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        鄭徐客運(yùn)專線深厚層黏性土地基沉降預(yù)測(cè)分析

        2014-11-29 01:25:26李春紅
        鐵道勘察 2014年1期
        關(guān)鍵詞:工后滲透系數(shù)路堤

        李春紅

        (中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,湖北武漢 430063)

        為保證軌道的平順性和高速行車安全,高速鐵路對(duì)線下工程工后沉降有極其嚴(yán)格的控制標(biāo)準(zhǔn),路基穩(wěn)定和工后沉降等已成為在軟土地基上進(jìn)行高速鐵路建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題,相關(guān)研究也越來(lái)越受到人們的關(guān)注[1-3]。目前軟土路基的沉降計(jì)算主要有理論分析、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值模擬等方法:理論分析方法較難全面考慮復(fù)雜工況下路基的實(shí)際受力特性;現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法較為真實(shí)可靠真,但所需費(fèi)用較為較高、周期較長(zhǎng),且實(shí)際操作過(guò)程中易受現(xiàn)場(chǎng)條件的制約;數(shù)值模擬方法具有可重復(fù)性經(jīng)濟(jì)性的特點(diǎn),并且研究結(jié)果可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整,研究結(jié)果較為可靠,成本較為低廉,是一種有效而可靠的研究手段[3-5]。因此,采用有限元數(shù)值模擬方法對(duì)鄭徐客運(yùn)專線DK319路基工點(diǎn)的沉降特性進(jìn)行了分析,得出了一些有益的結(jié)論。

        1 工程概況

        鄭徐客運(yùn)專線位于黃淮沖積平原區(qū),沿線廣為厚層或巨厚層的第四系地層覆蓋,厚度最大超過(guò)400m。全線表層的軟土和松軟土厚度巨大,正線采用無(wú)砟軌道,路基工程工后沉降容許值為15 mm,工后沉降控制極為困難。

        DK319路基工點(diǎn)分布厚層松軟土,地層軟弱,地基承載力較低。表層Q4地層厚達(dá)48~65m,以松軟的黏性土為主,其中:上部為流塑—軟塑的粉質(zhì)黏土地層,層厚9.0~15.0m,Es=2.44~5.90 MPa,σ0=70~130 kPa,屬高壓縮性土;其下為可塑—硬塑的粉質(zhì)黏土,層厚17.5~35.8m,Es=6.0~13.2 MPa,σ0=150~170 kPa。該層多為中壓縮性土。其下為力學(xué)特性相對(duì)較好的Q3地層。設(shè)計(jì)的地基加固方案為管樁,樁長(zhǎng)35m,樁徑0.4m,間距2.0m,正方形布置。

        2 分析模型及參數(shù)

        數(shù)值分析采用Plaxis有限元程序。分析時(shí)將地基簡(jiǎn)化為復(fù)合地基形式,按平面應(yīng)變問(wèn)題進(jìn)行分析。根據(jù)對(duì)稱原理,分析模型取路基的半幅建立數(shù)值分析模型,如圖1所示。其中模型橫向?qū)?0m、豎向?qū)?20m。邊界條件為:頂面為自由表面,兩邊為橫向約束,底面為固定約束。

        按照復(fù)合地基原理,將樁基加固區(qū)看做一個(gè)整體的復(fù)合地基,數(shù)值分析所采用的復(fù)合地基變形模量Esp按照下式計(jì)算

        式中:Ep為樁基的壓縮模量,Es為加固區(qū)土體的壓縮模量,m為樁土置換率。分析時(shí)以超空隙水壓小于1.0 kPa為固結(jié)完成條件。

        圖1 有限元分析模型

        分析時(shí)土層及路基材料參數(shù),根據(jù)室內(nèi)土工試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成果確定,復(fù)合地基參數(shù)按照公式(1)計(jì)算確定,見表1。

        表1 力學(xué)參數(shù)取值

        3 軟土路基工后沉降影響因素分析

        3.1 滲透系數(shù)及堆載時(shí)間的影響

        復(fù)合地基滲透系數(shù)的基準(zhǔn)值取為kV=5×10-4、kH=4 ×10-4m/d,按基準(zhǔn)值的1/4、1/2、1.0、2.0、4.0、8.0倍共計(jì)六種方案進(jìn)行計(jì)算,求得在路堤自重、堆載3個(gè)月、堆載6個(gè)月三種工況下(其他參數(shù)按照表1取值,堆載高度按3m考慮),路堤最終沉降量以及達(dá)到工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間,計(jì)算結(jié)果見表2。

        表2 工后沉降到達(dá)控制標(biāo)準(zhǔn)所需時(shí)間 d

        分析可知:①隨著滲透系數(shù)的增加,土體完成固結(jié)沉降所需的時(shí)間逐漸減小,達(dá)到工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)所需的時(shí)間也逐漸減小,路堤填筑完成6個(gè)月后時(shí)沉降量逐漸增大;這是由于隨著滲透系數(shù)越大,土中水的滲流速度越快,土體固結(jié)沉降的速度也相應(yīng)加大所致。②堆載預(yù)壓作用可有效加快土體固結(jié)沉降的完成,堆載時(shí)間越長(zhǎng),同樣的時(shí)間內(nèi)固結(jié)完成率相應(yīng)增大,土體沉降較大。③與沒有施加車輛荷載的工況相比,施加車輛荷載后,路堤固結(jié)完成后的總沉降量增大了21 mm,達(dá)到工后沉降15 mm的控制標(biāo)準(zhǔn),所需時(shí)間也相應(yīng)增加了3個(gè)月以上。④在荷載條件相同時(shí),在不同的工況下,路堤固結(jié)完成后的總沉降量幾乎不變,可見路堤固結(jié)完成后的總沉降量,受地基所承受荷載大小和形式的影響,與滲透系數(shù)的大小沒有關(guān)系。

