謝理民

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司杭州分院 杭州 310017）

0 前 言

甬臺(tái)溫客運(yùn)專線設(shè)計(jì)車速250km／h，路基變形和工后沉降量要求嚴(yán)格，從而對(duì)路基處理的設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量提出了很高的要求.對(duì)于全段軟土及可壓縮性粘性土，根據(jù)不同土層的厚度及其物理力學(xué)指標(biāo)、地面及基底橫坡，和線路所處位置，按照無渣軌道的變形控制條件，共對(duì)全段14.207 km的軟弱地基進(jìn)行處理設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的地基處理措施中包括CFG樁復(fù)合地基.

高速鐵路路基承擔(dān)的荷載是由剛度很小的路堤傳遞的，為柔性基礎(chǔ)下復(fù)合地基.目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于剛性基礎(chǔ)下復(fù)合地基的工作性狀已開展了較多的研究工作，但對(duì)基礎(chǔ)剛度對(duì)復(fù)合地基性狀的影響尤其是柔性基礎(chǔ)下復(fù)合地基工作性狀的研究工作較少［1－5］，對(duì)柔性基礎(chǔ)下樁、土變形特性還缺乏全面的了解.

本文取自甬臺(tái)溫客運(yùn)專線具有代表性的斷面進(jìn)行數(shù)值模擬［6－9］，對(duì)影響CFG復(fù)合地基變形的各種因素進(jìn)行分析，為高速鐵路應(yīng)用CFG復(fù)合地基提供理論依據(jù).

1 計(jì)算模型

根據(jù)斷面設(shè)計(jì)圖，取計(jì)算寬度大于4倍路基寬度，計(jì)算寬度為100m；樁長(zhǎng)取20m，下臥土層10m，由于下伏基巖，計(jì)算深度取40m，巖土層分為4層.路堤高度2m，坡度1∶1.5，墊層厚度0.6m，作用荷載取200kPa.圖1為計(jì)算模型簡(jiǎn)圖.計(jì)算時(shí)土的本構(gòu)模型采用Mohr－Coulomb模型，樁體混凝土采用線彈性模型，考慮樁土之間的相對(duì)滑動(dòng)及土體和樁體的重力.地表面處節(jié)點(diǎn)自由，其它邊界節(jié)點(diǎn)為鉸支.

圖1 計(jì)算模型簡(jiǎn)圖

為了解墊層模量、樁身強(qiáng)度及樁底土層的壓縮性對(duì)復(fù)合地基沉降特性的影響，取不同的方案進(jìn)行計(jì)算.墊層模量分別取20，30，50，100，200和400MPa；樁身模量分別取1×103，3×103，5×103，1×104，2×104MPa；樁底土分別取20，30，40，50MPa進(jìn)行計(jì)算.

2 CFG樁復(fù)合地基沉降特性數(shù)值模擬

CFG樁復(fù)合地基沉降分布見圖2，由圖中可見，樁的上下兩端存在明顯的刺入變形，樁的上下兩端附近的土層面沉降均呈V形分布.離路堤中線越近，加固區(qū)和下臥土層沉降越大.對(duì)于樁頂上刺變形，中心樁處最大，隨著樁體遠(yuǎn)離路堤中線，其上刺量變小，但邊樁處稍有反彈.路堤中線附近樁頂上刺變形比較均勻，在路堤邊線附近樁頂上刺變形減小較快.對(duì)于樁底下刺變形，中心樁處下刺量最大，隨著樁體與路堤中線距離的增加，總體上呈減小的趨勢(shì).

圖2 CFG樁復(fù)合地基沉降分布（豎向放大50倍）

在樁身上部，土的位移大于樁的位移，故樁上作用有負(fù)摩阻力.由于中心樁樁土相對(duì)位移比邊樁的大，則其“中性點(diǎn)”位置也要比邊樁深.

樁頂應(yīng)力云圖見圖3，從圖中可以看出，墊層在CFG樁頂形成了明顯的土拱，正因?yàn)楣靶?yīng)的存在使墊層承受的應(yīng)力向樁頂集中，從而發(fā)揮樁的作用.

