楊成忠 陸思逵 王威 羅坤

（華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，南昌 330013）

近年來，我國高速鐵路正處在高速發(fā)展階段。為保障高速鐵路的運(yùn)行速度和運(yùn)行質(zhì)量，高速鐵路路基相較于普通鐵路、公路路基對沉降的控制更為嚴(yán)格，在特殊地段（如軟土、凍土地段）對沉降要求也十分嚴(yán)格。過大或不均勻沉降都會造成軌道的不平順性，影響高速鐵路列車運(yùn)行穩(wěn)定性，因此，路基的沉降控制是高速鐵路設(shè)計(jì)時重點(diǎn)考慮的因素［1］。

為達(dá)到高速鐵路路基嚴(yán)格的沉降控制要求，高速鐵路在穿越不良地段時往往采用復(fù)合地基的手段進(jìn)行加固［2］。水泥粉煤灰碎石（Cement Fly-ash Gravel，CFG）樁復(fù)合地基是上世紀(jì)80 年代研發(fā)的一種地基處理技術(shù)，并首先用于建筑行業(yè)地基的處理［3］。CFG 樁復(fù)合地基主要由樁身、樁間土和褥墊層構(gòu)成。該地基處理方法效果好、施工速度快、工程造價低，得到了廣泛的應(yīng)用，并于2002 年首次應(yīng)用于鐵路地基的處理中，取得了良好的加固效果。盡管CFG 樁復(fù)合地基在鐵路行業(yè)地基處理已得到廣泛運(yùn)用，但其理論研究仍未完善。主要是由于建筑行業(yè)基礎(chǔ)多為剛性基礎(chǔ)，荷載傳遞方式明確，理論分析相對簡單，而鐵路基礎(chǔ)為柔性基礎(chǔ)，各結(jié)構(gòu)層次的相互作用，還沒有形成完整的理論體系和計(jì)算方法；其次建筑行業(yè)荷載多為靜力荷載，而鐵路路基承受列車動力荷載作用，樁土應(yīng)力比在工后階段很可能發(fā)生變化；另外鐵路路基相較于建筑行業(yè)對沉降的控制更為嚴(yán)格［4-5］。影響CFG 樁復(fù)合地基沉降的因素種類復(fù)雜，在設(shè)計(jì)時應(yīng)考慮主要影響因素。目前CFG 樁復(fù)合地基沉降的研究中，多以現(xiàn)場試驗(yàn)和理論計(jì)算為多，然而由于現(xiàn)場研究和理論計(jì)算的局限性，很難將多個影響因素分析完全并找出關(guān)鍵影響因素［6-10］。此外，針對CFG 樁復(fù)合地基沉降變形的理論研究較為欠缺，尤其是針對動荷載作用下CFG 樁復(fù)合地基研究開展較少。而我國高速鐵路建設(shè)數(shù)量多，面臨的軟弱地基等不良地質(zhì)條件多。因此，研究列車移動荷載作用下樁網(wǎng)復(fù)合結(jié)構(gòu)對地基加固效果的影響就顯得特別重要。

本文結(jié)合昌贛客運(yùn)專線試驗(yàn)段中的CFG 樁復(fù)合地基現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果，通過有限差分軟件FLAC 3D 進(jìn)行模擬計(jì)算，分析列車運(yùn)行速度、樁長、墊層厚度、樁身彈性模量等因素對復(fù)合地基沉降的影響，確定影響CFG樁復(fù)合地基沉降的主要因素。

1 工程概況

昌贛客運(yùn)專線位于江西省中南部，由南昌出發(fā)，經(jīng)由京九線向南延伸，途經(jīng)宜春市、吉安市終至贛州市。其中路基樣板段里程為DK172+376—DK172+835，前接?xùn)|邊嶺特大橋，后接雙村隧道。該段路基位于剝蝕低丘及丘間谷地，谷地呈狹長帶狀，地形平坦略有起伏，地面自然高程為69.48～81.95 m，地表坡度10°～20°，地勢開闊。線路沿線屬中亞熱帶丘陵山區(qū)季風(fēng)濕潤型氣候，區(qū)域內(nèi)氣候溫和濕潤，四季分明，雨量充沛，日照充足，無霜期長。地表水發(fā)育，以水塘水和溪水為主，地下水不發(fā)育，多為空隙潛水，水位埋深0.1～3.5 m。多年平均降水量為1 459.8 mm，年最大降水量為2 183.1 mm，年最小降水量為982.8 mm，最大日降水量為198.8 mm。天氣潮濕悶熱，春秋季節(jié)多北風(fēng)，夏季多西北風(fēng)。

