水泥土攪拌樁復(fù)合軟基工后沉降預(yù)測(cè)研究

李岳峰，孫子豪

(1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063；2.武漢輕工大學(xué) 土建學(xué)院，湖北 武漢 430023)

1 引言

隨著鐵路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，對(duì)路基工后沉降變形控制也日趨嚴(yán)格[1-2]。高速鐵路不可避免的要通過大量的軟土地層，這就對(duì)路基工后沉降提出更高要求[3-4]。水泥土攪拌樁是通過加入水泥強(qiáng)制攪拌而形成的復(fù)合地基。樁與樁間土形成的復(fù)合地基可以有效減少沉降[5]。

工程中關(guān)于軟土沉降計(jì)算大致可分為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)法、沉降計(jì)算理論公式法和固結(jié)理論與增強(qiáng)體的本構(gòu)模型等三大類[6]。王威[7]等通過推導(dǎo)Kelvin模型和Maxwell模型的沉降變形方程，建立Burgers模型。結(jié)果表明:Burgers模型預(yù)測(cè)結(jié)果可靠性較高。雷華陽(yáng)[8]等分析對(duì)比了有限元計(jì)算模擬與現(xiàn)場(chǎng)沉降監(jiān)測(cè)的結(jié)果，驗(yàn)證了有限元模型可以有效模擬路基沉降規(guī)律，從而可對(duì)路基的長(zhǎng)期穩(wěn)定性進(jìn)行預(yù)測(cè)。呂綠洲[9]通過推導(dǎo)軟土路基的黏彈性模型，并用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合了模型參數(shù)，從而對(duì)路基最終沉降進(jìn)行預(yù)測(cè)。

本文結(jié)合新建鐵路福州至廈門客運(yùn)專線，依托水泥土攪拌樁復(fù)合地基，利用有限元軟件ABAQUS建立模型，通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與軟件計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，研究路基的沉降規(guī)律，并有效地預(yù)測(cè)軟土路基工后50年的剩余沉降。

2試驗(yàn)

2.1工程概況

新建鐵路福州至廈門客運(yùn)專線(以下簡(jiǎn)稱“福廈客?！?位于福建省沿海地區(qū)，北起福州市，途經(jīng)莆田市、泉州市，南至廈門市和漳州市。線路北端銜接合福鐵路、溫福鐵路，南端銜接廈深鐵路、龍廈鐵路，與東南沿海鐵路福廈段共通道，既可構(gòu)建京福廈高速鐵路客運(yùn)通道，也是東南沿海鐵路客運(yùn)通道的重要組成部分。

FXZQ-4標(biāo)(DK86+801.42～DK108+319.83)本標(biāo)段主要以軟土為主，工程性質(zhì)差。最大厚度為12米，其中8～10m的厚度占比較高，達(dá)70.67%。采用水泥土攪拌樁進(jìn)行地基處理。地層的主要物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 地層物理力學(xué)參數(shù)

本工程采用水泥土攪拌樁復(fù)合地基的地基處理方法。水泥土攪拌樁采用彈性模型，彈性模量為120MPa，泊松比為0.3，樁徑0.5m，樁間距1.5m，平面布置呈正方形。

2.2監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析

沿著鐵路路基共設(shè)有沉降監(jiān)測(cè)斷面50個(gè)。選取典型現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)沉降點(diǎn)3個(gè)進(jìn)行分析，對(duì)應(yīng)的軟土層厚度分別為8m、9m、10m。監(jiān)測(cè)時(shí)間從2020年11月1日到2022年11月1日，共24個(gè)月。地表沉降速率隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖1所示。

圖1 地表沉降速率隨時(shí)間變化關(guān)系

從圖1可以看出，沉降速率在監(jiān)測(cè)前期變化較大，在監(jiān)測(cè)后期所有軟土層厚度的沉降速率趨于平緩，這與圖1的最終沉降趨于收斂相一致。所有軟土層最終的沉降速率都小于-0.77656mm/d，這表明采用水泥土攪拌樁進(jìn)行地基處理是可行的。

2.3 軟土沉降量的預(yù)測(cè)

2.3.1預(yù)測(cè)模型

對(duì)路堤的沉降進(jìn)行模擬，創(chuàng)建樁筏復(fù)合地基模型，并進(jìn)行有限元分析。路基結(jié)構(gòu)如圖2所示，計(jì)算范圍豎向24.2m，其中路堤高度為4.2m，軟土層厚度為12m，下部密實(shí)的粉質(zhì)黏土為8m。橫向取40m，路堤底寬為30m。計(jì)算時(shí)取底部為無位移的固定邊界，兩側(cè)采用橫向約束。土體單元采用Mohr-coulomb模型，水泥土攪拌樁采用線彈性單元。初步計(jì)算平衡后，采用改進(jìn)的Burgers模型理論，計(jì)算工后沉降。計(jì)算模型的網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖2 路基結(jié)構(gòu)圖

圖3 計(jì)算模型網(wǎng)格劃分

2.3.2計(jì)算荷載

路堤高度為4.2m，10天填筑完成。填土分為三層，第一層為砂土，第二層為碎石土，第三層為碎石。三層土的重度大約為80Kpa。所有單元的物理力學(xué)性質(zhì)如表1所示。

2.3.3 與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

基于工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)值模擬的預(yù)測(cè)值進(jìn)行驗(yàn)證。選取有代表性的3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的軟土層厚度分別6m、7m、8m。選取的觀測(cè)數(shù)據(jù)于2020年11月10日路堤填筑結(jié)束的時(shí)間開始觀測(cè)，并將觀測(cè)數(shù)據(jù)與計(jì)算所得的曲線相比較。數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比如圖4。從圖5可以看出，數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合度較好，因此，可以說明利用數(shù)值模擬的結(jié)果來預(yù)測(cè)路基的剩余工后沉降是可行的。

圖4 數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比圖

2.4長(zhǎng)期沉降預(yù)測(cè)

利用數(shù)值模擬分別對(duì)8m、9m和10m厚度的軟土層的地表沉降進(jìn)行長(zhǎng)期預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)的時(shí)間為50年，其結(jié)果如圖5所示。三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)2022年1月1日的沉降量分別為-107.42、-159.705mm和-198.523mm。50年后最終沉降量為-125.451mm、-181.958mm和-232.766mm。因此，軟土層厚度為8m、9m和10m的工后剩余沉降量為18.031mm、22.253mm和34.243mm。從工后剩余沉降的數(shù)值可以看出，工后沉降量不大，可以證明軟土地基的處理是合理的。

圖5 不同軟土厚度長(zhǎng)期沉降預(yù)測(cè)

3結(jié)論

(1)結(jié)合新建鐵路福州至廈門客運(yùn)專線軟土路基處理的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析地表沉降速率，結(jié)果表明：所有軟土層最終的沉降速率都小于-0.77656mm/d，這表明采用水泥土攪拌樁進(jìn)行地基處理是可行的。

(2) 軟土層厚度分別為8m、9m和10m，五十年后工后剩余沉降量為分別18.031mm、22.253mm和34.243mm。從工后剩余沉降的數(shù)值可以看出，工后沉降量不大，說明運(yùn)營(yíng)期該路段路基處于長(zhǎng)期穩(wěn)定狀態(tài)。