圖3 樁頂應(yīng)力云圖

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 身彈性模量對(duì)復(fù)合地基沉降的影響

取中心樁的沉降作為代表，不同樁身彈性模量的模擬計(jì)算結(jié)果見圖4，路基沉降與樁身彈性模量的關(guān)系曲線見圖5.由圖5可看出：（1）隨樁身彈性模量的增大，路基沉降總體呈減少的趨勢(shì)；（2）樁身彈性模量小于3GPa時(shí)，樁身彈性模量對(duì)復(fù)合地基沉降影響較大；（3）樁身彈性模量達(dá)到3GPa后，樁身彈性模量對(duì)復(fù)合地基沉降影響顯著減小；特別當(dāng)樁身彈性模量達(dá)到5GPa后，變化幅度僅為7.1%.說明在200kPa的荷載作用下，復(fù)合地基沉降基本不受樁身彈性模量影響.

圖4 不同樁身彈性模量的模擬計(jì)算結(jié)果

圖5 路基沉降與樁身彈性模量的關(guān)系曲線

3.2 墊層彈性模量對(duì)復(fù)合地基沉降的影響

取中心樁的沉降作為代表，不同墊層彈性模量的模擬計(jì)算結(jié)果見圖6，路基沉降與墊層彈性模量的關(guān)系曲線見圖7.由圖7可看出：（1）隨墊層彈性模量的增大，路基沉降總體呈減少的趨勢(shì)；（2）墊層彈性模量小于50MPa時(shí)，隨著墊層彈性模量的增大，沉降量急劇減少；（3）墊層彈性模量達(dá)到50MPa后，關(guān)系曲線基本成直線，說明在200kPa的荷載作用下，墊層彈性模量基本不對(duì)復(fù)合地基的沉降產(chǎn)生影響.

3.3 樁底土壓縮模量對(duì)復(fù)合地基沉降的影響

圖6 不同墊層彈性模量的模擬計(jì)算結(jié)果

圖7 路基沉降與墊層彈性模量的關(guān)系曲線

同樣取中心樁的沉降進(jìn)行分析，下臥土層不同壓縮模量的模擬計(jì)算結(jié)果見圖8，路基沉降與墊層彈性模量的關(guān)系曲線見圖9.由圖9可看出：（1）隨下臥土層壓縮模量的增大，路基沉降量減少；（2）下臥土層壓縮模量大于40MPa時(shí)，路基沉降量有變緩的趨勢(shì)；（3）在200kPa的荷載作用下，當(dāng)下臥土層壓縮模量為20MPa時(shí)，路基中部的沉降明顯出現(xiàn)差異，不均勻程度加大；下臥土層壓縮模量大于30MPa時(shí)，路基中部的沉降相對(duì)較均勻.但總體來看，下臥土層的壓縮模量對(duì)復(fù)合地基的沉降影響比較大.

圖8 下臥土層不同壓縮模量的模擬計(jì)算結(jié)果

圖9 路基沉降與墊層彈性模量的關(guān)系曲線

4 結(jié) 論

1）隨樁身彈性模量的增大，路基沉降總體呈減少的趨勢(shì)；樁身彈性模量小于3GPa時(shí)，樁身彈性模量對(duì)復(fù)合地基沉降影響較大；樁身彈性模量達(dá)到3GPa后，樁身彈性模量對(duì)復(fù)合地基沉降影響顯著減??；特別當(dāng)樁身彈性模量達(dá)到5GPa后，復(fù)合地基沉降基本不受樁身彈性模量影響.

2）隨墊層彈性模量的增大，路基沉降總體呈減少的趨勢(shì)；墊層彈性模量小于50MPa時(shí)，隨著墊層彈性模量的增大，沉降量急劇減少；墊層彈性模量達(dá)到50MPa后，墊層彈性模量基本不對(duì)復(fù)合地基的沉降產(chǎn)生影響.

3）隨下臥土層壓縮模量的增大，路基沉降量減少；下臥土層壓縮模量大于40MPa時(shí)，路基沉降量有變緩的趨勢(shì).但總體來看，下臥土層的壓縮模量對(duì)復(fù)合地基的沉降影響比較大.

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