為復(fù)核路基樣板段工程地質(zhì)情況，驗(yàn)證長螺桿鉆機(jī)泵送混合料的成樁方式及確定符合路基樣板段CFG 樁的施工質(zhì)量控制要點(diǎn)、施工參數(shù)，選擇具有代表性的路基斷面，采用長螺旋桿孔管內(nèi)泵壓混合料灌注成樁施工工藝進(jìn)行CFG 樁試樁。CFG 樁采用C15混凝土，施工配合比為（水泥+粉煤灰）∶砂∶碎石∶減水劑∶水=（222+95）∶823∶1 110∶3.17∶130，試樁混凝土由2#拌和站集中拌和。現(xiàn)場長螺旋鉆機(jī)鉆出的土樣依次為：全風(fēng)化千枚巖，褐黃色，Ⅲ級；強(qiáng)風(fēng)化千枚巖，褐黃色，Ⅳ級，見圖1。全風(fēng)化千枚巖巖性松軟，遇水易泥化、軟化，有漲縮性，工程地質(zhì)條件不好，會導(dǎo)致沉降較大。

圖1 CFG樁鉆出的土樣

鉆孔灌注樁施工前應(yīng)進(jìn)行成樁工藝試驗(yàn)并進(jìn)行單樁載荷試驗(yàn)，掌握該場地的成樁經(jīng)驗(yàn)及各種操作技術(shù)參數(shù)，樁基施工完成28 d 后進(jìn)行相關(guān)檢測，合格后方可進(jìn)行上部填筑工作。現(xiàn)場單樁靜載試驗(yàn)采用慢速維持荷載法，由千斤頂、油泵、反力梁和配重組成反力系統(tǒng)。通過反力系統(tǒng)將豎向荷載逐級施加在樁頂，通過放置在千斤頂上的傳感器測試荷載并實(shí)時進(jìn)行監(jiān)測?，F(xiàn)場單樁靜載試驗(yàn)所用CFG 樁的樁徑為0.5 m，樁長15 m，靜載試驗(yàn)荷載共分7級進(jìn)行加載，分級荷載為150 kN，最大靜載為1 200 kN。DK172+376.09—DK172+835 段48-10#CFG 樁豎向靜載試驗(yàn)結(jié)果見表1?？芍?，該樁最終荷載1 200 kN 的最終沉降為15.6 mm，現(xiàn)場靜載試驗(yàn)曲線未出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)，可以認(rèn)為單樁承載力大于1 200 kN，加載完畢后進(jìn)行逐級卸載，最終穩(wěn)定沉降為13.32 mm，回彈量為2.28 mm，回彈率為14.6%。

表1 單樁豎向靜荷載試驗(yàn)結(jié)果

2 模型建立

2.1 數(shù)值分析模型

依據(jù)試驗(yàn)段代表性斷面DK172+675.4 的設(shè)計(jì)圖，運(yùn)用有限差分法數(shù)值模擬軟件FLAC 3D 建立了CFG樁復(fù)合地基三維動力響應(yīng)分析模型，其網(wǎng)格劃分（線路橫斷面）如圖2所示。

圖2 有限元網(wǎng)格劃分

地基土體按工程鉆芯取樣分為軟弱層和持力層2層模擬，均采用Mohr-Coulomb 本構(gòu)模型。該地基采用CFG 樁復(fù)合地基進(jìn)行加固，采用正方形形式布置3 排樁，樁長15 m，樁徑0.5 m，樁間距2.5 m；路堤高3 m（其中路基表層0.8 m、底層2.2 m），邊坡坡度為1：1.5，同樣采用Mohr-coulomb本構(gòu)模型。軌道板、CA砂漿、混凝土支撐層以及墊層采用線彈性模型。各結(jié)構(gòu)材料參數(shù)見表2。

