鄧洪權(quán)

中鐵二十局集團(tuán)第一工程有限公司，江蘇 蘇州 215151

1 工程概況

鄭萬(wàn)鐵路平頂山西站位于平頂山市寶豐縣，車(chē)站為地面站，站場(chǎng)規(guī)模為3臺(tái)（側(cè)式站臺(tái)1座、島式站臺(tái)2座）7線（預(yù)留1條），地處中～強(qiáng)膨脹土地段，路堤高度而6.28～8.1m。該標(biāo)段下部地質(zhì)巖性按其成因和時(shí)代分類為第四系上更新統(tǒng)沖洪積層黏性土和第三系中新統(tǒng)泥質(zhì)砂巖，巖性主要為粉質(zhì)黏土、黏土、粗圓礫土、姜石土。

膨脹土是鄭萬(wàn)鐵路河南段典型的特殊巖土類型，蒙脫石含量為3.65%～39.99%，陽(yáng)離子交換量CEC（NH+）為40～428.78mmol/kg，外表呈網(wǎng)紋、蠕蟲(chóng)狀，硬塑或堅(jiān)硬狀，富含鐵錳及鈣質(zhì)結(jié)核、姜石。

2 有限元模擬分析

2.1 膨脹變形模擬理論

如何有效模擬外部作用下（如大氣環(huán)境和降雨作用）因膨脹土體含水量變化所引起的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)是解決問(wèn)題的關(guān)鍵。文章采用FLAC 3D軟件，借鑒鄭俊杰等[1]和房以河[2]的方法，膨脹變形采用溫度場(chǎng)熱傳導(dǎo)問(wèn)題的熱膨脹特性來(lái)進(jìn)行模擬分析。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，將外部環(huán)境影響（大氣及降雨等）導(dǎo)致的濕度場(chǎng)等效轉(zhuǎn)換成溫度場(chǎng)，并認(rèn)為由兩者變化引起的應(yīng)變?cè)隽渴窍嗟鹊?，從而?shí)現(xiàn)利用熱傳導(dǎo)膨脹模擬增濕膨脹，表達(dá)式如下：

式中：α為熱膨脹系數(shù)；β為膨脹土的線膨脹系數(shù)；?ω為含水率變化量；?T為溫度變化量。

2.2 數(shù)值模型建立

結(jié)合工程實(shí)際，建立一個(gè)縱向4根樁、橫向14根樁的樁板結(jié)構(gòu)的路基設(shè)計(jì)模型，數(shù)值模型結(jié)構(gòu)從上至下可分為四層：第一層為路堤結(jié)構(gòu)，第二層為大氣環(huán)境影響深度內(nèi)的膨脹土層，第三層為大氣環(huán)境影響深度下的膨脹土層，第四層為非膨脹土層[3]。

在FLAC 3D中采用樁（Pile）單元模擬樁，筏板選用殼（shell）單元模擬，其余部分均采用實(shí)體單元。承載板和樁是剛性連接的，其接觸面在模型中采用接觸面單元模擬；采用面面接觸單元模擬樁和土的接觸作用，將樁筏結(jié)構(gòu)和路基視為理想線彈性材料，膨脹土為彈塑性材料，遵循摩爾-庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則。模型設(shè)定上，一是將底部三個(gè)方向的位移進(jìn)行約束，二是將線路前后及左右側(cè)位移進(jìn)行約束，將模型頂部視為自由面。結(jié)合平頂山當(dāng)?shù)貧庀笄闆r，考慮膨脹土的影響深度為筏板底面下3m，水平范圍為從路肩至計(jì)算邊界，該范圍內(nèi)的地基膨脹變形用熱-力耦合方法模擬。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 樁間距影響分析

為研究樁間距對(duì)膨脹土地區(qū)深埋式樁板結(jié)構(gòu)路基承載與變形特性的影響，保持其他條件不變，分別進(jìn)行常規(guī)樁間距（s=3.5d、4.0d，s為樁中心距，d為樁的直徑）、較大樁間距（s=5d、6d、7d）時(shí)的樁板結(jié)構(gòu)路基數(shù)值模擬分析。

根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果，為研究膨脹土對(duì)筏板結(jié)構(gòu)路基的影響，分別提取膨脹土變形前后筏板沿橫向各節(jié)點(diǎn)的沉降值。填筑高度等于4m時(shí)，考慮膨脹土變形特征前后不同樁間距下對(duì)應(yīng)筏板的頂面沉降沿橫向分布曲線如圖1所示。

