水泥土擠密樁加固既有線路基數(shù)值模擬研究

趙秀紹 鄭 偉 莊錦彬 鄒遠航

(華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院， 南昌 330013)

水泥土擠密樁加固既有線路基數(shù)值模擬研究

趙秀紹 鄭 偉 莊錦彬 鄒遠航

(華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院， 南昌 330013)

水泥土擠密樁加固既有路基的施工工法在實踐中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。根據(jù)路基內(nèi)應(yīng)力分布特點，等長樁加固的工法費時耗材，進行長短樁布置能夠省時省料。本文采用有限元分析軟件建立了長短水泥土擠密樁加固路基模型，分析了不同的長短樁路基加固方案對沉降變形的影響。模擬結(jié)果表明，水泥土擠密樁能夠?qū)β坊鸬捷^好的加固效果，且鋼軌正下方兩側(cè)的加固樁對路基的加固效果有重要作用，不可減短，線路中心及鋼軌外側(cè)的加固樁可適當(dāng)減短。通過對模擬結(jié)果的分析，以期優(yōu)化后的方案能夠?qū)こ虒嵺`起到指導(dǎo)性作用。

路基加固； 水泥土擠密樁； 數(shù)值模擬； 長短樁； 優(yōu)化設(shè)計

隨著客運鐵路的提速，按照原時速設(shè)計的路基已經(jīng)不能滿足提速后的承載力要求，對既有路基進行加固，使其承載力滿足要求至關(guān)重要。水泥土擠密樁加固路基工法得到了較為廣泛的應(yīng)用。水泥土擠密樁對路基起到加固作用主要表現(xiàn)在兩個方面，一方面水泥土強度較高，相較于所置換的路基填土具有較高的強度。另一方面，擠密樁能夠?qū)吨芡馏w起到擠密作用，使原路基填土得到進一步壓實，從而提高復(fù)合地基的承載力。目前使用該工法處理既有路基均為等長樁，單線鐵路橫截面使用六根樁進行處理的工法。根據(jù)文獻[1]可知，在列車荷載作用下，路基內(nèi)動應(yīng)力分布呈現(xiàn)出馬鞍形，其特點為線路中心處及線路兩側(cè)的應(yīng)力較小，軌道正下方的應(yīng)力較大。在此應(yīng)力分布情況下，使用等長樁不僅會延長工期，亦會造成大量材料的浪費。本文通過數(shù)值模擬的手段，對等長樁加固效果和長短樁加固的效果進行了比較，得到了使用水泥土擠密樁加固路基的優(yōu)化方案。

1 長短樁計算方案

計算方案結(jié)合現(xiàn)場較常使用的六樁布置法，另外根據(jù)軌道及軌枕的空間位置關(guān)系設(shè)計五樁布置法。在此兩種布置方法的基礎(chǔ)上設(shè)置長短樁。

(1)六樁布置方案：以線路中心線為對稱軸，橫向布置6根擠密樁，如圖1所示。編號為1～6號樁，樁間距從左至右依次為0.5 m、0.7 m、0.6 m、0.7 m、0.5 m，樁長2.5 m。長短樁設(shè)置6種方案，分別為1號、6號樁縮短至1.5 m、1.0 m、0 m或2號、5號樁縮短至1.5 m、1.0 m、0 m。

圖1 六樁布置方案(m)

(2)五樁布置方案：以單線鐵路線路中心線為對稱軸，橫向布置5根擠密樁，如圖2所示。編號為1～5號樁，樁間距0.5 m，樁長2.5 m。長短樁設(shè)計6種方案，分別為2號、4號樁縮短至1.5 m、1.0 m、0 m或3號樁縮短至1.5 m、1.0 m、0 m。

圖2 五樁布置方案(m)

2 計算假定及計算參數(shù)

數(shù)值模擬采用ABAQUS有限元軟件。

2.1 計算假定

(1)樁體、地基、路基土體本構(gòu)模型為理想彈塑性模型，屈服準則采用M-C準則，道床采用線彈性模型模擬。

(2)列車靜載

線路縱向荷載考慮一對車輪作用下5根軌枕分布荷載，按1∶2∶4∶2∶1的比例承擔(dān)列車軸重。線路橫向荷載根據(jù)道床頂面應(yīng)力分布施加，橫斷面加載如圖3所示。

圖3 列車靜載橫斷面加載示意圖

最大荷載：

maxσb=m·σb=m·Rd/b·e′

(1)

式中：m——應(yīng)力分布不均勻系數(shù)，取m=1.6；b——軌枕底面的寬度，混凝土軌枕取平均寬度b=27.5cm；

e′——鋼軌下的軌枕有效支撐長度，Ⅲ型枕取枕長的一半，e′=130 cm。

(3)擠密作用

在施加列車荷載之前，擠密樁將對樁周土體將產(chǎn)生擠密作用，根據(jù)室內(nèi)模型試驗中埋置于樁側(cè)的土壓力盒測試結(jié)果可知，樁體側(cè)向擠密力為300 kPa左右，數(shù)值模擬時，施加于樁周土體側(cè)壁，用以模擬樁體對土體側(cè)部的擠密作用。

2.2 計算參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場取樣試驗及參考相關(guān)報告，確定的計算參數(shù)如表1所示。

表1 計算參數(shù)

