路言杰

(中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司 工務(wù)處，上?！?00071)

我國(guó)東部沿海地區(qū)廣泛分布著壓縮模量和強(qiáng)度均較低的深厚軟土層，其下方由于地質(zhì)構(gòu)造原因存在著不同傾斜角度的基底硬層。這類地基可稱之為傾斜基底軟土地基。在此類地基上修建高速鐵路路堤容易發(fā)生過(guò)大沉降，為改善傾斜基底深厚軟土地基的承載能力并控制地基沉降[1]，常采用樁網(wǎng)復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固。

在上部荷載作用下，軟土發(fā)生壓縮變形的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生對(duì)下坡一側(cè)的較大橫向位移，易引起樁身較大的變形，從而造成地基破壞[2]。設(shè)計(jì)時(shí)通常在滿足豎向承載力條件下采用等樁長(zhǎng)布置，導(dǎo)致不同位置處樁的樁端嵌固條件不同。因此，傾斜基底軟土樁網(wǎng)復(fù)合地基的變形特性與水平成層軟土樁網(wǎng)復(fù)合地基存在明顯差異[3-4]。目前，針對(duì)傾斜基底軟土地基的研究較少，國(guó)外設(shè)計(jì)規(guī)范也沒(méi)有相應(yīng)規(guī)定。

鑒于試驗(yàn)存在成本偏高、測(cè)試內(nèi)容有限等缺陷，本文利用有限元差分軟件對(duì)杭深(杭州-深圳)高速鐵路一典型工點(diǎn)進(jìn)行數(shù)值分析，重點(diǎn)探討在上部荷載作用下，傾斜基底軟土樁網(wǎng)復(fù)合地基的受力變形特性，為傾斜基底深厚軟土復(fù)合地基的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1　數(shù)值建模過(guò)程

1.1　工程概況

杭深高速鐵路一典型工點(diǎn)路堤高7.8 m，路堤頂部寬度13.4 m，路堤邊坡坡率為1∶1.5。在路堤底部鋪設(shè)1層0.5 m厚的碎石墊層，其中間包含1層抗拉強(qiáng)度不小于80 kN/m的土工格柵。基底斜坡的傾角為27°，地基分層土質(zhì)依次為：素填土，灰黃、褐黃色，厚度為0.8～1.3 m；淤泥，流塑狀，灰色，厚度為5.6～8.5 m；淤泥質(zhì)黏土，軟塑狀，灰色，厚度為1.3～3.0 m；粉質(zhì)黏土，軟塑狀，灰黃色；凝灰?guī)r，強(qiáng)風(fēng)化至中風(fēng)化，灰黃色。

1.2　數(shù)值模擬方案

采用有限差分軟件FLAC 3D進(jìn)行數(shù)值模擬。本模型的地基橫斷面寬度為78.85 m，深度為24.43 m，在線路縱向延伸15 m。建模時(shí)對(duì)土層作如下簡(jiǎn)化：素填土厚度較小且分布在地基表層，且對(duì)整個(gè)樁網(wǎng)復(fù)合地基承載力幾乎沒(méi)有影響，故將素填土和淤泥簡(jiǎn)化成淤泥質(zhì)黏土層。淤泥質(zhì)黏土和粉質(zhì)黏土都屬于粉質(zhì)黏土類，且都是軟塑狀態(tài)，故簡(jiǎn)化成粉質(zhì)黏土層。土體本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb模型。各層土體材料參數(shù)見(jiàn)表1。

土工格柵采用彈性本構(gòu)模擬，彈性模量為2 GPa，泊松比為0.3。土工格柵與碎石墊層的上下接觸面均設(shè)置接觸單元，接觸面符合Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則。接觸面摩擦角與碎石墊層材料一致，而黏聚力取0[5]。樁采用結(jié)構(gòu)單元中Pile單元模擬，彈性模量為30 GPa，泊松比為0.2，重度為25 kN/m3，本構(gòu)模型采用線彈性本構(gòu)模型，樁土之間設(shè)置接觸面，接觸面的參數(shù)計(jì)算式[6]為