表2 各結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

2.2 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證本模型的可靠度，根據(jù)現(xiàn)場單樁靜載試驗(yàn)的路基斷面形式并結(jié)合現(xiàn)場工程地質(zhì)資料，使用FLAC 3D 有限差分軟件建立單樁靜載試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，依?jù)現(xiàn)場靜力加載時程曲線進(jìn)行單樁靜載試驗(yàn)?zāi)M，與現(xiàn)場試驗(yàn)段單樁靜載試驗(yàn)荷載沉降結(jié)果進(jìn)行對比，見圖3?？芍?，模型模擬的單樁靜載試驗(yàn)荷載-沉降曲線與現(xiàn)場實(shí)測值基本吻合。最大靜載處兩曲線的沉降差異最大，樁頂沉降計(jì)算值達(dá)到16.34 mm，現(xiàn)場實(shí)測值為15.6 mm，沉降差異為0.74 mm，沉降差異小于5%。表明本文所建模型合理，計(jì)算結(jié)果較為可靠。

圖3 單樁靜載試驗(yàn)沉降云圖及荷載-沉降曲線

3 CFG樁復(fù)合地基沉降特性研究

3.1 列車荷載選取

列車荷載由于涉及到列車、軌道以及路基之間的相互耦合作用，因而較為復(fù)雜。本文采用一個與高、中、低頻對應(yīng)的，可以反映線路不平順、附加動載和軌面波磨效應(yīng)的激振力來模擬輪軌之間的相互作用力作為列車荷載［11］。其表達(dá)式為

式中：F（t）為隨時間變化的列車荷載；t為時間；P0為車輪靜載；Pi為3 種振動頻率對應(yīng)的振動荷載；ωi為不平順振動波長的角頻率；M0為列車簧下質(zhì)量；ai為高、中、低頻對應(yīng)的矢高；v為列車行駛速度；Li為高、中、低頻對應(yīng)的軌道不平順波長。

根據(jù)我國高速鐵路運(yùn)行車輛（CRH380AL）所要求的軸重一般小于16 t，取P0=80 kN，M0=850 kg。低、中、高頻對應(yīng)的不平順波長（L1，L2，L3）分別為10.0，2.0，0.5 m，矢 高（a1，a2，a3）分 別為3.50，0.50，0.08 mm。圖4 中列舉了列車速度為200，300 km/h 時的激振力時程曲線。

圖4 列車激振力時程曲線

3.2 CFG樁復(fù)合地基沉降特性

為研究列車移動荷載作用下各結(jié)構(gòu)層的沉降規(guī)律，選取右側(cè)半幅路基作為研究對象。列車運(yùn)行速度為300 km/h 時，線路橫向路基各結(jié)構(gòu)層沉降曲線見圖5。可知，各結(jié)構(gòu)層在路基中線附近沉降較為明顯，且距路中線距離越遠(yuǎn)，列車移動荷載的影響程度越小，沉降最終趨于穩(wěn)定。其中列車對基床表層沉降影響較大，最大沉降位于距路基中線1.5 m 處，其值為0.552 mm；最小沉降位于距路基中線10 m 處，其值為0.277 mm；基床表層不均勻沉降為0.275 mm。列車移動荷載對路基底層的影響較小，沿線路橫向沉降變化幅度不大，未出現(xiàn)明顯的峰值點(diǎn)。沿路基深度方向，列車移動荷載對CFG 樁復(fù)合地基沉降的影響越來越小，路基底層距路基中線1.5 m 處的沉降為0.268 mm，較基床表層沉降衰減51.4%。

圖5 線路橫向路基各結(jié)構(gòu)層的沉降曲線

3.3 列車運(yùn)行速度對沉降的影響

不同列車運(yùn)行速度時，CFG 樁復(fù)合地基樁頂、樁間土以及下臥層的沉降曲線見圖6?？芍?，隨著列車運(yùn)行速度的增加，樁頂、樁間土以及下臥層的沉降均有所增加；其中樁頂?shù)某两底兓畲螅诹熊囘\(yùn)行速度350 km/h 時達(dá)到最大值0.314 mm，列車運(yùn)行速度150 km/h 時為最小值0.258 mm，變化幅度為21.7%。下臥層、樁間土的沉降較樁頂沉降小，且在不同列車運(yùn)行速度下差異較小。

