蔡　磊

（蘭州鐵路局工務(wù)處，甘肅蘭州730000）

太中線K 1588+000-300段填方路堤沉降分析及整治設(shè)計(jì)

蔡磊

（蘭州鐵路局工務(wù)處，甘肅蘭州730000）

摘要：以運(yùn)營鐵路太中線K1588+000-300段溝槽內(nèi)填方路基下沉外擠病害為研究對象，通過對該段路基處所的地形地貌、路基填料、地下水、變形特征進(jìn)行綜合分析，找出其病害成因，并結(jié)合目前既有運(yùn)營鐵路路基下沉外擠的加固方法，提出利用高壓旋噴樁加固的方案，考慮既有線高壓旋噴樁較少使用及經(jīng)驗(yàn)理論缺乏的實(shí)際情況，采用有限元軟件plaxis建立理論模型分析，給出影響高壓旋噴樁加固效果的關(guān)鍵參數(shù)，計(jì)算分析旋噴樁不同施做角度對加固效果的影響，得出經(jīng)濟(jì)合理的加固方案，為同類鐵路路基下沉外擠病害加固整治提供參考。

關(guān)鍵詞：高壓旋噴樁；下沉外擠；有限元；加固設(shè)計(jì)

DOI10.3969/j.issn.1672-6375.2016.03.017

太中線靈武市東寧鎮(zhèn)境內(nèi)K1588+000-300段為一溝槽內(nèi)填方路段，填方高度6～17 m，其中K1588+000-200段為兩級邊坡，上、下級邊坡坡率為1∶1.5和1∶1.75，邊坡均采用拱形骨架護(hù)坡。自開通以該段路基下沉外擠明顯，總沉降量最大達(dá)50 cm，致使路肩被道砟覆蓋，路堤坡面拱形骨架出現(xiàn)拱起、開裂變形，且觀測到的路肩面沉降值不收斂，尤其在枯水期沉降量較大。沉降導(dǎo)致線路幾何尺寸變化大，目前長期限速80 km/h，對行車安全及行車秩序干擾極大，因此分析其沉降原因及制定合理的整治方案尤為重要。

1　沉降病害原因及特征分析

K1588+000-300段300 m路基沉降量不盡相同，其中路基K1588+000-050、K1588+200-300段沉降量較小，K1588+050-200段路基沉降較大，最大沉降量達(dá)50 cm。結(jié)合地質(zhì)勘察，綜合分析路基沉降原因主要有以下幾個(gè)方面：

1.1地形地貌

該段填方路基右側(cè)280 m處為鴨子蕩水庫壩址，壩址至路基之間為一低洼地形，填方路基位于該區(qū)域最低區(qū)域，降雨、水庫滲流等直接在此低洼區(qū)域匯集，這為地下水入滲創(chuàng)造了地形條件。

1.2路基填料

本路基填料組成主要是頂部和底部的圓礫土組成，分布連續(xù)，其中頂部圓礫土厚度6～7 m；底部圓礫夾碎石組成，厚度約2～4 m，碎石含量約20%，中密，透水性好；兩層圓礫土中間分布有一層粉質(zhì)粘土，約含10%圓礫，厚度密實(shí)，相對隔水。路基填方底部分布一層厚度1～2 m沖積的粉土，成分均一，含水量在K1588+050-200段含水相對較高，該段路基中填料、原地面各層間的滲透性差異較大，這為路基沉降創(chuàng)造了介質(zhì)條件。

1.3地下水

受上游水庫滲流影響，該段路基地下水位上升，水充滿土的孔隙，土中顆粒即失去由毛細(xì)管吸力或弱結(jié)合水所形成的表觀凝聚力，導(dǎo)致土質(zhì)軟化，土的壓縮性增大，由粘聚力及產(chǎn)生的承載力下降。地下水位上升的靜水力所產(chǎn)生浮力雖然不直接破壞土體，但可使土的有效重度減輕，降低土體抵抗破壞的能力及由土自重產(chǎn)生的承載力，使地基土的強(qiáng)度降低，壓縮性增大；地下水位下降，增加了土的自重應(yīng)力，使地基土的有效應(yīng)力增加，同時(shí)，易使基礎(chǔ)周圍天然土體形成大孔隙的松散結(jié)構(gòu)。在由基礎(chǔ)荷載產(chǎn)生的剪應(yīng)力作用下，土體隨時(shí)間增長，發(fā)生緩慢而長期的剪切變形，導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度的衰減，承載能力下降，基礎(chǔ)的沉降增大。由于受季節(jié)性水位的交替變化，導(dǎo)致路基出現(xiàn)在枯水期出現(xiàn)較明顯的沉降變形，這與路基變形的時(shí)間相吻合。

