孫沙沙，薛禎禎，王天奇，徐漢文，馬明輝

（山東省煤田地質局第四勘探隊，山東濰坊 261200）

0 引言

在我國東部沿海地區(qū)，以高速鐵路為主的交通網(wǎng)絡已基本建成，該地區(qū)廣泛分布著大量深厚軟弱土層。軟土通常具有強度低、滲透性小、壓縮性高等不良工程特性。CFG 樁樁-網(wǎng)復合地基以其承載力高、沉降小、工期合理等特點廣泛應用于我國高速鐵路的建設當中[1]。高速列車運行速度較高、動荷載較大，由動荷載引起下部結構動力響應可能致使線路產(chǎn)生病害，從而影響高鐵運營安全[2]。本文以甬臺溫鐵路客運專線某斷面為研究對象，基于Midas/GTS NX 建立軌道-路堤-地基的三維有限元分析模型，對CFG 樁樁-網(wǎng)復合地基動力響應進行研究。

1 工程概況

甬臺溫鐵路軌道結構屬于雙線有砟軌道，軌道結構尺寸根據(jù)《新建時速200km 客貨共線鐵路設計暫行規(guī)定》[3]確定。高速鐵路正線軌道一般采用100.0m 定長的無螺栓孔鋼軌，鋼軌密度60.0kg/m，軌距1435.0mm。路基基床由基床表層和基床底層構成，基床表層有砟軌道厚0.6m，基床底層厚度為1.9m，如圖1所示。

圖1 K484+870 斷面

本文選取甬臺溫鐵路客運專線竣工里程K484+870 的路基橫斷面作為研究對象，該鐵路工段采用CFG 樁樁-網(wǎng)復合結構對軟土地基進行加固，如圖1 所示。該截面土層條件如下：①黏土，局部夾碎、礫石，褐黃色，硬塑；①1淤泥質黏土，灰色，軟～流塑；①2黏土，蘭灰色～褐黃色，硬塑；②凝灰?guī)r，全風化。

2 數(shù)值模型的建立

2.1 模型及計算參數(shù)

本文采用MIDAS/GTS NX 有限元軟件建立三維模型，對CFG 樁樁-網(wǎng)復合地基的動力響應進行分析，計算模型如圖2 所示。模型計算區(qū)域包括鋼軌、枕木、道砟層、路基及復合地基。在鋼軌頂面施加移動荷載，通過軌枕作用于道床頂面，然后再通過道床傳至基床和地基，使路基和地基產(chǎn)生動應力。

圖2 計算模型

表1 模型中材料的計算參數(shù)

在高速列車荷載作用下，鋼軌、混凝土軌枕、預應力管樁等構件的模量較大，變形較小，一般處于彈性工作狀態(tài)[4]，故采用彈性本構進行模擬。對于地基和路堤材料，由于其模量相對較小，且需要考慮其塑性特性，采用彈塑性本構模型進行建模。彈塑性本構模型中，由于M-C 模型計算效率比較高，并且適用于計算土體和巖石等松散或膠結的粒狀材料，地基和路堤材料采用M-C 模型進行模擬。本文計算模型各部分所選取的本構模型及其他計算參數(shù)如表1 所示。

2.2 人工邊界

在有限元動力計算中，計算模型的尺寸有限，無法還原實際的無限地基。三維時域粘彈性人工邊界精度較高，等效離散后的人工邊界條件方程與有限元方法相結合[5]，可以方便地求解無限域介質的瞬態(tài)波動問題，因此本文采用粘彈性人工邊界模擬動力波在模型邊界的傳播情況[6]。

3 計算結果及分析

3.1 樁身軸向受力分析

樁身軸向受力情況如圖3 所示。本文對所建立模型的樁體進行編號，其中上行線路基對應1#～8#樁，下行線路基對應9#～16#樁，如圖3（a）所示。由圖3（a）可知，列車動荷載對樁體軸力的影響主要集中在上行線正下方的四根樁上，即5#、6#、7#和8#樁，其中，7#樁是受動力影響最大。

圖3 樁體軸向受力

為了分析樁身軸力沿地基深度的變化情況，單獨對7#樁軸向受力情況進行分析，如圖3（b）所示。由圖3（b）可知，7#樁所受的軸向壓力沿樁體深度方向上呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢，樁體所承受的最大軸力出現(xiàn)在樁頂以下6.8m 處左右。

3.2 土體豎向動應力分析

從基床表層，土體中豎向動應力峰值沿深度的變化曲線如圖4 所示。由圖4 可知，地基土體中豎向動應力沿深度增加呈現(xiàn)不斷衰減的趨勢，然而在不同深度處動應力峰值的衰減速率不同。在基床表層以下4.2m 范圍內(nèi)，由于路堤填料的剛度較大，動應力峰值的衰減速率較快，且基床表層以下4.2m 處恰好是CFG 樁樁頂處。在距基床表層4.2m 以下范圍內(nèi)，由于地基土體主要由軟黏土組成，豎向動應力峰值衰減速率較小。在基床表層以下12.0～14.0m 范圍內(nèi)，由于樁端與持力層相互作用的影響，地基土體中出現(xiàn)豎向動應力峰值局部放大的現(xiàn)象。

圖4 樁體剪力分布

4 結語

（1）在列車動荷載作用下，CFG 樁身軸力沿深度方向先增大后減小，且軸力峰值出現(xiàn)在樁頂以下6.8m 左右。

（2）在列車動荷載作用下，土體豎向動應力峰值沿深度方向不斷衰減。在樁端與持力層相互作用的影響下，樁端處土體豎向動應力峰值存在局部放大現(xiàn)象。