(1)

表1　材料本構(gòu)模型和物理力學(xué)參數(shù)

式中：φ為與樁接觸土體的內(nèi)摩擦角；R為摩擦因數(shù)，本文取0.4[7]；c為樁接觸土體的黏聚力；ci為接觸單元的黏聚力；G為樁接觸土體的剪切模量；Gi為接觸單元的剪切模量。

由于計(jì)算結(jié)果的收斂性與土體計(jì)算模型的網(wǎng)格劃分密切相關(guān)，因此，在劃分樁附近土體單元網(wǎng)格時(shí)應(yīng)適當(dāng)加密。對(duì)于遠(yuǎn)離樁的土體區(qū)域可適當(dāng)加寬網(wǎng)格尺寸，這樣既能保證計(jì)算結(jié)果的收斂性，又能提高計(jì)算效率。劃分網(wǎng)格后的計(jì)算模型如圖1所示。換算土柱法實(shí)際上是靜力計(jì)算，不存在動(dòng)力計(jì)算中存在的地震波反射、投射等問(wèn)題，所以對(duì)于邊界的設(shè)置問(wèn)題較為簡(jiǎn)單，在底部施加豎向約束的固定邊界，在四周施加法向約束的固定邊界。

圖1　劃分網(wǎng)格后的計(jì)算模型

路基在填筑過(guò)程中產(chǎn)生的沉降為施工沉降，可通過(guò)填補(bǔ)加高來(lái)調(diào)整，不作為控制部分。路基在鋪軌之后的沉降為工后沉降，直接關(guān)系到高速鐵路的運(yùn)營(yíng)和維護(hù)，是鐵路路基沉降控制的重點(diǎn)[8]。本文僅對(duì)運(yùn)營(yíng)期內(nèi)的傾斜基底樁網(wǎng)復(fù)合地基工作機(jī)理進(jìn)行分析。

運(yùn)營(yíng)期內(nèi)路堤頂部受到的荷載包含2部分：①線路上部結(jié)構(gòu)的重量作用在路基面上的荷載，即為軌道荷載；②列車荷載。目前鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范考慮荷載的影響時(shí)，建議用換算土柱來(lái)代替軌道和列車荷載，即通常所說(shuō)的換算土柱法[9]。將土柱高度引起的荷載換算成面力施加在路堤表面，面力值為54 kN/m2。

在實(shí)際工程中，天然土層被認(rèn)為已固結(jié)沉降完畢，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行CFG樁施工、加筋墊層鋪設(shè)和路堤填筑。因此在后續(xù)分析時(shí)，需要將已經(jīng)固結(jié)沉降完成的原狀土應(yīng)力狀態(tài)作為后續(xù)施工的初始狀態(tài)。在模擬施工過(guò)程之前，首先進(jìn)行地應(yīng)力平衡，保留應(yīng)力場(chǎng)，清除位移。隨后分別通過(guò)激活樁單元、加筋墊層和路堤進(jìn)行樁基礎(chǔ)、加筋墊層和路堤的施工模擬，并清除位移場(chǎng)，保留應(yīng)力場(chǎng)，隨后激活路堤表面荷載進(jìn)行運(yùn)營(yíng)期內(nèi)傾斜基底樁網(wǎng)復(fù)合地基的計(jì)算分析。

1.3　監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

本次數(shù)值分析的研究對(duì)象為路堤的變形和位移、樁的應(yīng)變和位移、樁間土的位移，故監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置主要在路堤中部橫斷面，如圖2所示。

圖2　監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

路堤頂部和底部的左、中、右側(cè)分別布置1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，墊層的左、中、右側(cè)分別布置1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，用以監(jiān)測(cè)路堤頂部和底部、墊層底部的左側(cè)、中部和右側(cè)的豎向和橫向位移。選取4根平臺(tái)樁、3根斜坡樁和3根懸浮樁，分別沿樁身均勻布置5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(對(duì)應(yīng)的高度分別為1.00,0.75,0.50,0.25,0倍樁身相對(duì)高度)，用以監(jiān)測(cè)樁身的彎矩分布規(guī)律。在上述選取的10根樁的右側(cè)樁間土中沿深度均分別布置3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(對(duì)應(yīng)的高度分別為0.75,0.50,0.25倍樁身相對(duì)高度)，用以監(jiān)測(cè)樁間土的橫向位移。