2.3 有限元網(wǎng)格及邊界條件

模型幾何尺寸為：軌下道床厚度0.3 m，寬度3.3 m，路基頂面寬度6 m，底面寬度16 m，路堤高度為5.5 m，從路基頂面往下2.5 m范圍為基床層，以下3 m范圍為基底填土，在路基兩側(cè)分別取12 m的影響范圍，深度方向取20 m的影響范圍，縱向范圍取10 m，水泥土擠密樁加固部分為模型縱向中部延伸兩排樁(前后各0.9 m)的路基。

整個模型使用C3D8R單元對模型進行劃分，局部進行加密。路基部分劃分為邊長0.2 m的單元，樁體劃分為邊長0.06 m的單元，地基部分劃分為邊長0.5 m的單元，劃分完成后的模型網(wǎng)格如圖4所示。

圖4 模型網(wǎng)格圖

3 路基加固處理方案對比分析

3.1 未加固路基的應(yīng)力及沉降變形

路基在未加固條件下，受列車荷載作用后，基床表層應(yīng)力及路基沉降變形，如圖5所示。

圖5 未加固路基橫斷面應(yīng)力及沉降變形圖

由圖5(a)可知，在荷載作用下，路基基床表層應(yīng)力呈馬鞍形分布，軌道正下方應(yīng)力較大，兩側(cè)及線路中心處應(yīng)力較小，此荷載施加方式既符合實際情況，又符合加固處理的目的。由圖5(b)可知，荷載作用下，未加固路基的軌道正下方沉降變形最大，最大變形為2.228 mm，兩側(cè)及線路中心線處沉降變形較小。

3.2 加固路基沉降變形控制效果

未加固、等長樁加固及長短樁加固后，路基最大沉降變形如表2所示。

表2 各工況下路基最大變沉降形

由表2可知，各加固方案對路基沉降變形的控制都起到了一定作用。

(1)六樁全長布置加固路基可以減小44.03%的沉降變形，五樁全長布置加固路基可以減小29.94%的沉降變形，對路基沉降變形控制能夠起到較大的作用；

(2)六樁布置縮短1號、6號樁方案可以減小35.95%的沉降變形，且隨著短樁的樁長減短，變形量變化不大。五樁布置縮短3號樁方案可以減小29.21%的沉降變形，且隨著短樁的樁長減短，變形量變化不大；

(3)六樁布置縮短2號、5號樁方案隨著樁長的減短，其對應(yīng)沉降變形的減少量從33%變化到26%，影響較大。五樁布置縮短2號、4號樁方案隨著樁長的減短，其對應(yīng)沉降變形的減少量從27.8%變化到21.7%，影響也較大。

3.3 沉降變形規(guī)律

選取各工況下第三根軌枕下方路基橫斷面為參考面，加固前后路基表層沉降變形分布規(guī)律如圖6所示。

圖6 路基表層沉降沿橫向的分布規(guī)律

由圖6可以看出，兩種布置方案下：

(1)加固后原路基沉降變形最大處(即軌道正下方)的沉降變形，得到了較好的控制，最大可減少44.03%的沉降變形，但加固后此處的沉降變形相對于橫斷面上的其他位置仍最大。

(2)各加固方案對路基沉降變形的控制不僅在樁位處有效，對樁周其他位置沉降變形的控制也起到了一定作用。

(3)五樁布置方案整體沉降變形的不均勻程度大于六樁布置方案，選擇六樁布置方案對整治路基沉降變形更合適。

4 結(jié)論

綜上所述，考慮到數(shù)值模擬的局限性，本文所探討的內(nèi)容限定于填筑路基較均勻的工況，通過模擬可以得出以下結(jié)論：

(1)使用水泥土擠密樁加固路基對控制沉降變形能夠起到較大的作用。

(2)減短緊靠軌道兩側(cè)的樁長對沉降變形的影響相較于減短其他位置樁長對沉降變形的影響偏大，但對于路基整體變形規(guī)律影響不大。

(3)從防止路基不均勻沉降的角度考慮，使用六樁布置方案加固路基更合適。

(4)無論是五樁布置方案還是六樁布置方案，緊靠鋼軌正下方兩側(cè)的加固樁樁長不宜減短，且線路中心位置及鋼軌外側(cè)且與鋼軌距離較遠處的樁長可根據(jù)情況適當(dāng)減短或省去。

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Numerical Simulation Study on Existing Line Subgrade Strengthening by Cement Soil Compaction Pile

ZHAO Xiushao ZHENG Wei ZHUANG Jinbin ZOU Yuanhang

(School of Civil Engineering and Architecture, East China Jiaotong University, Nanchang 330013,China)

The construction method of existing subgrade strengthening by cement soil compaction pile has been widely used in practice. According to the subgrade stress distribution characteristics, equilong pile strengthening method is time consuming and arrangement of long-short piles can save time and material. Based on finite element analysis software, the model of subgrade reinforced by long-short cement soil compaction pile is established and the influence of schemes of subgrade strengthening by different long-short piles on settlement is analyzed. Simulation results show that, cement soil compaction pile can play a good role in strengthening the subgrade and the reinforcing piles on both sides below the steel rail is important to the reinforcing effect of the subgrade, which can not be shortened, and the line center and the outside of the rail can be properly shortened. Through the analysis of the simulation results, the optimization scheme is expected to play a guiding role in engineering practice.

subgrade reinforcement; cement soil compaction pile; numerical simulation; long-short pile; optimization design

2016-04-22

趙秀紹(1978-)，男，副教授，博士。

1674—8247(2016)04—0032—04

U216.41+7

A