摘 要：通過(guò)對(duì)鄭西客運(yùn)專線ZXZQ01標(biāo)段水泥土擠密樁加固處理濕陷性黃土地基工后沉降的數(shù)值模擬試驗(yàn)，分析墊層模量、墊層厚度、樁長(zhǎng)及樁體模量對(duì)路基工后沉降的影響，提出了一些參考數(shù)值，以期對(duì)今后同類工程項(xiàng)目提供一定的借鑒。

關(guān)鍵詞：水泥土擠密樁；濕陷性黃土地基；工后沉降預(yù)測(cè)

近年來(lái)對(duì)高速鐵路路基工后沉降控制的研究越來(lái)越受到人們的關(guān)注，路基的沉降觀測(cè)和預(yù)測(cè)在工程中有著十分重要的意義，解決軟基路堤沉降問(wèn)題，是工程設(shè)計(jì)與施工的關(guān)鍵所在。在地基沉降計(jì)算方面，理論分析難于考慮路基在復(fù)雜工況下的實(shí)際受力特性，不易把握，實(shí)驗(yàn)研究具有一定的可靠真實(shí)性，但可能會(huì)受資金、時(shí)間、試驗(yàn)難度等條件的制約，實(shí)驗(yàn)難于實(shí)現(xiàn)。數(shù)值模擬分析具有可重復(fù)性及經(jīng)濟(jì)性的特點(diǎn)，與實(shí)驗(yàn)研究相互補(bǔ)充，是研究結(jié)果可靠，成本降低，成為了一種有效而可靠的研究手段。

1 工程概況

鄭西客運(yùn)專線ZXZQ01標(biāo)段正線長(zhǎng)42.278km，路基長(zhǎng)17.408km，占線路全長(zhǎng)的37.2%，大部分處于濕陷性黃土地區(qū)，采用水泥土擠密樁處理。樁徑0.4～0.5m，間距0.9～1.1m，樁長(zhǎng)4～15m，按正三角形布置，樁頂鋪1.0m厚的三七灰土加筋墊層，筋材采用抗拉強(qiáng)度不小于80KN/m的土工格柵。基床底層及其以下路基本體采用5%石灰改良土填筑，基床表層以下及路橋過(guò)渡段采用5%石灰穩(wěn)定級(jí)配碎石填筑。鄭西客運(yùn)專線是我國(guó)濕陷性黃土地區(qū)修建的第一條高標(biāo)準(zhǔn)鐵路客運(yùn)專線，設(shè)計(jì)對(duì)路基工后沉降有明確和嚴(yán)格的規(guī)定，必須對(duì)黃土地基的濕陷性變形量或壓縮變形量進(jìn)行控制，合理確定濕陷性黃土地基的設(shè)計(jì)原則和處理措施，提出可靠的地基加固設(shè)計(jì)方案、方法、參數(shù)和檢驗(yàn)指標(biāo)，確保工后沉降滿足鋪軌和行車的要求。

2 水泥土擠密樁加固處理濕陷性黃土地基工后沉降數(shù)值模擬分析計(jì)算

本文借助有限元分析軟件ANSYS對(duì)水泥土擠密樁加固處理濕陷性黃土地基工后沉降進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

2.1 本構(gòu)模型的選取

2.1.1 土的線彈性模型

線彈性模型為最基本的本構(gòu)模型， 其本構(gòu)關(guān)系符合廣義虎克定律， 模型只涉及兩個(gè)獨(dú)立參數(shù)： 彈性模量E和泊松比， 可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)或借助以往經(jīng)驗(yàn)選取， 目前在工程中廣泛使用。

2.1.2 土的彈塑性模型

對(duì)于巖土材料而言，目前應(yīng)用最廣的彈塑性模型就是Drucker- Prager模型 （簡(jiǎn)稱DP）。

則DP準(zhǔn)則的屈服面不隨材料的屈服而改變，因此沒(méi)有強(qiáng)化準(zhǔn)則， 其本構(gòu)模型采用理想彈塑性，流動(dòng)法則可以采用關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則或非關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則。該準(zhǔn)則的屈服強(qiáng)度隨著側(cè)限壓力的增加而增加，考慮了由于屈服而引起的體積膨脹，但不考慮溫度變化的影響。采用DP理想彈塑性模型比線彈性模型更能模擬土體的彈塑性性質(zhì)。