2　計(jì)算結(jié)果分析

2.1　位移分析

定義與圖1中坐標(biāo)軸的正向一致的位移方向?yàn)檎颉１?為路堤頂部、路堤底部、墊層底部的左側(cè)、中部和右側(cè)的水平位移和豎向位移。

由表2可知，在上部荷載作用下，由于下部軟土的壓縮變形路堤整體發(fā)生沉降，路堤頂部的沉降大于路堤底部，說(shuō)明路堤存在著不可忽視的壓縮。在路堤頂部，中部沉降最大，右側(cè)沉降次之，左側(cè)沉降最小。比較墊層底部和路堤頂部的豎向位移可以看出，路堤頂部左右側(cè)的沉降差明顯小于墊層底部，說(shuō)明即使地基土表面發(fā)生不均勻沉降，通過(guò)加筋墊層和路堤填料的調(diào)節(jié)能夠明顯減小地基不均勻沉降對(duì)路堤頂部的影響。路堤底部右側(cè)的豎向位移小于墊層底部的原因可能是墊層底部隨地基土的沉降而發(fā)生沉降，由于樁和路堤均會(huì)發(fā)生橫向位移，會(huì)使得路堤底部測(cè)點(diǎn)恰好位于樁上方，樁土剛度差使得樁土間出現(xiàn)較明顯沉降差。該處受到樁的支撐從而沉降較墊層底部測(cè)點(diǎn)的豎向位移偏小。

表2　路堤的水平位移和豎向位移　mm

分析路堤不同位置處的橫向位移可知，路堤右側(cè)均發(fā)生明顯向右的橫向位移，路堤底部最為明顯。路堤頂部整體發(fā)生向右的橫向位移，因此在運(yùn)營(yíng)期內(nèi)，應(yīng)注意對(duì)路堤的橫向偏移的監(jiān)測(cè)，以便及時(shí)地進(jìn)行路堤糾偏，保證路堤的穩(wěn)定性。

圖3為樁和地基土表面的沉降分布曲線，其中樁頂測(cè)點(diǎn)有25個(gè)，分別位于每根樁的樁頂，地基土表面的測(cè)點(diǎn)有26個(gè)，最左側(cè)測(cè)點(diǎn)(第1個(gè)測(cè)點(diǎn))布置在第1根樁的左側(cè)，25根樁間各布置1個(gè)(共計(jì)24個(gè))，最右側(cè)測(cè)點(diǎn)(第26個(gè)測(cè)點(diǎn))布置在第25根樁的右側(cè)。可知，樁頂沉降和地基土表面沉降均關(guān)于路堤中心不對(duì)稱，右側(cè)的沉降大于左側(cè)，樁頂沉降和地基土表面沉降的最大值均出現(xiàn)在路堤中心偏右側(cè)2倍樁間距，且樁土沉降差最大值也出現(xiàn)在路堤中心偏右側(cè)2倍樁間距，右側(cè)沉降差大于左側(cè)。

圖3　樁頂和地基土表面的沉降分布

圖4　樁-土相對(duì)橫向位移

樁-土相對(duì)橫向位移見(jiàn)圖4?？芍?，樁土之間發(fā)生相對(duì)位移且樁身位移減去土位移為負(fù)，說(shuō)明土相對(duì)于樁發(fā)生向右的位移。對(duì)于平臺(tái)樁而言，樁身發(fā)生水平向左的橫向位移，斜坡樁和懸浮樁發(fā)生水平向右的橫向位移，因而對(duì)于平臺(tái)樁而言，樁間并未發(fā)生繞樁流動(dòng)，而對(duì)于斜坡樁和懸浮樁而言，樁間土發(fā)生明顯的繞樁流動(dòng)。原因是樁土的剛度和彈性模量相差過(guò)大，樁身對(duì)土體的切割作用明顯，土體發(fā)生繞樁流動(dòng)。

