陳濤

摘要：運(yùn)營(yíng)期的鐵路沉降分析是鐵路建設(shè)中控制成本的重點(diǎn)考慮因素，針對(duì)拉伊鐵路軟土地區(qū)橋臺(tái)路基運(yùn)營(yíng)期沉降分析，通過(guò)動(dòng)荷載加載400次、800次、1200次進(jìn)行變形計(jì)算，研究運(yùn)營(yíng)期拉伊鐵路的軟土區(qū)橋臺(tái)路基變形。結(jié)果表明：當(dāng)持力層較深時(shí)，軟土地區(qū)鐵路橋梁可根據(jù)計(jì)算采用摩擦樁，運(yùn)營(yíng)期的沉降在列車運(yùn)行400次內(nèi)，其變形較大，在400～800次存在一定的變形，1200次后橋臺(tái)路基沉降基本上趨于穩(wěn)定，且其工后沉降滿足鐵路變形控制要求。

關(guān)鍵詞：鐵路工程；運(yùn)營(yíng)期；沉降計(jì)算；軟土地區(qū)；摩擦樁

0? ?引言

軟土路基對(duì)于工程的施工及使用均存在不利的影響。當(dāng)軟土路基土層處于流、軟塑狀況時(shí)，對(duì)于大跨度橋梁樁基需要較大的樁徑，軟土導(dǎo)致工程樁基施工的側(cè)壁難以成型，需采用強(qiáng)度較高的泥漿護(hù)壁，必要情況下需采用鋼護(hù)筒進(jìn)行跟進(jìn)施工。

鐵路軟土路基的工后沉降對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)影響較大，需進(jìn)行路基處理，才能保證鐵路路基的安全，避免發(fā)生不利于鐵路運(yùn)行的路基沉降等問(wèn)題。運(yùn)營(yíng)期鐵路的沉降，通常是由于循環(huán)動(dòng)荷載作用下塑性應(yīng)變不斷積累和下臥層土體不斷固結(jié)產(chǎn)生的。

目前，國(guó)內(nèi)軟土地基的研究已成為熱點(diǎn)問(wèn)題。如雷華陽(yáng)[1]等針對(duì)排水板易淤堵、加固效果欠佳等問(wèn)題，提出一種新型交替式預(yù)壓技術(shù)，可有效防止淤堵泥層的加劇，使得土體加固效果提升。王連俊等[2]針對(duì)云南某高速公路河谷區(qū)復(fù)雜沉積環(huán)境多層軟土地基，采用強(qiáng)夯墊層法處理的加固效果與沉降變形進(jìn)行觀測(cè)研究，在地基處理及路基填筑期間，通過(guò)不同觀測(cè)斷面的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了不同類型軟土地基的土體變形、應(yīng)力和孔隙水壓力等數(shù)據(jù)隨時(shí)間的變化規(guī)律。周洺漢[3]等針對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)期路基沉降進(jìn)行研究，通過(guò)一系列的方式手段對(duì)運(yùn)營(yíng)期鐵路路基沉降進(jìn)行綜合治理，研究一種解決鐵路運(yùn)營(yíng)路基期沉降的方法。

中國(guó)鐵路技術(shù)在國(guó)際舞臺(tái)不斷進(jìn)步、標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程不斷發(fā)展，使得中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)鐵路在國(guó)際上占據(jù)了較大的市場(chǎng)份額。同時(shí)在不同的地區(qū)因其環(huán)境及地質(zhì)情況的不同，給我國(guó)鐵路的設(shè)計(jì)建造帶來(lái)了較大的挑戰(zhàn)。本次研究以拉伊鐵路為背景，對(duì)軟土路基段處理措施、軟土區(qū)橋臺(tái)路基處置措施和軟土區(qū)橋梁樁基選型進(jìn)行了介紹，并對(duì)軟土地區(qū)段橋臺(tái)處路基運(yùn)營(yíng)期在列車動(dòng)荷載作用下固結(jié)沉降問(wèn)題進(jìn)行研究[4]，分析其動(dòng)荷載對(duì)軟土區(qū)橋臺(tái)路基處的沉降影響。

