復(fù)雜施工環(huán)境下高速鐵路軟土地基漿固碎石樁復(fù)合地基加固沉降變形分析

劉漢龍 龍永紅 丁選明

(重慶大學(xué)， 重慶 400045)

近年來，我國高速鐵路快速發(fā)展，截至2021年，鐵路營運(yùn)總里程突破15萬km，其中高速鐵路運(yùn)營里程突破4萬km。此外，我國疆域版圖遼闊，地形、地質(zhì)條件復(fù)雜，軟土地基分布廣泛，考慮到高速列車運(yùn)行對路基工后沉降的嚴(yán)格要求，軟土地區(qū)高速鐵路的地基處理面臨著極大的挑戰(zhàn)。

目前，復(fù)合地基法加固軟土地基成效明顯，已在高速鐵路的建設(shè)中被大量采用，如PHC樁[1-2]、CFG樁[3-4]、PCC樁[5-6]等。然而，高速鐵路軟基處理中時(shí)常面臨復(fù)雜施工環(huán)境，如施工場地上方存在高壓電線、高架橋，近接既有線或隧道軟塑基底加固等，此時(shí)常規(guī)的施工設(shè)備和施工方法無法滿足環(huán)境的嚴(yán)苛要求。

漿固碎石樁復(fù)合地基技術(shù)是劉漢龍教授等[7-8]針對復(fù)雜施工環(huán)境下深厚軟土地基處理難題而研發(fā)的工后沉降控制的新技術(shù)。漿固碎石樁設(shè)備由成孔系統(tǒng)、導(dǎo)向系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)等組成。施工時(shí)先采用鉆機(jī)鉆進(jìn)成孔，在孔內(nèi)放入注漿管，然后向孔內(nèi)投入骨料，通過注漿管向樁孔內(nèi)的骨料注入漿液，漿液與骨料固結(jié)后成樁，漿液同時(shí)滲入到樁周土體中改善土體性質(zhì)[9-11]。漿固碎石樁技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)傳統(tǒng)的樁基設(shè)備高度較高，無法在復(fù)雜環(huán)境既有障礙物下施工，而漿固碎石樁的施工設(shè)備高度可控制在6 m之內(nèi)；漿固碎石樁填補(bǔ)了復(fù)雜環(huán)境下剛性樁復(fù)合地基處理技術(shù)的空白。

(2)采用振動施工的樁基和有擠土效應(yīng)的樁基會對周邊建筑產(chǎn)生影響，而漿固碎石樁無擠土、無振動、無噪音，適用于對施工振動有嚴(yán)格要求的工程。

(3)漿固碎石樁通過漿液與骨料固結(jié)成樁，樁身強(qiáng)度高，此外漿液還向樁周土滲透，同時(shí)改善了樁周土性質(zhì)和樁土接觸面性質(zhì)，從而顯著提高了樁基承載力。

本文依托商合杭高速鐵路工程，采用PLAXIS 3D軟件建立數(shù)值模型，對鄰近既有鐵路漿固碎石樁復(fù)合地基沉降變形特性進(jìn)行分析，研究成果可為復(fù)雜環(huán)境下高速鐵路地基處理提供參考。

1 數(shù)值模型和參數(shù)

1.1 工程概況

商合杭高速鐵路阜陽至杭州段新建工程試驗(yàn)段(YDK 404+950～YDK 405+340.85)長390.85 m，線路正線為CRTSⅢ型板式無砟軌道。地表水不發(fā)育，水位埋深1.5 m。為減小高速鐵路施工對鄰近既有鐵路的影響，擬采用漿固碎石樁復(fù)合地基法對地基進(jìn)行加固，地基承載力為395 kPa。漿固碎石樁的樁徑為0.5 m，樁長為8～15 m，樁間距為1.6 m，呈正方形布置。墊層由級配碎石和中粗砂組成，具體鋪設(shè)工藝為：①先鋪設(shè)15 cm厚的級配碎石，經(jīng)機(jī)械壓實(shí)后鋪設(shè)5 cm厚的中粗砂，砂墊層采用機(jī)械壓實(shí)；②鋪設(shè)第一層土工格柵，然后鋪設(shè)5 cm厚的中粗砂并機(jī)械壓實(shí)；③鋪設(shè)10 cm的級配碎石并機(jī)械壓實(shí)，而后頂鋪設(shè)5 cm厚的中粗砂，砂墊層采用機(jī)械壓實(shí)；④鋪設(shè)第二層土工格柵，再鋪設(shè)5 cm的中粗砂并機(jī)械壓實(shí)，最后鋪設(shè)15 cm厚的級配碎石并機(jī)械壓實(shí)。墊層總計(jì)厚0.6 m。