2.2　樁身的受力

選取4根平臺(tái)樁、3根斜坡樁和3根懸浮樁進(jìn)行樁身受力分析，各樁的樁身內(nèi)力分布見(jiàn)圖5。

圖5　樁身內(nèi)力分布

由圖5可知，1#,2#和3#平臺(tái)樁的樁身彎矩分布基本一致，但第4#平臺(tái)樁與前3根平臺(tái)樁的樁身彎矩分布明顯不同，且與斜坡樁和懸浮樁的樁身彎矩分布基本一致，說(shuō)明樁身彎矩分布與樁的位置和樁端嵌固條件密切相關(guān)。樁身彎矩最大值主要出現(xiàn)在0.5～0.7倍樁身高度范圍。斜坡樁的樁身彎矩明顯較平臺(tái)樁和懸浮樁偏小，原因是斜坡樁靠近路堤中心，主要承擔(dān)上部荷載的豎向作用，其受到的橫向推力較小。平臺(tái)樁的樁身彎矩峰值的大小順序?yàn)椋?#>2#>3#>4#，說(shuō)明對(duì)于平臺(tái)樁而言，隨著離路堤中心的距離越近，樁身彎矩峰值越來(lái)越小且彎矩峰值的分布規(guī)律也發(fā)生明顯變化。斜坡樁的樁身彎矩峰值的大小順序?yàn)椋?#<6#<7#，具體表現(xiàn)為距離路堤中心越近，樁身彎矩峰值越大。懸浮樁的樁身彎矩峰值的大小順序?yàn)椋?#>8#>10#，說(shuō)明對(duì)于懸浮樁而言，隨著距路堤中心的距離越大，樁身彎矩峰值先增大后減小。原因是距路堤中心較近時(shí)樁身主要承擔(dān)豎向荷載，其受到的橫向推力較小，其樁身彎矩較??；距路堤中心較遠(yuǎn)時(shí)樁身受上部荷載影響較小，其樁身彎矩也較小。樁身剪力反彎點(diǎn)出現(xiàn)在土層分界面附近，且4#平臺(tái)樁由于靠近路堤中心，其彎矩沿樁身分布規(guī)律與斜坡樁類似。

本文計(jì)算得到的樁身彎矩和剪力分布與一些國(guó)外學(xué)者關(guān)于樁身受到土體橫向運(yùn)動(dòng)影響的結(jié)論[10-11]基本一致。這種分布是由于樁端受持力層的約束較大，而樁身中上部的地基軟土橫向運(yùn)動(dòng)要大于樁身中下部。這表明傾斜基底樁網(wǎng)復(fù)合地基的樁在承擔(dān)豎向荷載同時(shí)還受到地基土橫向運(yùn)動(dòng)的明顯影響，在設(shè)計(jì)中應(yīng)給予考慮。

圖6　土工格柵的位移分布

2.3　土工格柵應(yīng)變分布規(guī)律

從左至右在土工格柵上布置24個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，且監(jiān)測(cè)點(diǎn)均位于樁間中部的土工格柵，用以監(jiān)測(cè)土工格柵的位移和應(yīng)力。圖6為土工格柵的橫向和豎向位移分布規(guī)律，其中，向右的橫向位移和向上的豎向位移為正。由圖6可知，土工格柵的左側(cè)發(fā)生向左的橫向位移，右側(cè)發(fā)生向右的橫向位移，土工格柵受到明顯的拉伸作用。土工格柵隨著地基的壓縮發(fā)生沉降，從左至右土工格柵的沉降呈現(xiàn)出一個(gè)關(guān)于路堤中心非對(duì)稱的“沉降盆”。土工格柵最大豎向位移出現(xiàn)在路堤中心偏向右側(cè)約2倍樁間距處。