2.2 基本假定

2.2.1 各種材料為均質(zhì)、連續(xù)的各向同性體。

2.2.2 樁體和路基表面的級(jí)配碎石（即路基表層）剛度較大，一般未達(dá)到屈服狀態(tài)，故按線彈性材料考慮，符合廣義胡克定律。

2.2.3 地基土視為彈塑性體。

2.3 有限元模型的建立

為使問(wèn)題簡(jiǎn)化處理，本文擬取15×20群樁復(fù)合地基進(jìn)行分析討論。采用的有限元計(jì)算模型與鄭西客運(yùn)專線實(shí)際工程的條件保持一致，基床表層采用A組填料填筑，路基采用5%石灰改良土填筑，本體和基床部分壓實(shí)系數(shù)分別要求達(dá)到0.92和0.95，樁孔直徑為500mm。計(jì)算參數(shù)位置和各材料的參數(shù)圖見(jiàn)表1。

為減少剖分單元，減少運(yùn)算時(shí)間，按等面積替換的原則將樁截面形狀以正方形代替圓形?？紤]到對(duì)稱性，取半結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。選取的計(jì)算區(qū)域?yàn)椋哼x取右半幅路基，黃土地基豎向尺寸取30m，橫向分析程度取地基處理寬度以外20m，橫向20排樁，樁間距為0.607m；縱向長(zhǎng)度取13.185m，縱向15排樁，樁間距為0.467m。左右側(cè)邊界（X向）采用X向約束支座，前后側(cè)邊界（Z向）采用Z向約束支座；下邊界（Y向）采用固定約束，即X向，Y和Z向都不發(fā)生位移；上邊界為自由邊界。荷載分5級(jí)進(jìn)行加載，每級(jí)加載值分別為30KPa、60KPa、90KPa、120KPa和170KPa。

本文采用空間8結(jié)點(diǎn)等參單元，共剖分105720個(gè)單元，109800個(gè)結(jié)點(diǎn)（網(wǎng)格剖分示意圖見(jiàn)圖1）

2.4 計(jì)算結(jié)果分析

本文共計(jì)算4中工況，20組方案，各計(jì)算方案地基土的彈性模量保持不變，改變樁長(zhǎng)，填筑高度，墊層厚度，剛度和樁體剛度值，實(shí)現(xiàn)樁體，基礎(chǔ)與地基土彈性模量的變化。由于該模型中擠密樁較多，故只取縱向第8排樁的第3根樁進(jìn)行分析。

2.4.1 墊層模量對(duì)樁頂位移的影響

墊層剛度分別取10、30、50、80、100MPa進(jìn)行計(jì)算，以探討墊層模量的改變對(duì)半剛性樁復(fù)合地基的影響規(guī)律。由圖2看出：隨著墊層模量的逐漸增加，樁頂位移越來(lái)越小，但是該位移變化曲線的斜率在10～50MPa之間的最大，在50～80MPa之間越來(lái)越小，大于80MPa時(shí)曲線的斜率趨于零。這就說(shuō)明在此種工況時(shí)選擇50～80MPa的墊層剛度是比較合適的，而僅依靠繼續(xù)增加墊層模量來(lái)降低樁頂位移的方法是不可取的。

2.4.2 墊層厚度對(duì)沉降量的影響

墊層厚度分別取0（很小）m、0.5m、1.0m和1.65m進(jìn)行計(jì)算分析。由圖3看出：當(dāng)墊層厚度<1.0m時(shí)，樁體的沉降值隨著墊層厚度的增加迅速減小，在樁頂處墊層厚度由0m增至0.5m和由0.5m增至1.0m時(shí)，樁頂?shù)某两捣确謩e為7.17mm/m、6.05mm/m；而由1.0m增至1.65m時(shí)的值僅為0.33mm/m。通過(guò)以上分析可知，在墊層厚度由1m增至1.65m的區(qū)間內(nèi)，隨著墊層厚度的增加，樁體的沉降值越來(lái)越小，但是減小的幅度很不明顯，因此，在墊層厚度達(dá)到某一值（本文取1.0m）后，單純地依靠增加墊層厚度來(lái)降低沉降方法是不可取的。復(fù)合地基實(shí)際上存在一個(gè)最佳墊層厚度。墊層厚度設(shè)置的合理與否，直接影響到墊層對(duì)復(fù)合地基沉降值的變化。若設(shè)置的墊層厚度過(guò)大，那么就增加了墊層的壓縮量，從而增加了上部結(jié)構(gòu)的沉降量，同時(shí)也要避免墊層設(shè)計(jì)過(guò)薄，以保證樁體向上相對(duì)刺入的深度和墊層的合理流動(dòng)。

