秦曉光，楊龍才，何太洪

（同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海201804）

隨著無砟軌道鐵路建設(shè)的不斷進行，路基的不均勻沉降逐漸成為導(dǎo)致無砟軌道產(chǎn)生變形乃至破壞的主要原因之一。對于有砟軌道，當路基不均勻沉降較大時，可以通過扣件調(diào)整、填充道砟等手段達到調(diào)整軌道面高度、保持軌道平順性的目的，而無砟軌道則只能通過扣件微小的調(diào)高量來實現(xiàn)對軌道面的調(diào)節(jié)。路基的工后沉降主要有3部分組成，路基填土壓密下沉、行車引起的基床累計變形和地基產(chǎn)生的工后沉降，其中前兩者一般量值較小，且能在路基施工完成后較短的時間趨于穩(wěn)定[1]。因此地基產(chǎn)生的工后沉降是路基工后沉降變形的主要矛盾。我國在《新建時速300-350公里客運專線鐵路設(shè)計暫行規(guī)定》（鐵建設(shè)[2007]47號）中規(guī)定，路基上鋪設(shè)無砟軌道在“路橋或路隧交界處的差異沉降不應(yīng)大于5 mm，鋪軌工程完成后由于過渡段沉降造成的路基與橋梁或隧道的折角不應(yīng)大于1/1 000”[2]。

由于地基處理的需要，多種樁型處理的復(fù)合地基在同一區(qū)域出現(xiàn)的情況不斷出現(xiàn)，文獻[3]認為建筑物不同樁型差異沉降中當樁基彈性模量達到一定程度時對基礎(chǔ)沉降的影響將很小。文獻[4]對松軟土路基不均勻沉降影響因素進行了分析。滬寧高鐵某站場改建工程中，滬寧城際全段正線、咽喉區(qū)及相鄰的到發(fā)線地段采用不同剛度樁型進行加固。本文以此為工程背景，通過三維有限元的方法對由于地基處理方式不同而產(chǎn)生的路基不均勻沉降進行分析，為工程施工提供參考。

1 工程背景

1.1 工程簡介

滬寧城際某站場全段正線、咽喉區(qū)及相鄰的到發(fā)線地段采用預(yù)應(yīng)力管樁（PHC樁）及CFG樁加固；城際車場與正線分離（如隔站臺）的到發(fā)線、與滬寧城際正線并行地段的既有滬寧改造地段、過渡地段施工便道、公務(wù)岔線等均采用攪拌樁加固，各種樁型加固區(qū)互相緊鄰，如圖1所示。

1.2 樁基設(shè)計參數(shù)及地質(zhì)資料

站場內(nèi)采用的預(yù)應(yīng)力管樁樁徑為0.5 m，間距2.2 m，呈正方形布置，樁長19.0～23.5 m；樁頂設(shè)置1.6×1.6×0.35 m（厚）的鋼筋混凝土樁帽；樁頂設(shè)0.5 m厚碎石墊層，內(nèi)鋪一層雙向土工格柵。預(yù)應(yīng)力管樁采用靜壓法沉樁，施工前于基底范圍內(nèi)鋪設(shè)0.5～1.0 m厚C組以上填料作為工作墊層，施工完成后于樁頂鋪設(shè)一層土工格柵及0.5 m厚碎石墊層。土工格柵兩端折回2.0 m，延伸率≤10%，抗拉強度≥100 kN·m-1。設(shè)計采用的CFG樁樁徑0.5 m，間距1.8 m，呈正方形布置，樁長20.5～23.0 m；樁頂設(shè)0.5 m厚碎石墊層，內(nèi)鋪一層雙向土工格柵。CFG樁采用長螺旋成孔、管內(nèi)泵壓混合料，再利用振動打樁機成樁，樁體原材料采用碎石、石屑、粉煤灰、水泥配合而成，材料按C15配比，樁位偏差不應(yīng)大于0.4倍樁徑。