圖7為土工格柵的拉力分布?？芍凉じ駯鸥魈幘l(fā)生明顯的拉伸，其中土工格柵的拉力分布呈現(xiàn)出關(guān)于路堤中心非對(duì)稱的“沉降盆”，最大拉力與最大豎向位移出現(xiàn)位置一致。土工格柵右側(cè)的拉力明顯大于左側(cè)，這是由于右側(cè)樁土沉降差大于左側(cè)導(dǎo)致的。

圖7　土工格柵的拉力分布

3　結(jié)論

采用數(shù)值分析方法對(duì)運(yùn)營(yíng)荷載作用下杭深高速鐵路一工點(diǎn)的傾斜基底樁網(wǎng)復(fù)合地基受力變形特性進(jìn)行分析，得出如下結(jié)論：

1)路堤頂部發(fā)生明顯的不均勻沉降和橫向位移；在路堤同一高度處，路堤中部沉降最大，路堤右側(cè)沉降次之，路堤左側(cè)沉降最小。路堤頂部左右側(cè)的沉降差明顯小于墊層底部，加筋墊層和路堤填料的調(diào)節(jié)能夠明顯減小地基發(fā)生不均勻沉降對(duì)路堤頂部的影響。

2)樁頂沉降和地基土表面沉降均關(guān)于路堤中心不對(duì)稱，右側(cè)的沉降大于左側(cè)，樁頂沉降和地基土表面沉降的最大值均出現(xiàn)在路堤中心偏右側(cè)約2倍樁間距處。

3)斜坡樁和懸浮樁的樁間土發(fā)生明顯的繞樁流動(dòng)，而平臺(tái)樁的樁間土無(wú)此現(xiàn)象。

4)樁身彎矩分布與樁的位置和樁端嵌固條件密切相關(guān)。距離路堤中心越近平臺(tái)樁的樁身彎矩峰值越小，懸浮樁的樁身彎矩峰值越?。浑S著距路堤中心的距離加大，懸浮樁的樁身彎矩峰值先增大，隨后減小。

5)土工格柵的沉降和拉力呈現(xiàn)出一個(gè)關(guān)于路堤中心非對(duì)稱的“沉降盆”，右側(cè)大于左側(cè)；土工格柵的最大豎向位移和最大拉力均出現(xiàn)在路堤中心偏向右側(cè)約2倍樁間距處。

[1]易思蓉.鐵道工程[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2009.

[2]林育梁，葉朝良.路堤軟土地基變形形狀模型試驗(yàn)研究[J].公路，2002,12(12):35-39.

[3]胡勇剛，羅強(qiáng)，張良，等.基于離心模型試驗(yàn)的水泥土攪拌樁加固斜坡軟弱土地基變形特性研究[J].巖土力學(xué),2010,31(7):2207-2213.

[4]羅強(qiáng),胡勇剛,張良,等.水泥土攪拌法加固斜坡軟弱土地基的土工離心模型試驗(yàn)研究[J].中國(guó)鐵道科學(xué),2010,31(4):12-19.

[5]費(fèi)康,劉漢龍.樁承式加筋路堤的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及數(shù)值分析[J].巖土力學(xué),2009,30(4):1004-1012.

[6]VERMEER P A,LANGEN H V.Soil Collapse Computations with Finite Elements[J].Archive of Applied Mechanics,1989,59(3):221-236.

[7]許宏發(fā)，吳華杰，郭少平，等.樁土接觸面單元參數(shù)分析[J].探礦工程,2002(5):10-12.

[8]王炳龍,周順華,楊龍才.高速鐵路軟土路基工后沉降試驗(yàn)研究[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào),2003,31(10):1163-1167.

[9]國(guó)家鐵路局.TB 10001—2016鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)鐵道出版社,2016.

[10]ONG D E,LEUNG C E,CHOW Y K.Pile Behavior due to Excavation-induced Soil Movement in Clay.I:Stable Wall[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineeering,2006,132(1):36-44.

[11]LEUNG C F,CHOW Y K,SHEN R F.Behavior of Pile Subject to Excavation-induced Soil Movement[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineeering,2000,126(11):947-954.