董金燕

摘要：軟土地基中的橋臺(tái)樁可能會(huì)受到路堤荷載引起的垂直和水平土壤移動(dòng)的影響。為了限制土體的運(yùn)動(dòng)，采用復(fù)合樁基，往往會(huì)改善引道路堤下的軟土地基，其目的是減輕高速列車通過橋梁引起的隆起。文章對(duì)水泥粉煤灰碎石樁與土工格柵聯(lián)合加固的粉質(zhì)黏土路基進(jìn)行了一系列三維離心模型試驗(yàn)，分析了地基置換率（m）對(duì)路堤荷載作用下橋臺(tái)樁響應(yīng)的影響。同時(shí)，對(duì)不同地基置換率的樁加固地基進(jìn)行了數(shù)值研究。結(jié)果表明，采用CFG樁對(duì)引道路堤地基進(jìn)行加固后，橋臺(tái)樁的受力性能明顯提高，置換率的臨界值在4.9%以上，CFG樁基礎(chǔ)的作用是有限的。這意味著，在將橋頭跳車風(fēng)險(xiǎn)降至最低的同時(shí)，優(yōu)化改良地基對(duì)于具有成本效益的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

關(guān)鍵詞：橋臺(tái)樁;軟土地基;粉煤灰

中圖分類號(hào)：U443.15文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.13282/j.cnk..wccst.2021.01.044

文章編號(hào)：1673-4874（2021）01-0162-04

0引言

在鐵路工程中，橋頭引道路堤（BAE）中所謂的“橋頭跳車”所帶來的工程問題已成為困擾鐵路長期運(yùn)營安全和舒適性的難題。隆起主要是由軌道剛度突變引起的，這與結(jié)構(gòu)和地基的不連續(xù)性、回填的不均勻沉降等因素有關(guān)。除此之外，軟土地基上路堤的施工可能導(dǎo)致顯著的豎向和水平土體移動(dòng)[1-2]。土的運(yùn)動(dòng)反過來又會(huì)引起鄰近橋臺(tái)樁的附加應(yīng)力和位移，使樁或橋梁結(jié)構(gòu)可能發(fā)生不可容忍的移動(dòng)甚至結(jié)構(gòu)破壞。因此，研究橋臺(tái)樁在引道路堤引起的土體運(yùn)動(dòng)下的受力性能，具有十分重要的意義[3-4]。

本文介紹了一系列離心機(jī)模型試驗(yàn)和三維數(shù)值模擬的結(jié)果，以了解橋臺(tái)樁在改變路堤下復(fù)合樁基的替代率（m）時(shí)的行為。重點(diǎn)分析了橋臺(tái)樁的軸向力、彎矩、接觸壓力和水平位移等，為優(yōu)化橋頭引道路堤的地基處理設(shè)計(jì)，保證高速鐵路軌道的長期穩(wěn)定提供了建議。

1離心機(jī)模型

1.1實(shí)驗(yàn)裝置

在土工離心機(jī)上進(jìn)行了4個(gè)離心模型試驗(yàn)，采用100g最大離心機(jī)，加速度為200g，有效半徑為2.7m。用于離心模型試驗(yàn)的模型容器由鋁合金制成，尺寸為800mm×600mm×600mm（長寬高）。所有離心模型試驗(yàn)均以80g的徑向加速度進(jìn)行，因此在離心模型試驗(yàn)期間產(chǎn)生的垂直有效應(yīng)力分布將與尺寸>80倍的原型相同。離心模型試驗(yàn)如圖1所示。

模型底面由一層100mm厚的軟粉質(zhì)黏土層組成，下面是一層250mm厚的超固結(jié)黏土層。橋臺(tái)包括三排樁，長為195mm，外徑為12mm。距樁排中心為37.5mm，樁排間距為40mm（見圖2）。

混凝土樁帽厚32mm，與擋土墻整體采用現(xiàn)澆連接，與樁相比，其設(shè)計(jì)為剛性彎曲。模型路堤的前坡和側(cè)坡的比例約為1.5：1?？紤]了復(fù)合樁基的4種置換率（m=2.2%、3.1%、4.9%和8.7%）。表1、表2總結(jié)了4個(gè)離心模型試驗(yàn)中使用樁的參數(shù)，包括混凝土粉煤灰碎石（CFG）和橋臺(tái)樁，原型比例尺上的相應(yīng)值列在方括號(hào)中。

