李方東

(中鐵十四局集團(tuán) 第二工程有限公司，山東 泰安 271000)

新舊路基結(jié)合部加固措施的數(shù)值模擬研究

李方東

(中鐵十四局集團(tuán) 第二工程有限公司，山東 泰安 271000)

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，運(yùn)用有限元分析的基本原理，采用Adina數(shù)值模擬軟件，分析了不同加固措施對(duì)新舊路基結(jié)合部固結(jié)沉降與水平位移的影響。加固前后的計(jì)算結(jié)果表明，開(kāi)挖臺(tái)階法較為穩(wěn)固，加筋土路基減小沉降和水平位移效果不明顯，使用輕質(zhì)路基更為經(jīng)濟(jì)有效?？蔀轭?lèi)似工程提供參考。

加固路基 新舊路基結(jié)合部 有限元 Adina 數(shù)值模擬

由于鐵路的既有線(xiàn)線(xiàn)路標(biāo)準(zhǔn)較低，迂回線(xiàn)、曲線(xiàn)較多，這在很大程度上制約著列車(chē)速度的提高。因此需要進(jìn)行鐵路的既有線(xiàn)改造，這就造成新舊路基結(jié)合的問(wèn)題。在新舊路基結(jié)合的研究方面，陸新民，謝關(guān)云［1］通過(guò)采用分析總和法計(jì)算最終沉降，用比奧固結(jié)理論計(jì)算施工期沉降，并采用基于遺傳算法的反分析方法反算所需參數(shù)。費(fèi)正華，鄧水明［2］提出了應(yīng)用鄧肯—張非線(xiàn)性模型對(duì)路基沉降量進(jìn)行估算的近似算法，并與規(guī)范算法和實(shí)測(cè)沉降進(jìn)行了對(duì)比分析。本文從有限元分析的角度出發(fā)，利用Adina軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)新老路基拼接地段的沉降規(guī)律進(jìn)行研究。

1 工程簡(jiǎn)況

玉山到湖沿段 DK342+480路基為梯形斷面，舊路基寬13 m，新路基寬4 m，坡度為1∶1.5，路基填筑高度為6.6 m。地基大致分為兩層：上層為粉質(zhì)黏土，厚度大約為4 m，下層為卵石土。見(jiàn)圖1。

圖1 新舊路基示意(單位：m)

2 Adina有限元模型的建立

2.1 基本假定

1)在二維平面模型中，填土和路基均采用四節(jié)點(diǎn)平面單元，在三維立體模型中，填土和路基采用八節(jié)點(diǎn)立體單元，材料本構(gòu)采用摩爾—庫(kù)侖模型。

2)地基土視為飽和土，考慮為多孔介質(zhì)，路基填土部分，由于其滲流作用對(duì)分析影響不大，故不考慮，只將其自重作為外荷載考慮。

3)進(jìn)行固結(jié)計(jì)算時(shí)采用比奧固結(jié)理論。

4)格柵采用只承受軸向力的桿單元(Trass)，材料為線(xiàn)彈性。

5)Adina中沒(méi)有接觸單元，土與格柵的接觸用接觸組來(lái)模擬。

6)采用初始應(yīng)力狀態(tài)來(lái)模擬舊路基和地基的先期固結(jié)。

2.2 材料強(qiáng)度參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)勘查資料、設(shè)計(jì)資料以及工程經(jīng)驗(yàn)，新舊路基以及地基上下層土體的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 物理力學(xué)參數(shù)

2.3 有限元模型

由于地基是半無(wú)限空間，在有限元計(jì)算中要取一定的范圍進(jìn)行計(jì)算，在本計(jì)算模型中，取地基的計(jì)算寬度為100 m，地基計(jì)算深度取為20 m。模型的左右邊界均為橫向的固定約束，沒(méi)有水平位移，模型的下面邊界為橫向和豎向約束，沒(méi)有水平和豎直位移。其余均為透水邊界。新舊路基結(jié)合良好，沒(méi)有滑動(dòng)位移。有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元模型及其邊界條件

3 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

對(duì)玉山到湖沿段DK342+480斷面新舊路基結(jié)合處，未采取處治措施及采取三種處治措施分別進(jìn)行數(shù)值模擬和結(jié)果分析。