1? ?工程概況

拉伊鐵路正線總長(zhǎng)度156.075km，位于尼日利亞國(guó)西南部，南起尼日利亞最大的港口城市Lagos市，向東北經(jīng)Abeokuta、Ibadan城市。線路所經(jīng)地區(qū)地形呈波狀起伏，地勢(shì)北高南低，地面高程海拔10～650m，相對(duì)高差100m以上，從南至北為南部海積平原區(qū)、低山丘陵區(qū)、侵蝕平原及剝蝕殘丘區(qū)。

拉伊鐵路里程DK0+000～DK23+500段為濱海海積平原，地勢(shì)平坦，區(qū)間分布許多瀉湖，最為出名的為拉各斯瀉湖。根據(jù)地質(zhì)情況可知，鐵路沿線地質(zhì)情況較差，部分路基段位于軟弱土層，軟土地區(qū)對(duì)工程建設(shè)及鐵路運(yùn)營(yíng)均存在較大的不利影響，同時(shí)工程地勢(shì)地面高程為5～250m。

拉伊鐵路沿線地下水埋藏于濱海及海積平原區(qū)及各大河谷中的第四系沖積層中，埋深2～5m，水量豐富，主要受地表水及大氣降水雙重補(bǔ)給，水質(zhì)受自然環(huán)境影響較大，其中濱海海積平原區(qū)的孔隙潛水水質(zhì)較差。

拉伊鐵路軌道路基段正線采用ⅢB型混凝土軌枕+彈條Ⅲ型扣件，橋面段采用新Ⅲ型橋枕+Ⅱ型扣件；正線軌道上道岔采用P60-12和P60-9道岔，側(cè)線采用P50-9道岔。正線與側(cè)線采用有砟軌道無(wú)縫線路鋪設(shè)，軌道示意圖如圖1所示。

2? ?軟土區(qū)路基處理和橋梁樁基選型

2.1? ?海積平原路基處理措施

拉伊鐵路里程DK0+000～DK23+500段位于海積平原地區(qū)，場(chǎng)地存在深厚淤泥，作為鐵路路基結(jié)構(gòu)段時(shí)路基沉降較大，不滿足鐵路沉降控制，為控制該路段的沉降值，可增加該路基上層土體的整體剛度，防止因局部沉降導(dǎo)致路基結(jié)構(gòu)的破壞，一般路基段結(jié)構(gòu)擬采用釘形水泥土雙向攪拌樁處理。其中：攪拌樁直徑為500mm，總樁長(zhǎng)16m，擴(kuò)大頭為800mm，長(zhǎng)2m，樁基分布采用2m矩形布置。

施工期樁頂清表后，頂層設(shè)置砂礫褥墊層（500mm），內(nèi)鋪土工格柵一層（雙向60kN）。道路上層結(jié)構(gòu)上填礦渣，均勻分層夯實(shí)，回填至路基結(jié)構(gòu)層下。

2.2? ?路基與橋梁銜接處措施

針對(duì)路基與橋臺(tái)結(jié)構(gòu)不均勻沉降問(wèn)題，臨近橋臺(tái)路基采用釘形水泥土雙向攪拌樁處理，直徑為500mm，擴(kuò)大頭采用長(zhǎng)2m、直徑800mm的結(jié)構(gòu)，總樁長(zhǎng)以12～18m變樁長(zhǎng)控制，樁基分布采用1.3m矩形布置。

樁頂清表與路基段一致，臨近橋臺(tái)路基相接段采用泡沫混凝土填筑，路基上層填筑礦渣（橋臺(tái)后、涵洞后10m為級(jí)配砂礫），均勻分層夯實(shí)，回填至路基結(jié)構(gòu)層下。

2.3? ?確定鐵路橋梁樁基結(jié)構(gòu)

因大部分路段土層基巖較淺，巖層具有較大的承載力，為此該路段鐵路橋采用端承樁。濱海海積平原區(qū)段層深厚軟土層，采用端承樁時(shí)需設(shè)置較長(zhǎng)的樁基，存在造價(jià)高等問(wèn)題。對(duì)于濱海海積平原區(qū)，可通過(guò)沉降分析計(jì)算研究采用摩擦樁的可行性。