圖6 不同列車運(yùn)行速度時CFG樁復(fù)合地基沉降曲線

3.4 樁長對沉降的影響

不同樁長時，CFG 樁復(fù)合地基樁頂、樁間土以及下臥層的沉降曲線見圖7?？芍?，樁頂、樁間土和下臥層的沉降隨樁長的增加呈現(xiàn)下降趨勢。樁長9 m 時樁頂沉降最大，達(dá)到0.542 mm；樁長21 m 時樁頂沉降最小，為0.299 mm。當(dāng)樁長達(dá)到15 m 時有明顯拐點(diǎn)，這是由于地基深度15 m下為持力層，當(dāng)CFG樁穿過軟弱地基層到達(dá)持力層時，樁端阻力明顯增大，此時樁長增加對路基沉降的影響不大。因此，對于實(shí)際工程來說，雖然樁長增加可以減小路基的沉降，但也應(yīng)考慮工程成本選擇合適的樁長。

圖7 不同樁長時CFG樁復(fù)合地基沉降曲線

3.5 墊層厚度對沉降的影響

圖8 不同墊層厚度時CFG樁復(fù)合地基沉降曲線

不同墊層厚度時，CFG 樁復(fù)合地基樁頂、樁間土以及下臥層的沉降曲線見圖8?？芍S著墊層厚度的增加，樁土間作用力增強(qiáng)，樁土應(yīng)力比減小，CFG 樁復(fù)合地基樁頂、樁間土以及下臥層的沉降均有所減小。當(dāng)墊層厚度為0.6 m 時沉降最大，其中樁頂沉降0.324 mm，樁間土沉降0.281 mm，下臥層沉降0.279 mm；當(dāng)墊層厚度超過0.8 m 后，樁頂、樁間土以及下臥層的沉降基本保持不變，差異沉降均小于3%。這說明，墊層越厚復(fù)合地基沉降越小，但隨著厚度的增加，沉降減少的幅度趨于穩(wěn)定。對于實(shí)際工程來說，應(yīng)選擇合適墊層厚度，以節(jié)約成本。

3.6 樁體彈性模量對沉降的影響

不同樁體彈性模量時，CFG 樁復(fù)合地基樁頂、樁間土以及下臥層的沉降曲線見圖9?？芍S著樁身彈性模量的增大，樁頂、樁間土以及下臥層沉降逐漸減小。這是由于樁身彈性模量增大，樁承擔(dān)的荷載增加，樁土應(yīng)力比增加，在相同的列車移動荷載作用下樁體剛度大，所以沉降會減小。但當(dāng)樁身彈性模量大于40 GPa 后，地基各結(jié)構(gòu)的沉降幾乎不會發(fā)生變化。需要說明的是，彈性模量100 GPa 是作為極端值進(jìn)行對比研究。

圖9 不同樁體彈性模量時CFG樁復(fù)合地基沉降曲線

4 結(jié)論

1）列車移動荷載作用對基床表層的影響最大，且運(yùn)行速度越快對路基各結(jié)構(gòu)層的沉降影響越大，隨著路基深度的增加，列車移動荷載的影響明顯減小。

2）增加樁身長度，可增大樁土接觸面積，樁土間相互作用力增強(qiáng)，復(fù)合地基各結(jié)構(gòu)層的沉降均有一定幅度的減小，但當(dāng)樁身到達(dá)持力層后，樁端阻力增大，樁長繼續(xù)增加，結(jié)構(gòu)沉降變化不再明顯基本趨于穩(wěn)定。

3）增加墊層厚度，樁土間作用力增強(qiáng)，樁土應(yīng)力比持續(xù)減小。由于墊層彈性模量較大，可以有效減小列車移動荷載引起的復(fù)合地基各結(jié)構(gòu)層的沉降。但當(dāng)墊層厚度超過0.8 m 后，墊層厚度的增加對控制沉降的作用并不明顯。

4）增大樁體彈性模量，樁土應(yīng)力比增大，樁體承受荷載增大，復(fù)合地基各結(jié)構(gòu)層的沉降相應(yīng)減小。