隔離效果的提升不明顯。建議樁徑選擇不小于0.4 m，隨設(shè)計樁長的增加可適當增大樁徑。

4）隔離樁樁間距是影響既有路基附加沉降隔離效果的關(guān)鍵因素，當樁間距等于3倍樁徑時，隔離效果相對最好，此時減小樁間距對隔離效果提升不明顯，且增加工程量和工程成本，性價比低；增加樁間距，隔離效果減弱，當樁間距等于7倍樁徑時，基本已無隔離效果。建議隔離樁樁間距選擇3倍樁徑。

5）當樁間距較?。╯=3d）時，雙排樁相對于單排樁隔離效果提高不明顯，此時不需要設(shè)置雙排樁。當樁間距相對較大（s=6d）時，雙排樁可以顯著提高隔離效果。