1.4變形特征

K1588+050-200段左右兩側(cè)在高程1 493～1 494 m一線拱形骨架出現(xiàn)鼓脹，分布連續(xù)；K1588+050處涵洞頂部一級平臺(tái)出現(xiàn)鼓脹裂縫，裂縫寬度約2～3 cm，可見長度3 m；K1588+200處平行涵洞產(chǎn)生一條橫切路基的裂縫，裂縫寬度1～3 cm，延伸長度約50 m，漿砌片石砌筑路肩后出現(xiàn)新的變形說明此裂縫在一直處于活動(dòng)狀態(tài)，路基處于持續(xù)性沉降變形，且路基沉降在不同季節(jié)、不同路段其沉降量和沉降頻率不盡相同，春融季節(jié)、雨季起道頻繁，這說明隨著路基含水量的差異變化，路基出現(xiàn)不同的沉降；另外K1588+000-300段的最大沉降區(qū)域位于填方路基較高區(qū)域（原始地形較低），該區(qū)域地形低洼，地下水容易匯集，從而影響路基的穩(wěn)定性。

根據(jù)以上分析，K1588+000-050、K1588+200-300變形較小，這主要是兩側(cè)地形相對較高，路基右側(cè)的洼地積水對路基底部的粉土影響較小，主要變形是路基填料中的粉質(zhì)粘土造成，變形層較?。籏1588+000-300段由于路基填料中相對隔水的粉質(zhì)粘土和路基底部粉土的透水性較強(qiáng)，變形層較厚，造成變形較大。從太中線開通以來路基一直處于沉降變形狀態(tài)分析，整個(gè)路基若不進(jìn)行增加承載力的措施，路基在車輛荷載的作用下一直處于沉降變形，累計(jì)變形越來越大，若提高車速，沉降變形將進(jìn)一步加大。

2　整治方案

在既有線上治理路基或高路堤沉降病害，由于不能中斷正常行車，常用的方法有注漿加固及懸噴樁加固等方案，結(jié)合該段路基粉土層含水飽和的現(xiàn)狀，結(jié)合注漿技術(shù)加固路基的作用機(jī)理主要為水泥漿液以一定的壓力注入土體后填充土體中的空隙，使原土體的滲透系數(shù)降低，提高土體的整體性，從而達(dá)到加固土體的特性，該技術(shù)在加固水飽和土體時(shí)，由于土體間空隙充滿飽和水，注漿液不易完全占據(jù)土體中空隙，加固效果難以保證，因此加固方案最終確定為懸噴樁加固方案。

3　加固設(shè)計(jì)

3.1設(shè)計(jì)模型

加固設(shè)計(jì)路堤土體的置換率按照20%考慮，借鑒《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50007-2011）規(guī)定，設(shè)計(jì)地基壓力擴(kuò)散角取30°。旋噴樁設(shè)計(jì)采用在路堤兩側(cè)四排高壓旋噴樁，樁徑采用800 mm，沿線路單側(cè)樁樁間距1.5 m，雙側(cè)交錯(cuò)布置。引孔位置距鐵軌高度左側(cè)5.65 m、右側(cè)5.14 m，第一排至第四排（由內(nèi)測至外側(cè)）旋噴樁樁長分別為20m、20m、14m、11m，樁徑800mm。路基加固數(shù)值模擬采用二維有限元軟件plaxis進(jìn)行分析，結(jié)構(gòu)單元選取15-節(jié)點(diǎn)單元；工況三個(gè)分析步，依次為路基固結(jié)分析、旋噴樁施工、加載。模型如下：

圖1　單元關(guān)聯(lián)圖

3.2結(jié)果比較

高壓旋噴樁加固的效果，取決于樁與地基形成的復(fù)合結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，其強(qiáng)度主要與旋噴樁角度及樁對土體的置換率有關(guān)，根據(jù)該處的實(shí)際情況，旋噴樁采用雙側(cè)四排方案，對旋噴樁角度的適宜性選用了三組模型，角度（最上一排于水平面夾角，樁與樁間夾角按10°控制）為15°、25°、35°三種形式進(jìn)行討論，得出道砟頂面左側(cè)（A點(diǎn)）、中部（B點(diǎn)）、右側(cè)（C點(diǎn)）三個(gè)點(diǎn)的變形參數(shù)見表1。

表1　坐標(biāo)及位移值

由計(jì)算結(jié)果可以得出路基的中點(diǎn)沉降最大，左側(cè)點(diǎn)其次，右側(cè)點(diǎn)最小。其中旋噴樁角度25°時(shí)（四根旋噴樁與水平向夾角分別為25°、35°、45°、55°），整個(gè)路基沉降量最小，旋噴樁加固效果最為明顯，其變形均在鐵路路基沉降允許范圍20 cm之內(nèi)，能起到很好的加固效果，保證路基的最終穩(wěn)定。

4　結(jié)束語

地下水影響的運(yùn)營路基下沉病害，對鐵路運(yùn)營安全及秩序影響較大，如何利用高壓旋噴樁這一施工技術(shù)加固路基需要不斷的探索，其理論分析極其重要，結(jié)合目前有限元理論的發(fā)展，采用有線元的原理進(jìn)行分析為旋噴樁加固提供了基礎(chǔ)，避免了現(xiàn)場施做靠經(jīng)驗(yàn)的盲目性，對優(yōu)化高壓旋噴樁加固的效果具有決定意義，對同類鐵路、公路路基下沉加固分析及方案制定具有一定的借鑒價(jià)值。

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中圖分類號：U213.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

收稿日期：2016-1-12

作者簡介：蔡磊（1979-），男，漢族，河南通許人，碩士研究生，工程師，主要從事橋隧、路基工程養(yǎng)護(hù)管理工作。