1.2 典型工況斷面

選取肥東站DK 405+325.62斷面作為數(shù)值模擬的典型工況斷面，現(xiàn)場勘察資料表明，該斷面樁基的持力層位于承載力較高的黏土層之中；漿固碎石樁樁長12 m，路基頂面寬8.6 m，路堤坡度為1∶1.5，路堤填高為5.6 m。路堤填料采用分層填筑法，即在理想的工況條件下，前17 d每天填筑0.3 m，最后1 d填筑0.5 m，路堤填筑施工完成后靜置180 d。

1.3 數(shù)值計(jì)算模型

數(shù)值計(jì)算采用PLAXIS 3D有限元計(jì)算軟件，其用于計(jì)算土體滲透固結(jié)的模塊能計(jì)算生成穩(wěn)態(tài)孔壓，可對路基在固結(jié)過程中孔隙水壓力的消散過程進(jìn)行追蹤分析。漿固碎石樁采用線彈性模型，地基土采用Mohr-Coulomb模型模擬。考慮到墊層中的兩層土工格柵形成了加筋墊層，墊層也采用線彈性模型。

考慮到路堤是左右軸對稱的，故僅取半幅地基和路基結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，如圖1所示。模型中豎向計(jì)算范圍取32.3 m，橫向取26 m。模型X和Y方向施加水平約束，Zmin為固定約束，Zmax不約束。滲流邊界條件：Xmin、Zmin、Zmax為打開，其余邊界均為關(guān)閉。網(wǎng)格選用“中等”類型的劃分方式自動劃分，且對樁體范圍內(nèi)的網(wǎng)格局部加密，如圖2所示。模型包含 34 328個(gè)單元和51 255個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖1 樁土復(fù)合地基橫截面圖(m)

圖2 網(wǎng)格劃分圖

1.4 模型計(jì)算參數(shù)

模型中計(jì)算的參數(shù)由典型工況斷面的地勘報(bào)告和工程資料得到，如表1所示。

表1 模型材料參數(shù)取值表

2 沉降變形計(jì)算及分析

對于高速鐵路路堤而言，施工完成后必須保證列車運(yùn)行時(shí)路堤的沉降在合理范圍內(nèi)，即要嚴(yán)格控制路堤的工后沉降。因此，必須分析等效列車荷載作用對路堤工后沉降變形的影響。根據(jù)TB 10621-2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》[12]，高速鐵路路基應(yīng)滿足的工后沉降如表2所示。

表2 路基工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)表

根據(jù)《京滬高速鐵路暫行規(guī)范》，數(shù)值計(jì)算中路堤等效列車荷載為54 kN/m2，荷載分布寬度為3.4 m?？紤]到列車荷載沖擊對路基沉降變形的影響，需在路堤上方進(jìn)行土體預(yù)壓堆載及卸載，即在路堤上方分5次填筑共2.0 m高的堆載預(yù)壓土體，每次填高0.4 m，預(yù)壓靜置180 d后卸載，之后再進(jìn)行路堤上覆作用計(jì)算。