以軟濱海海積平原區(qū)12-15號(hào)墩臺(tái)為例，該橋梁正線橋面寬度為11m，墩臺(tái)的尺寸如圖2所示。其中：12、13號(hào)墩承臺(tái)長(zhǎng)10.2m，寬6.9m，樁長(zhǎng)38m；14號(hào)墩承臺(tái)長(zhǎng)15m，寬8m，樁長(zhǎng)39m；15號(hào)墩承臺(tái)長(zhǎng)14.3m，寬10.4m，樁長(zhǎng)40m。其中，12、13、14、15等墩臺(tái)的樁均采用摩擦樁，所處地層為①₀素填土、①₁黏土、②₁淤泥、④₁黏土、⑤₁黏土、⑤₂粉質(zhì)黏土。

本工程濱海海積平原區(qū)土層較差，針對(duì)不同的路段其基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)均不一致，路基段處置方案主要是對(duì)上層軟土地層進(jìn)行加固處理，加固深度總長(zhǎng)可達(dá)18m。根據(jù)沉降分析可知，鐵路工后沉降變形可控。橋梁段可采用摩擦樁，同時(shí)需對(duì)橋梁段工后沉降進(jìn)行變形計(jì)算。

3? ?橋梁段工后沉降分析

為驗(yàn)證拉伊鐵路濱海海積平原區(qū)橋梁工后沉降問(wèn)題，選取DK0+000～DK23+500段12-15號(hào)橋梁樁基進(jìn)行研究，該段處于深厚淤泥地層，橋梁樁基采用摩擦樁。

軟土路基濱海海積平原區(qū)12-15號(hào)墩臺(tái)位置土層參數(shù)參考詳勘報(bào)告，土層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

3.1? ?荷載分析

3.1.1? ?靜荷載

列車（活）荷載按相關(guān)規(guī)范選取，簡(jiǎn)稱中-活載?；钶d的分布情況如圖3所示。活載主要通過(guò)軌道進(jìn)行傳播，將下層結(jié)構(gòu)作用于一個(gè)整體，鐵路的荷載直接作用在下層結(jié)構(gòu)，為垂直受力。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范，活載的作用須按最不利情況考慮。按運(yùn)營(yíng)過(guò)程中承受的最大的荷載作用，即最大軸重進(jìn)行考慮。同時(shí)在有限差分模型中，可將集中力轉(zhuǎn)化為縱向均布的線荷載，其線荷載的值如下：

P_s=220/1.5=146.67kN/m（1）

3.1.2? ?動(dòng)荷載

根據(jù)鋼軌的分布情況可知，在輪載力P作用下，根據(jù)碎石道床軌道結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)受力情況，一般認(rèn)為列車輪載荷載主要由5～7根軌枕承擔(dān)，并通過(guò)道床傳遞給路基。

通過(guò)簡(jiǎn)化計(jì)算，假定列車的荷載作用由5根軌枕分擔(dān)，其分擔(dān)到每根枕面上的支承力，假定分別為0.4P，0.2P及0.1P，如圖4所示。

輪載力P是按動(dòng)荷載計(jì)算，具體如下：

P_d=P_s（1+αv/100）（2）

式中：P_d為動(dòng)輪載，P_s為靜輪載，α為沖擊系數(shù)通過(guò)規(guī)范取值，采用無(wú)縫線路時(shí)，α=0.00；v為列車運(yùn)行速度。

拉伊鐵路正線設(shè)計(jì)速度為150km/h，支線速度為80km/h，本次針對(duì)正線速度150km/h進(jìn)行驗(yàn)算。根據(jù)相關(guān)研究及參考規(guī)范，模擬車輛荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，通過(guò)對(duì)軌道施加車輛荷載來(lái)模擬巖土體在荷載作用下的反應(yīng)。運(yùn)用正弦波荷載定義車輛荷載的表達(dá)式如下：

F₀=P_s+P_dsin（wt）（3）

式中：P_d為動(dòng)輪載，P_s為靜輪載。

3.1.3? ?不同動(dòng)荷載作用下

列車荷載為采用不同的次數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算，考慮列車的行駛速度為150km/h，荷載加載次數(shù)分別為400次、800次、1200次，加載時(shí)間設(shè)為0.25s。

3.2? ?模型建立及變形計(jì)算

3.2.1? ?建模

模型計(jì)算根據(jù)工程的情況選取，本次模型計(jì)算采用有限元進(jìn)行分析，模型采用簡(jiǎn)化模型，模型的取值范圍為170m×27m×108m（長(zhǎng)×寬×高），模擬該范圍內(nèi)的地應(yīng)力巖土結(jié)構(gòu)分析。