        3.2 樁長(zhǎng)的影響

        按照樁長(zhǎng)14m、19m、24m、29m、34m、39m 共計(jì)六種方案計(jì)算,研究樁長(zhǎng)對(duì)工后沉降達(dá)標(biāo)時(shí)間的影響,堆載擺放時(shí)間按6個(gè)月考慮,其他參數(shù)按照表1取值。分析得到不同樁長(zhǎng)下路堤最終沉降及達(dá)到沉降控制標(biāo)準(zhǔn)所需的時(shí)間,如表3所示。

        表3 樁長(zhǎng)對(duì)路堤沉降的影響

        分析可知:①隨著樁長(zhǎng)的增加,復(fù)合地基加固范圍逐漸增大,地基固結(jié)沉降的完成時(shí)間逐漸減小,達(dá)到沉降控制標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間也逐漸減小。②隨著樁長(zhǎng)的增加,最終固結(jié)沉降量逐漸減小。③隨著樁長(zhǎng)的增加,在相同時(shí)間內(nèi),預(yù)先施加的堆載作用下地基沉降量逐漸減小,但所占最終沉降量的比例逐漸增大,卸載時(shí)基地的反彈量也隨之有所減小。

        4 計(jì)算結(jié)果分析

        (1)不考慮堆載工況下:總沉降為176 mm,路堤填筑完成時(shí),發(fā)生的沉降為120 mm,剩余沉降為56 mm;擺放3個(gè)月時(shí)沉降達(dá)143 mm,剩余沉降為33 mm;擺放6個(gè)月時(shí)沉降達(dá)156 mm,剩余沉降為20 mm;擺放15個(gè)月時(shí),可達(dá)到工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn),剩余沉降約為12 mm。

        (2)考慮堆載時(shí)間3個(gè)月:總沉降為179 mm;路堤填筑完成時(shí),發(fā)生的沉降約為120 mm,剩余沉降為59 mm;施加堆載后,沉降約為139 mm,剩余沉降有40 mm;擺放3個(gè)月后,沉降達(dá)到165 mm,剩余沉降僅有14 mm,但是當(dāng)卸除堆載后,產(chǎn)生了約12 mm的回彈變形,導(dǎo)致路堤沉降恢復(fù)到153 mm,剩余沉降約為26 mm;之后再擺放3個(gè)月時(shí)(共擺放6個(gè)月),沉降可達(dá)161 mm,剩余沉降為18 mm。之后再擺放6個(gè)月時(shí)(共擺放9個(gè)月),沉降達(dá)到165 mm,剩余沉降14 mm,達(dá)到工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)。

        (3)考慮堆載時(shí)間6個(gè)月:總沉降為186 mm,路堤填筑完成時(shí),發(fā)生的沉降為120 mm,剩余沉降為58 mm;施加堆載后,沉降約為139 mm,剩余沉降有39 mm;擺放6個(gè)月后沉降達(dá)到179 mm,固結(jié)沉降幾乎完成,但是卸除堆載時(shí),產(chǎn)生約13 mm的回彈變形,路堤沉降恢復(fù)到166 mm,剩余沉降約12 mm??梢姸演d預(yù)壓施加6個(gè)月,可以在很大程度上加快土體固結(jié)變形,減小工后沉降量。

        5 結(jié)論

        通過(guò)以上分析,得到以下結(jié)論:

        (1)在路堤荷載作用下,黏性土地基固結(jié)沉降的完成時(shí)間受滲透系數(shù)的顯著影響,選擇合理的滲透系數(shù)是進(jìn)行路堤工后沉降預(yù)測(cè)的關(guān)鍵。

        (2)堆載預(yù)壓可加快土體固結(jié)沉降的完成,堆載時(shí)間越長(zhǎng),同樣的時(shí)間內(nèi)固結(jié)完成率相應(yīng)增大,土體沉降較大,路堤達(dá)到工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間也越短。

        (3)隨著樁長(zhǎng)的增加,復(fù)合地基加固區(qū)域增大,地基固結(jié)沉降的完成時(shí)間逐漸減小,達(dá)到沉降控制標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間也逐漸減小,最終固結(jié)沉降量逐漸減小。

        (4)在設(shè)計(jì)樁基礎(chǔ)條件下,DK319工點(diǎn)在不考慮堆載、考慮堆載3個(gè)月、考慮堆載6個(gè)月三種工況下,達(dá)到工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)分別需要15個(gè)月、9個(gè)月、6個(gè)月的時(shí)間。工程實(shí)施過(guò)程中,可根據(jù)實(shí)際情況選堆載預(yù)壓方式。

        [1]郭建湖,詹學(xué)啟,李小和.武廣鐵路客運(yùn)專線無(wú)砟軌道路基變形控制設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2010(1):46-48

        [2]廖進(jìn)星.高速鐵路松軟地基沉降控制與測(cè)試分析[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2013(3):11-15

        [3]張占榮.武廣高鐵紅黏土地基沉降計(jì)算方法研究[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2011(4):9-14

        [4]Luo Z,Atamturktur S,Cai Y,et al.Reliability analysis of basalheave in a braced excavation in a 2-D random field.Computers and Geotechnics,2012,39:27-37

        [5]趙靜.高速客運(yùn)專線天然黃土地基工后沉降數(shù)值模擬[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2012(5):3362-3366

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