管樁處理軟基對(duì)既有鐵路影響研究

龐 拓

（中鐵十六局集團(tuán)路橋工程有限公司 北京 101500）

1 引言

由于鐵路發(fā)展以及征拆困難，很多時(shí)候需要在既有鐵路線附近新建鐵路。由于新舊路基距離近，如何減小施工對(duì)既有鐵路的影響就變得十分關(guān)鍵［1］。軟土地基在我國(guó)十分常見(jiàn)，其具有孔隙率高、含水量高以及受力后變形大的特點(diǎn)［2］。當(dāng)遇到這類(lèi)地基時(shí)就必須對(duì)其進(jìn)行加固處理，而在加固施工過(guò)程中稍有不當(dāng)就會(huì)對(duì)既有路基產(chǎn)生較大影響，從而影響既有線路的正常通行［3］。

目前常用的軟基處理方式包含堆載預(yù)壓法、置換法、水泥攪拌樁法、預(yù)應(yīng)力管樁處理法［4］。這幾種方法各有優(yōu)勢(shì)，但是當(dāng)上部填方高度較高時(shí)（一般大于4 m），預(yù)應(yīng)力管樁處理方法具有十分明顯的優(yōu)勢(shì)［5］。預(yù)應(yīng)力管樁目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工廠化預(yù)制，具有制造效率高、制造工藝精湛、樁身強(qiáng)度大、外觀尺寸精度高的特點(diǎn)，樁身豎向承載能力高、抗彎性能優(yōu)良。因此，在鐵路工程軟基處理中運(yùn)用十分廣泛［6］。預(yù)應(yīng)力管樁在處理軟基過(guò)程中是通過(guò)在特定位置將預(yù)制管樁通過(guò)靜壓或者捶打的方式壓入路基中，一方面通過(guò)管樁擠入將軟土擠密，從而提高其承載能力；另一方面管樁本身也能承受上部荷載［7－8］。正是由于管樁處理軟基時(shí)需要對(duì)原有土層進(jìn)行擠壓，這樣勢(shì)必會(huì)影響既有線路的路基，一旦影響過(guò)大就會(huì)威脅到既有線路的交通。而目前針對(duì)此類(lèi)的研究大多還停留在施工經(jīng)驗(yàn)上，對(duì)于理論研究鮮有報(bào)道［9－10］。

本文依托廣梅汕鐵路新增二線工程，針對(duì)預(yù)應(yīng)力管樁在軟基加固處理中的擠壓作用對(duì)既有線路的影響開(kāi)展理論研究［11－12］，以期指導(dǎo)設(shè)計(jì)和施工。

2 工程概況

廣梅汕鐵路增二線項(xiàng)目位于韓江三角洲濱海平原地區(qū)，地勢(shì)開(kāi)闊、地形平坦，相對(duì)高差0～2 m。該區(qū)域?yàn)轫n江攜帶泥砂在其下游沉積而成，第四系沉積層厚度一般30～120 m，沉積厚度最大達(dá)168.4 m；上覆第四系人工填土1～3 m，淤泥質(zhì)黏土厚度為15～32 m。既有線路路基多為填方地段，填筑厚度2～5 m。路基典型橫斷面見(jiàn)圖1。淤泥質(zhì)黏土參數(shù)為：

圖1 路基典型橫斷面（單位：m）

需加固路基全長(zhǎng)22.9 km。預(yù)應(yīng)力管樁采用PC-500（100）-A型，設(shè)計(jì)樁身直徑0.5 m，壁厚0.1 m，混凝土強(qiáng)度C60，十字鋼樁尖，單樁承載力750～1 020 kN。平行于既有路基且距離既有路基5 m和6 m處施打兩排預(yù)應(yīng)力管樁，樁間距2.5 m，預(yù)應(yīng)力管樁深度為28～44 m，共需預(yù)應(yīng)力管樁長(zhǎng)度為32 969 m。為了防止基礎(chǔ)處理過(guò)程中對(duì)既有線路行車(chē)安全的影響，需要對(duì)路基加固區(qū)段按照《臨近營(yíng)業(yè)線施工管理辦法》之A類(lèi)等級(jí)進(jìn)行施工計(jì)劃管理，并將列車(chē)時(shí)速限制在60 km內(nèi)。施工期內(nèi)需要實(shí)時(shí)觀測(cè)既有線路的路基水平位移和路基沉降。