3.1 新舊路基未采取處治措施效果分析

3.1.1 新舊路基沉降變化云圖

整個(gè)路基與地基的沉降變化情況見(jiàn)圖3。路基最大的沉降發(fā)生在新路基一側(cè)，最大值為7.594 cm，而舊路基一側(cè)位移有較小的上升。

圖3 路基沉降變化云圖(單位：m)

3.1.2 新舊路基頂面的沉降

新舊路基頂面沉降曲線(xiàn)如圖4所示。由曲線(xiàn)可知，新路基的沉降明顯大于舊路基。路基頂面的沉降最大值發(fā)生在新路基的最右端。1 000 d時(shí)最大沉降量為5.5 cm。

圖4 路基頂面沉降曲線(xiàn)

同時(shí)，曲線(xiàn)也描述了沉降與時(shí)間的變化關(guān)系，以新路基右邊頂點(diǎn)為例，5～250 d的沉降量為1.41 cm，750～1 000 d的沉降量為0.24 cm，這說(shuō)明隨著時(shí)間的變化，沉降變化速率逐漸減小，路基的固結(jié)趨于完成。

3.1.3 地基表面的沉降

地基表面在 5，250，750，1 000 d的沉降量如圖 5所示。和路基頂面相似，隨著地基固結(jié)度的不斷增加，地基表面的沉降速率隨著時(shí)間的增長(zhǎng)而減小，而沉降的最大值發(fā)生在新舊路基結(jié)合處附近。最大沉降量為6.29 cm。

圖5 地基表面沉降曲線(xiàn)

圖6 新舊路基結(jié)合處頂面沉降—時(shí)間變化曲線(xiàn)

3.1.4 新舊路基結(jié)合處頂面沉降

新舊路基結(jié)合處頂面沉降—時(shí)間變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖6。在固結(jié)過(guò)程中，在新路基荷載的作用下，孔隙水不斷被排除，地基中孔隙水壓力逐步消散，因此，路基的固結(jié)沉降速率不斷減小。折線(xiàn)斜率在1 000 d時(shí)幾乎趨于零，這說(shuō)明1 000 d后路基的固結(jié)沉降已經(jīng)基本完成。

3.2 新舊路基采取的處治措施

由以上分析可知，沒(méi)有采取任何處治措施的情況下，新路基的填筑會(huì)引起舊路基的附加變形，產(chǎn)生新舊路基不均勻沉降，會(huì)對(duì)后期線(xiàn)路的運(yùn)營(yíng)造成嚴(yán)重的危害。因此，必須對(duì)新舊路基結(jié)合部采取一定的處治措施，提高新舊路基的整體性和穩(wěn)定性，減小不均勻沉降。比較常見(jiàn)的處治措施有：舊路基開(kāi)挖臺(tái)階，加筋土路基，輕質(zhì)路基以及復(fù)合地基等。由于復(fù)合地基造價(jià)較高，施工期長(zhǎng)，因此在實(shí)際施工中不常采用。

1)開(kāi)挖臺(tái)階

在舊路基上開(kāi)挖臺(tái)階，可以提高新舊路基的整體性，有效防止新舊路基之間的滑移，減小不均勻變形。但臺(tái)階開(kāi)挖的尺寸不能過(guò)大，過(guò)大不但會(huì)增加原有路基的開(kāi)挖量，而且會(huì)增加新路基的自重，進(jìn)而引起較大變形。該方法在工程中已經(jīng)有所應(yīng)用，實(shí)踐證明效果良好［3］。

2)加筋土路基

利用土工合成材料的高強(qiáng)度、韌性等力學(xué)性能，在新舊路基銜接的臺(tái)階處設(shè)置土工格柵，可有效加強(qiáng)新舊路基間的聯(lián)結(jié)，減少不均勻沉降和側(cè)向位移。土工格柵的加固機(jī)理存在于土工格柵與路基土的相互作用中。其一，格柵表面與土體產(chǎn)生摩擦;其二，由于網(wǎng)孔的存在，網(wǎng)格上層的填料與下層的填料可以相互作用，對(duì)加固材料產(chǎn)生鎖定作用。因此加筋土路基具有較強(qiáng)的摩擦性和一體性［4］。