本次有限元分析主要針對(duì)列車動(dòng)荷載應(yīng)用過(guò)程，模型鉆孔樁、土層及橋跨結(jié)構(gòu)均采用實(shí)體單元進(jìn)行建模。模型整體三維結(jié)構(gòu)共47562個(gè)單元，56789個(gè)結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)。

有限元模型根據(jù)結(jié)構(gòu)模型分為橋梁結(jié)構(gòu)單元、土層結(jié)構(gòu)單元，其中橋梁等混凝土結(jié)構(gòu)采用彈性本構(gòu)模型，土層單元本構(gòu)模型采用M-C彈塑性模型。

模型邊界條件主要為有約束的邊界，根據(jù)模型結(jié)構(gòu)X、Y、Z的三個(gè)方向，X、Y側(cè)邊界約束采用水平法向約束，模型低部采用固定約束，頂面不施加約束。橋梁樁位于土層中模型如圖5所示。

3.2.2? ?變形計(jì)算

模型的受力分為兩步進(jìn)行，第一步為模型的自重應(yīng)力，模型通過(guò)施加自重應(yīng)力后，即可進(jìn)行地應(yīng)力平衡，待平衡后再施加動(dòng)荷載。動(dòng)荷載可通過(guò)靜荷載在模型中進(jìn)行施加，動(dòng)荷載加載為不斷重復(fù)過(guò)程，并通過(guò)接口程序不斷的運(yùn)行，然后記錄加載400次、800次、1200次結(jié)果。

通過(guò)計(jì)算分析可知，其最終加載1200次的應(yīng)變結(jié)果如圖6所示。同時(shí)其軌道中心線工后沉降如圖7所示。不同荷載次數(shù)的變形位移如表2所示。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知：動(dòng)荷載在加載400次內(nèi)，其結(jié)果變化較大，為變形高速發(fā)展過(guò)程；動(dòng)荷載在加載400～800次，發(fā)生一定的變形，該過(guò)程為發(fā)展期；動(dòng)荷載在加載800～1200次，變形基本趨向穩(wěn)定，變形較少，為穩(wěn)定收斂期。

運(yùn)營(yíng)期最大沉降位于12-15橋臺(tái)間，考慮到結(jié)構(gòu)的塑性變形的不利因素，其最大沉降為4.21mm，滿足鐵路變形的控制要求，同時(shí)給軌道扣件預(yù)留了變形空間。

4? ?結(jié)束語(yǔ)

運(yùn)營(yíng)期的鐵路沉降分析是鐵路建設(shè)中控制成本的重點(diǎn)考慮因素。本文針對(duì)拉伊鐵路軟土地區(qū)路基沉降問(wèn)題，提出了軟土地區(qū)路基段處置措施、軟土區(qū)臨近橋臺(tái)路基處置措施和軟土區(qū)橋梁段樁基措施。

針對(duì)拉伊鐵路軟土地區(qū)橋臺(tái)路基運(yùn)營(yíng)期沉降分析，通過(guò)動(dòng)荷載加載400次、800次、1200次進(jìn)行變形計(jì)算，研究運(yùn)營(yíng)期拉伊鐵路的軟土區(qū)橋臺(tái)路基變形。得出以下結(jié)論：

拉伊鐵路軟土區(qū)路基采用釘形水泥土雙向攪拌樁處理措施，頂層設(shè)置500mm厚砂礫褥墊層，內(nèi)鋪土工格柵一層。路基和橋臺(tái)銜接處采用釘形水泥土雙向攪拌樁處理，橋臺(tái)路基相接段填筑泡沫混凝土，軟土區(qū)橋梁采用摩擦樁形式，即能夠滿足施工要求。

橋梁段運(yùn)營(yíng)期最大沉降位于12-15橋臺(tái)間，其最大沉降量為4.21mm，滿足鐵路橋的安全控制要求。

橋梁段動(dòng)荷載的影響過(guò)程分為高速發(fā)展期、發(fā)展期、穩(wěn)定收斂期等3個(gè)過(guò)程，拉伊鐵路軟土路基運(yùn)營(yíng)期在動(dòng)荷載0～400次為高速發(fā)展期，400～800次為發(fā)展期，800～1200為穩(wěn)定收斂期。

參考文獻(xiàn)

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