圖1 加固區(qū)平面示意圖Fig.1 Layout of the reinforced area

攪拌樁加固樁徑0.5 m，間距1.2 m，呈正方形布置，樁長10.0～11.5 m，樁頂設(shè)0.5 m厚碎石墊層，內(nèi)鋪一層雙向土工格柵。水泥土攪拌樁采用三軸攪拌法施工，全樁上下復(fù)攪不得少于1次。場地中央地質(zhì)鉆孔揭示從上到下各土層的情況詳見表1所示。

表1 土層物理力學參數(shù)表Tab.1 Parameters of soil physical mechanics

2 三維有限元分析

傳統(tǒng)關(guān)于復(fù)合地基的沉降計算，往往講地基按照二維平面問題進行計算分析[5-6]，本站場渡線區(qū)（咽喉區(qū)）3種地基處理方式并存，由于空間的影響，難于簡單的使用平面問題分析來獲得不均勻沉降及其分布形態(tài)，本文通過構(gòu)建三維數(shù)值分析模型來研究上述問題[7-8]。由于土體的壓縮模量不是常數(shù)在ANSYS中采用一固定的變形模量值輸入進行計算，將不能有效地反映地基土體在沉降時的應(yīng)力-應(yīng)變特性，故本論文提出了根據(jù)土工實驗和勘察報告提供的壓縮模量Es和壓縮系數(shù)a等數(shù)據(jù)，在ANSYS中自定義一種非線性材料，其變形模量大小可隨附加應(yīng)力大小變化而變化。

根據(jù)本文算例的工程地質(zhì)勘察資料，其壓縮試驗提供了各土層壓縮模量Es和壓縮系數(shù)a，由式1得

壓縮試驗的加載等級p已知，各加載壓力區(qū)間的初始空隙比e0，因此得到各土層e-p曲線如圖2所示。

無側(cè)限條件下的變形模量，與有側(cè)限條件下的壓縮模量關(guān)系如下式

圖2 各土層e-p曲線圖Fig.2 e-p curves of various soil layers

式中：E0為變形模量；Es為壓縮模量；μ為泊松比。

由式2可求得各加載壓力區(qū)間起始端點的變形模量E0，再根據(jù)加載值便可得到各土層的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖3所示。在ANSYS中，首先在線彈性材料中定義一初始變形模量，再在非線性彈性材料中輸入各起始端點對應(yīng)的應(yīng)力和應(yīng)變值，便實現(xiàn)了適合地基沉降計算的一種非線性彈性材料的定義。

考慮對稱性，建立半路基模型，模型寬度30 m，長85 m，路基寬度11 m，路堤填土高3 m，地基頂面墊層厚度0.5 m，其中，模型分為3個區(qū)域，分別為攪拌樁加固區(qū)、PHC樁加固區(qū)、CFG樁加固區(qū)。攪拌樁加固區(qū)無樁帽，PHC樁加固區(qū)、CFG樁加固區(qū)有樁帽，PHC樁和CFG樁加固深度基本相同，而攪拌樁加固深度約為前兩者的一半，但攪拌樁的樁間距明顯小于PHC樁和CFG樁，地基頂面鋪設(shè)0.5 m墊層，提高墊層彈性模量以模擬格柵的作用，路堤邊坡坡度按設(shè)計文件1∶1.5，路堤填筑荷載按照自重應(yīng)力考慮如圖4所示。

圖3 各土層應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖Fig.3 Stress-strain curves of various soil layers

圖4 三種樁型長度、間距模型圖Fig.4 Model of length and space in three types of pile

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

三維有限元計算結(jié)果表明，3種不同剛度樁型加固區(qū)之間存在明顯的不均勻沉降，沿路基中心線整理地基頂面的不均勻沉降曲線，如圖6所示。為了了解樁的剛度對不均勻沉降的影響，圖6中分別給出了基樁在原有模量基礎(chǔ)上增大30%和減小30%的計算結(jié)果，從圖5中可見，增大基樁的彈性模量對改變不均勻變形的形態(tài)意義不大。