2.4.3 樁長(zhǎng)對(duì)沉降量的影響

夯實(shí)水泥土樁復(fù)合地基承載力隨樁長(zhǎng)徑比的增大而提高。樁長(zhǎng)對(duì)承載力的影響表現(xiàn)為達(dá)到一定長(zhǎng)度后，增加樁長(zhǎng)對(duì)承載力的影響降低。由圖4看出：與剛性樁不同，水泥土擠密樁復(fù)合地基樁長(zhǎng)與沉降的關(guān)系曲線較為平緩。隨著樁長(zhǎng)的逐漸變大，樁體的沉降值逐漸減小，減小的幅度在樁長(zhǎng)為8～14m之間較大，在14～16m之間幅度較小，甚至不變。這說(shuō)明樁長(zhǎng)達(dá)到某一長(zhǎng)度后，增加樁長(zhǎng)對(duì)工后沉降值的影響微乎其微了，即存在一臨界值樁長(zhǎng)（約14m），這表明增加樁長(zhǎng)不能顯著減小復(fù)合地基的沉降量。因此，在達(dá)到臨界樁長(zhǎng)后，不能單純依靠增加樁長(zhǎng)的辦法來(lái)降低復(fù)合地基的沉降量。對(duì)該模型的水泥土擠密樁，臨界樁長(zhǎng)在12～14m較為理想。

2.4.4 樁體模量的影響

本文分析樁體模量對(duì)沉降變形的影響時(shí)，樁體模量分別取50、100、150、200MPa，則其對(duì)應(yīng)的樁土模量比3.73、7.52、11.28和15.04。樁體模量與沉降之間的關(guān)系直接決定著復(fù)合地基的承載力，由圖5可以看出樁體模量影響復(fù)合地基的沉降規(guī)律：隨著樁體模量的增大，樁體的沉降量逐漸減??；但在樁體模量達(dá)到某一值（150MPa）時(shí)，再繼續(xù)增加樁體模量，樁體沉降值減小的幅度越來(lái)越不明顯，這說(shuō)明在樁體模量為150MPa時(shí)，樁體發(fā)揮的作用最為理想?？梢?jiàn)樁體模量有一個(gè)合適的范圍，對(duì)水泥土擠密樁來(lái)說(shuō)，樁體模量的采用150～200MPa較為合適。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)鄭西客運(yùn)專線ZXZQ01標(biāo)段濕陷性黃土地基的數(shù)值模擬試驗(yàn)分析，可以看出沉降量預(yù)測(cè)對(duì)路基工后沉降的有效控制具有重要的意義，并得出以下結(jié)論：

3.1 褥墊層的模量和厚度對(duì)水泥土擠密樁復(fù)合地基變形特性有重要影響。墊層模量及厚度在一合適范圍內(nèi)越大，則調(diào)整樁土協(xié)調(diào)變形的能力越大；本文墊層模量50～80MPa之間選取比較合適，墊層的最佳厚度在1.0m左右。

3.2 增加樁長(zhǎng)可以在一定程度上提高復(fù)合地基的承載力，降低沉降量，但當(dāng)樁長(zhǎng)增加到一定程度時(shí)，隨著樁長(zhǎng)的增加，地基的承載力增加的效果很弱，采用合理的樁長(zhǎng)即滿足上部荷載的需要，又達(dá)到經(jīng)濟(jì)的目的，水泥土擠密樁復(fù)合地基有效樁長(zhǎng)取12～14m之間。

3.3 在一定范圍內(nèi)增加樁體的模量可以提高地基的承載力，降低沉降量，但當(dāng)模量增加到一定程度時(shí)，隨著模量的增加，沉降減小的效果很微弱，因此一味地依靠增加樁體模量來(lái)降低復(fù)合地基的沉降是不可取的，建議水泥土擠密樁復(fù)合地基的樁體模量取值在150～200MPa之間。

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作者簡(jiǎn)介：高海英（1980-），女，河南南陽(yáng)人，中鐵七局集團(tuán)有限公司工程師，研究方向：巖土工程。