3 數(shù)值模型建立

3.1 基本假設(shè)

由于壓樁過(guò)程為高度非線性問(wèn)題，而且由于壓樁數(shù)量較多，因此有必要對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，從而便于計(jì)算?；炯僭O(shè)如下：

（1）將整個(gè)結(jié)構(gòu)均看作淤泥質(zhì)黏土一種材質(zhì)。通過(guò)地質(zhì)資料可以看出，在20 m深度范圍內(nèi)大部分為淤泥質(zhì)黏土。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，只考慮這一種材質(zhì)。

（2）將整個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變問(wèn)題。由于既有路基橫截面沿路線方向基本不變，同時(shí)預(yù)應(yīng)力管樁為等間距布置，因此整個(gè)結(jié)構(gòu)沿路線方向?yàn)榘霟o(wú)限體。另一方面，由于預(yù)應(yīng)力管樁深度都超過(guò)20 m，可以近似認(rèn)為預(yù)應(yīng)力管樁壓入土層后沿不同高度的擠壓效果一致。

（3）只考慮預(yù)應(yīng)力管樁完全壓入時(shí)刻對(duì)結(jié)構(gòu)的作用。由于預(yù)應(yīng)力管樁施工是一個(gè)逐漸壓入的過(guò)程，對(duì)結(jié)構(gòu)影響最大的時(shí)刻為完全壓入后的那個(gè)時(shí)刻。

3.2 數(shù)值模擬

本文采用Abaqus 2018建立結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型見(jiàn)圖2。紅色區(qū)域?yàn)樵F路路基所在位置，第一排預(yù)制管樁中心距離鐵路路基外邊緣5 m。模型尺寸為長(zhǎng)40 m×寬25 m，共有8 898個(gè)單元，9 638個(gè)節(jié)點(diǎn)。單元均采用平面應(yīng)變單元CPE4，其為四節(jié)點(diǎn)雙線性單位，減縮積分，節(jié)點(diǎn)為4自由度（兩個(gè)平動(dòng)和兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度）。

圖2 結(jié)構(gòu)數(shù)值模型

（1）邊界條件模擬。模型上緣和下緣采用彈簧單元模擬，彈簧剛度取為淤泥質(zhì)黏土彈性模量；左側(cè)和右側(cè)邊界采用固定約束，即約束節(jié)點(diǎn)的平動(dòng)自由度和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。

（2）壓樁過(guò)程模擬。分別在擬壓樁位置建立兩個(gè)半圓形，見(jiàn)圖3。半圓直徑為0.5 m，兩個(gè)半圓相切，半圓圓弧端與周?chē)凉灿霉?jié)點(diǎn)，直線段為自由段。在預(yù)應(yīng)力管樁壓入中，給定半圓自由段向切點(diǎn)方向的強(qiáng)制位移，位移大小為半圓半徑。擠壓完成后，在取消強(qiáng)制位移的同時(shí)將兩個(gè)半圓自由段節(jié)點(diǎn)所有自由度耦合，從而形成一個(gè)整體。由于上、下半圓會(huì)存在一個(gè)重新找力平衡的過(guò)程，因此會(huì)有一個(gè)微小的位移。同時(shí)，當(dāng)其他樁在擠壓土層時(shí)，該樁位置也會(huì)隨之變化，從而模擬出不同樁之間相互作用的過(guò)程。