3)輕質(zhì)路基

輕質(zhì)路基采用輕質(zhì)填料填筑路基，可以提高新路基的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，減小新路基本身的壓縮變形以及長(zhǎng)期列車(chē)荷載作用下引起的路基塑性累積變形。由于其自重輕，也可以減小對(duì)老路基和地基的附加壓力，進(jìn)而減小了地基的固結(jié)變形，減小不均勻沉降。常用的輕質(zhì)路基填料有粉煤灰，EPS等。該方法已經(jīng)在工程實(shí)踐中得到應(yīng)用，效果良好。

3.3 新舊路基采取處治措施后效果分析

通過(guò)有限元計(jì)算結(jié)果，分別從路基頂面豎向(水平)位移，地基表面豎向位移以及坡腳水平位移4個(gè)方面對(duì)3種處治措施的處治效果進(jìn)行對(duì)比分析。

3.3.1 新舊路基頂面位移

圖7和圖8是新舊路基在不同處治措施下路基頂面沉降和水平位移對(duì)比圖。由圖可知，輕質(zhì)路基較加筋土路基和開(kāi)挖臺(tái)階法改善效果更佳。輕質(zhì)路基將最大豎向位移由7.52 cm變?yōu)?.19 cm。最大水平位移由2.44 cm減小為1.21 cm，較大地減小了新舊路基的不均勻沉降。

圖7 不同處治措施下路基頂面沉降曲線(xiàn)

圖8 不同處治措施下路基頂面水平位移曲線(xiàn)

3.3.2 地基表面沉降

圖9和圖10分別描述了地基表面在不同處治措施下沉降和新路基右側(cè)坡腳處不同深度處的水平位移。由圖可知，加筋土路基和輕質(zhì)路基在豎向和水平位移都比開(kāi)挖臺(tái)階法有所改善，但加筋土路基的改善效果不夠明顯。輕質(zhì)路基將最大豎向位移由8.06 cm變?yōu)?.76 cm;水平位移由1.22 cm減小為0.75 cm，較大地減小了新舊路基的不均勻沉降。

圖9 不同處治措施下地基表面沉降曲線(xiàn)

圖10 新路基右側(cè)坡腳處地基不同深度下水平位移曲線(xiàn)

4 結(jié)論

由以上分析可知，開(kāi)挖臺(tái)階，加筋土路基以及輕質(zhì)路基等3種處治措施都可以有效地減少路基和地基的沉降及水平位移，從而提高路基和地基的承載力和穩(wěn)定性。

1)新舊路基結(jié)合面未采取處治措施時(shí)，新舊路基頂面沉降最大值發(fā)生在新路基的最右端。地基表面沉降最大值發(fā)生在新舊路基結(jié)合處附近。

2)開(kāi)挖臺(tái)階對(duì)新舊路基結(jié)合處的加固效果較明顯。土工格柵可以提高新舊路基整體穩(wěn)定性。輕質(zhì)路基可使水平位移和豎向沉降都有顯著的減小，在3種處治措施中效果最佳。

3)數(shù)值計(jì)算的精度很大程度上依賴(lài)于物理力學(xué)參數(shù)的準(zhǔn)確度。本文的參數(shù)主要來(lái)自于地質(zhì)勘察資料和室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，其準(zhǔn)確性應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行反演分析，這一部分仍有待探討。

［1］陸新民，謝關(guān)云．湖鹽公路改建工程路基沉降計(jì)算分析及預(yù)測(cè)［J］．浙江交通科技，2003(4)：3-6．

［2］費(fèi)正華，鄧水明．應(yīng)用鄧肯—張非線(xiàn)性模型近似計(jì)算路基沉降［J］．中南公路工程，2001(3)：15-16．

［3］翁翕，賈力宏，張理京．露天采場(chǎng)臺(tái)階開(kāi)挖對(duì)公路路基穩(wěn)定性影響的有限元數(shù)值模擬和評(píng)價(jià)［J］．巖土工程技術(shù)，1998(1)：16-20．

［4］劉勝群，陳玉平．加筋土路基非線(xiàn)性有限元分析研究［J］．鐵道建筑，2006(8)：61-64．

U213.1+5

A

1003-1995(2012)01-0086-03

2011-05-13;

2011-08-31

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50820135907;50909056)

李方東(1974— )，男，山東東平人，高級(jí)工程師。

(責(zé)任審編 葛全紅)