從上述計算結(jié)果可以看出，PHC樁和CFG樁加固區(qū)之間不均勻沉降不明顯，而攪拌樁和PHC樁由于剛度差異較大，其結(jié)合部發(fā)生明顯的不均勻沉降。不均勻沉降過渡形式接近于半余弦型，可簡化為兩相切的圓弧，再根據(jù)不均勻沉降控制標準進行評價(如圖6所示)；而不均勻沉降的過渡長度約為30 m，即相切的兩條圓弧平均每條圓弧的半弦長約為15 m。

圖5 沿路基中心線三維數(shù)值分析得到的地基頂面不均勻沉降曲線圖Fig.5 Uneven settlement curve of top foundation through 3D numerical analysis along the lines of roadbed

對于不同樁型復(fù)合地基加固區(qū)結(jié)合部，采用長短樁過渡段對路基不均勻沉降進行控制，根據(jù)上述計算結(jié)果不均勻沉降的過渡段長度約為30 m，故長短樁在過渡段的處理范圍為30 m，由于攪拌樁樁長受機械限制，因此將靠近攪拌樁加固區(qū)15 m范圍內(nèi)的PHC樁樁長詩經(jīng)逐漸增加到22 m。采用數(shù)值模擬方法分析，其他參數(shù)與前一模型相同。計算結(jié)果表明變樁長措施對不均勻沉降有一定的控制效果，能有效增加均勻沉降過渡段的長度，增加曲線半徑，提高行車的舒適性和安全性，如圖7所示。

圖6 路基面不均勻沉降過渡形式示意圖Fig.6 Transition forms of embankment surface uneven settlement

圖7 路基面不平順曲線半徑增大示意圖Fig.7 Radius increase of surface irregularity curve

4 結(jié)論

1）由于樁基剛度差異較大，其結(jié)合部位產(chǎn)生明顯的不均勻沉降，對比不同樁型的差異沉降，PHC樁與攪拌樁之間的沉降差為1.1 cm，PHC樁與CFG樁之間的沉降差為0.2 cm不均勻沉降的形式接近與半余弦型可簡化為兩個相切的圓弧，三維模型不均勻沉降過渡段長度為20～30 m。

2）采用長短樁方式處理過渡段能起到減少不均勻沉降的作用。建議在不均勻沉降過渡段范圍內(nèi)采用長短樁，由于攪拌樁樁長受施工機械限制加長較困難，因此將靠近攪拌樁區(qū)域15 m范圍內(nèi)的PHC裝樁長實行逐漸增長到22 m從而對路基不均勻沉降進行控制。

[1]尤昌龍，李殿龍.鐵路客運專線路基沉降特性極其對策[J].鐵路科學與工程學報，2005（2）5：9-12.

[2]鐵道第三勘察設(shè)計院.新建時速300-350公里客運專線鐵路設(shè)計暫行規(guī)定[S].北京：中國鐵道出版社，2007.

[3]黃斌，楊敏，熊巨華，等.不同樁型情況下的樁基差異沉降三維有限元分析[J].建筑科學，2004，20（2）：19-21.

[4]張勇.松軟土地基不均勻沉降數(shù)值模擬研究[D].衡陽：南華大學，2008.

[5]周建民，豐定祥.深層攪拌樁復(fù)合地基的有限元分析[J].巖土力學，1997，18（2）：44-50.

[6]萬林海，郭平業(yè).CFG樁復(fù)合地基沉降影響因素分析[J].工程地質(zhì)學報，2006，14（4）：547-552.

[7]宋修廣，郭宗杰，劉金章，等.粉噴樁復(fù)合地基的數(shù)值分析[J].巖土力學，2002，23（4）：494-497.

[8]丁銘績.高速鐵路CFG樁樁板河堤地基工后沉降數(shù)值模擬[J].中國鐵道科學，2008，29（3）：1-6.