圖3 壓樁過(guò)程模擬

4 工程運(yùn)用

4.1 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文所建立模型的正確性，分別在距離既有路基5 m處和距離路基6 m處試打兩根預(yù)應(yīng)力管樁。兩根管樁相距20 m，可以認(rèn)為兩根管樁之間相互無(wú)影響。采用本文所構(gòu)建的數(shù)值模型進(jìn)行計(jì)算，分別得到工況1和工況2條件下既有路基位移云圖，見(jiàn)圖4。由圖4可以看出：距既有路基5 m壓樁時(shí)（工況1），既有路基最大水平位移為4.90 cm，距既有路基6 m壓樁時(shí)（工況2），既有路基最大水平位移為3.63 cm。

圖4 既有路基位移云圖（單位：m）

同時(shí)，在既有路基上布置水平位移觀測(cè)點(diǎn)，并將壓樁后的位置和壓樁前的位置進(jìn)行對(duì)比，得到工況1和工況2下水平位移實(shí)測(cè)最大值，見(jiàn)表1。

表1 計(jì)算最大位移和實(shí)測(cè)對(duì)比

通過(guò)表1計(jì)算結(jié)果可知：（1）工況1和工況2計(jì)算值和實(shí)測(cè)值相差均很小，分別為2.51%和2.25%，可以滿足工程精度要求；（2）工況1下既有路基的位移相比較于工況2有明顯的增加，說(shuō)明距離既有路基越近，壓樁對(duì)既有路基影響越大，且遠(yuǎn)離1 m大約可降低26%。

4.2 不同壓樁順序?qū)扔新肪€影響

由4.1節(jié)分析可知：距離既有路基不同位置處壓樁會(huì)產(chǎn)生不同影響程度，且當(dāng)兩根預(yù)應(yīng)力管樁位置較近時(shí)會(huì)相互影響，因此有必要研究不同壓樁順序?qū)扔芯€路的影響，從而尋找出最優(yōu)的打樁路徑。在距離既有路基5 m和6 m處分別設(shè)置兩排共16根樁，樁間距為2.5 m，見(jiàn)圖5。分別設(shè)計(jì)三種打樁工況。

圖5 預(yù)應(yīng)力管樁編號(hào)（單位：mm）

工況1：先順序壓第一排樁，后順序壓第二排樁，即 1-2-…-8-9-…-16。

工況2：跳打施工，即 1-10-3-12-…-16-8-15-6-…-9。

工況3：先順序壓第二排樁，后順序壓第一排樁，即 9-10-…-16-1-…-8。

三種工況下既有路基位移計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖6；三種工況下既有路基最大位移見(jiàn)表2。

圖6 不同工況下的既有路基位移云圖

表2 不同工況下的既有路基最大位移

從計(jì)算結(jié)果可以看出：（1）三種壓樁順序中，位移值最小為工況1的10.08 cm，最大為工況3的10.42 cm，工況1相對(duì)工況3減小約3.26%；（2）通過(guò)計(jì)算可以看出壓樁對(duì)既有路基位移影響較大，僅通過(guò)調(diào)整壓樁順序效果較小，必須采取額外的措施來(lái)減小對(duì)既有路基的影響，比如在第一排樁與路基間設(shè)置卸壓孔。

5 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)前管樁施工對(duì)既有鐵路影響研究還局限于實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)，并無(wú)很好的模擬手段。為了摸清規(guī)律，本文開(kāi)展了管樁施工對(duì)既有鐵路影響規(guī)律研究。首先，將整個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變問(wèn)題，并采用強(qiáng)制位移來(lái)模擬壓樁過(guò)程，建立了壓樁對(duì)既有路基影響的數(shù)值模型；其次，通過(guò)實(shí)際工程驗(yàn)證了數(shù)值模型的正確性；最后，通過(guò)不同壓樁順序?qū)扔芯€路的影響開(kāi)展研究并得出規(guī)律。

（1）本文提出的壓樁對(duì)既有路基影響數(shù)值模型具有模擬簡(jiǎn)單、計(jì)算迅速、計(jì)算精度高的特點(diǎn)，可用于工程實(shí)踐。

（2）不同壓樁順序?qū)扔新肪€有一定的影響，但是影響有限，必須采取額外的措施來(lái)減小對(duì)既有路基的影響。