1.2土壤性質(zhì)和樣品制備

離心模型試驗(yàn)所用的土壤是從成都的一個(gè)現(xiàn)場試驗(yàn)點(diǎn)取樣的，被稱為“成都黏土”，是成都平原典型的軟黏土。上部粉質(zhì)黏土層由成都粉質(zhì)黏土泥漿制備，下部黏土層由成都黏土泥漿制備。對(duì)于場地內(nèi)粉質(zhì)黏土和黏土性質(zhì)相似的模型試驗(yàn)，以密度和含水量為主要控制參數(shù)，其次為強(qiáng)度指標(biāo)。從現(xiàn)場獲得的土壤樣品經(jīng)過風(fēng)干和機(jī)械粉碎，然后通過2mm篩。其后，用去火水將風(fēng)干土粉與水混合，達(dá)到所需含水量，再進(jìn)行機(jī)械攪拌。黏土泥漿在真空條件下至少脫氣24h。根據(jù)給定的土壤容重，可以預(yù)先確定試驗(yàn)所需容器內(nèi)每層土壤的重量。而后，將黏土漿水平分層放置，自下而上，高度為25cm，每層填料厚度為2cm。粉質(zhì)黏土以相同的方式鋪設(shè)至35cm高。對(duì)重塑土樣進(jìn)行了固結(jié)和快速直剪試驗(yàn)，以確定其物理力學(xué)性質(zhì)。

1.3試驗(yàn)程序

整地完成后，將模型容器安裝在離心機(jī)平臺(tái)上，初始固結(jié)階段設(shè)置為2h，加速度為80g，以允許黏土層中多余孔隙水壓力的消散，從而保持土壤沉降。然后，暫停離心機(jī)，以便在設(shè)計(jì)位置安裝樁臺(tái)。首次采用與樁徑相同的鉆機(jī)在設(shè)計(jì)樁位鉆孔，直至達(dá)到設(shè)計(jì)深度，再利用液壓千斤頂將預(yù)制樁臺(tái)緩慢垂直安裝至理想深度。這意味著，在離心模型試驗(yàn)中模擬的橋臺(tái)樁被視為“希望就位”，旨在模擬鉆孔樁。隨后，CFG模型樁以給定的置換率（見表1）安裝在黏土地基中，并在其上放置預(yù)制黏土路堤模型。最后，以80g的加速度運(yùn)行離心機(jī)，并監(jiān)測儀器化橋臺(tái)樁的響應(yīng)。

2數(shù)值分析

采用ltasca（2005）開發(fā)的有限差分程序FLAC3D對(duì)CFG樁支護(hù)引道路堤對(duì)橋臺(tái)樁性狀的影響進(jìn)行了數(shù)值分析。通過對(duì)離心模型試驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證，對(duì)三維數(shù)值模型進(jìn)行了驗(yàn)證，并進(jìn)行參數(shù)研究，揭示了影響橋臺(tái)樁基響應(yīng)的關(guān)鍵因素，特別強(qiáng)調(diào)了樁基換填率的影響，并在離心模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了數(shù)值研究。

2.1數(shù)值模型與邊界條件

根據(jù)離心機(jī)模型原型的幾何結(jié)構(gòu)，建立了全尺寸三維數(shù)值模型（如圖3所示），其中x、y和z分別表示橫向、縱向和垂直方向。在數(shù)值模型中，樁與周圍土的接觸單元可以實(shí)現(xiàn)樁土的接觸、滑移和離層。

模型采用的邊界條件如圖4所示。根據(jù)離心模型試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證數(shù)值模型后，參數(shù)研究考慮了置換率（m）為8.7%、4.9%、3.1%和2.2%的四個(gè)值，以模擬不同程度的地基加固工況，分別對(duì)應(yīng)CFG樁間距直徑比為3、4、5和6。橋臺(tái)樁被建模為厚度為2mm的樁單元。

2.2數(shù)值程序

每個(gè)數(shù)值分析遵循與離心模型試驗(yàn)相同的程序：

（1）在原型尺度的基礎(chǔ)上建立地基模型的網(wǎng)格，將本構(gòu)模型和材料特性賦予土層，建立初始邊界條件，然后在自重作用下建立兩層地基的初始應(yīng)力狀態(tài)。

（2）設(shè)置初始邊界條件，然后在自重作用下，在兩層土壤剖面中建立初始應(yīng)力狀態(tài)。