2.1 工后沉降分析及樁長的影響

列車荷載作用下，不同的樁長、樁體的沉降曲線如圖3所示，土體的沉降曲線如圖4所示，樁土差異沉降曲線如圖5所示。

圖3 列車荷載作用下樁長不同時(shí)樁體的沉降曲線圖

圖4 列車荷載作用下樁長不同時(shí)土體的沉降曲線圖

圖5 列車荷載作用下樁長不同時(shí)的樁土差異沉降曲線圖

由圖3～圖5可知，在等效列車荷載作用的初期，樁體和土體的工后沉降發(fā)展相對較快，然后增速放緩，之后隨著時(shí)間的推移進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。等沉面累計(jì)沉降的最大值約為35.68 mm，其中在等效列車荷載作用下的工后沉降值約為2.88 mm，滿足無砟軌道對路基工后沉降的控制要求；樁土差異沉降累計(jì)的最大值為 2.60 mm，其中在等效列車荷載作用下的樁土工后差異沉降值為0.22 mm，不會對路堤產(chǎn)生破壞作用。此外，樁越長，路堤下樁土的工后沉降越小，兩者的差異沉降則越大；具體來說，樁長每增加3 m，其值變化幅度分別約為15%、14%、5%。

值得一提的是，依據(jù)規(guī)范路基主體工程設(shè)計(jì)的使用年限應(yīng)為100年，然而，有限元計(jì)算結(jié)果表明，典型工況在等效列車荷載作用的第2年及以后，工后沉降增加的速率小于 0.000 1 mm/年。這說明路堤的工后沉降在后期增長非常緩慢，因此本文計(jì)算結(jié)果僅分析至等效列車荷載作用的第360 d。

2.2 樁徑對工后沉降的影響

列車荷載作用下，樁徑不同時(shí)樁體的沉降曲線如圖6所示，土體的沉降曲線如圖7所示，樁土差異沉降曲線如圖8所示。

圖6 列車荷載作用下樁徑不同時(shí)樁體的沉降曲線圖

圖7 列車荷載作用下樁徑不同時(shí)土體的沉降曲線圖

由圖6～圖8可知，路堤在經(jīng)預(yù)壓加載之后，樁徑越大，路堤下樁土的工后沉降及兩者工后差異沉降均越??；具體來講，樁徑每增加0.1m，其值分別減小約2%、4%、15%。

圖8 列車荷載作用下樁徑不同時(shí)的樁土差異沉降曲線圖

2.3 土彈性模量對工后沉降的影響

列車荷載作用下，土彈性模量不同時(shí)樁體的沉降曲線如圖9所示，土體的沉降曲線如圖10所示，樁土差異沉降曲線如圖11所示。

圖9 列車荷載作用下土彈性模量不同時(shí)樁體的沉降曲線圖

圖10 列車荷載作用下土彈性模量不同時(shí)土體的沉降曲線圖

圖11 列車荷載作用下土彈性模量不同時(shí)的樁土差異沉降曲線圖

由圖9～圖11可知，路堤在經(jīng)預(yù)壓加載之后，土的彈性模量越大，路堤下樁土的工后沉降及兩者工后差異沉降均越??；具體來講，土的彈性模量每增加5 MPa，其值分別減小約12%、12%、6%。

3 結(jié)論

本文采用PLAXIS 3D有限元數(shù)值計(jì)算軟件，對商合杭高速鐵路漿固碎石樁復(fù)合地基加固工程中典型路堤斷面的沉降變形進(jìn)行了研究，分析了路堤及列車等效荷載對工后沉降變形的影響，研究了樁長、樁徑及模量對路堤沉降特性的影響，得到主要結(jié)論如下：

(1)商合杭高速鐵路典型斷面路堤經(jīng)預(yù)壓加載后，在等效列車荷載作用的初期，樁體和土體的工后沉降發(fā)展相對較快，隨后增速放緩，之后隨著時(shí)間推移進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。

(2)在其他參數(shù)保持一致的條件下，高速鐵路漿固碎石樁復(fù)合地基的樁長每增長3 m，路堤下樁土的工后沉降分別減小約15%、14%，5%；樁徑每增加 0.1 m，路堤下樁土的工后沉降及兩者工后差異沉降分別減小約2%、4%、15%；高速鐵路漿固碎石樁復(fù)合地基土的彈性模量每增加5 MPa，路堤下樁土的工后沉降及兩者工后差異沉降分別減小約12%、12%、6%。

(3)漿固碎石樁復(fù)合地基技術(shù)施工機(jī)械輕便，成樁過程對周圍影響小，適用于處理貼近既有鐵路線等復(fù)雜施工環(huán)境，計(jì)算結(jié)果表明沉降變形滿足無砟軌道工后沉降要求。