圖1 膨脹土對(duì)筏板結(jié)構(gòu)路基的影響示意圖

填筑高度為4m時(shí)，樁間距為3.5d～7d的樁板結(jié)構(gòu)筏板沉降沿路基橫向呈中心大而兩側(cè)小的趨勢(shì)，表現(xiàn)出整體彎曲變形的特征，在樁間位置沒(méi)有出現(xiàn)局部彎曲，說(shuō)明厚度為0.6m的板承載特性仍處于線性變形階段。

樁間距對(duì)沉降值產(chǎn)生近似呈線性增加的變化影響。間距為3.5d和7d時(shí)，不考慮膨脹，平均沉降分別為18.2mm和24.0mm，增幅為5.8mm；當(dāng)加入膨脹性影響后對(duì)應(yīng)平均沉降為17.8mm和24.2mm，增幅為6.4mm；樁間距從3.5d增大到7d時(shí)，膨脹后差異沉降從9.5mm增加至13.3mm，整體傾斜度由0.9‰增大至1.3‰。

綜上，可以得出該結(jié)構(gòu)對(duì)路堤沉降變形和差異沉降變形有很好的控制作用。

3.2 路堤高度影響分析

無(wú)砟軌道下基床層厚度最小一般為3m，為研究上部荷載對(duì)膨脹土地區(qū)樁板結(jié)構(gòu)變形特性的影響，保持其他條件不變，分別設(shè)定不同高度填筑路堤。從路堤高度3m開(kāi)始，依次在路基面上施加0kPa、10kPa、20kPa、30kPa和40kPa的均布荷載，來(lái)等效3m、4m、5m、6m和7m的路堤高度。

由此可知，不同荷載下筏板沉降變形基本呈現(xiàn)中心處大、邊緣處小的趨勢(shì)，沿橫向主要呈現(xiàn)整體彎曲變形，并且考慮膨脹變形前后兩者沉降變形基本一致，即使在筏板邊緣膨脹變形嚴(yán)重處也沒(méi)有出現(xiàn)很大的差異（考慮膨脹影響深度3m，筏板邊緣向中心延伸5m范圍區(qū)域）。

另外，隨著試驗(yàn)設(shè)定的路堤填筑高度的增加，可以明顯看到平均沉降、最大沉降及差異沉降的加大趨勢(shì)；而樁板結(jié)構(gòu)的差異沉降在考慮膨脹變形前后差值基本維持在0.2mm，基本可以忽略。故可得到結(jié)論，通過(guò)樁板剛性連接，可有效降低路基的差異沉降[4]。

4 施工控制措施

膨脹土質(zhì)受天氣影響大，需充分考慮施工過(guò)程中外界大氣情況對(duì)膨脹土的影響，且樁板復(fù)合結(jié)構(gòu)涉及各工藝間的銜接和特殊施工工藝，因此需建立良好的復(fù)合結(jié)構(gòu)路基施工工藝及質(zhì)量控制要求，才能有效控制基礎(chǔ)變形。結(jié)合該項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)施工情況，對(duì)膨脹土地段采用樁板結(jié)構(gòu)路基的施工要點(diǎn)總結(jié)如下。

（1）地基處理。提前對(duì)地質(zhì)條件進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)實(shí)際地質(zhì)條件與設(shè)計(jì)不相符時(shí)應(yīng)及時(shí)通知有關(guān)方面調(diào)整設(shè)計(jì)。同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)周?chē)鷳?yīng)準(zhǔn)備好截排水設(shè)施，并按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行地基處理（如強(qiáng)夯或沖擊碾壓)。

（2）樁基施工。在樁基施工前，要先進(jìn)行試樁，以確保地質(zhì)情況、設(shè)備配置、設(shè)計(jì)施工工藝的可行性。鉆孔時(shí)，鉆頭的起落速度要均勻，不應(yīng)該突然變速，導(dǎo)致碰撞孔壁。灌注樁澆筑時(shí)應(yīng)做好拌和站、試驗(yàn)室與現(xiàn)場(chǎng)工作的銜接，保證混凝土灌注的連續(xù)性，不得中途停頓。連續(xù)灌注施工中要做好泥漿池的防滲處理，防止泥漿滲入路基引起變形上隆。

（3）托梁施工。樁身經(jīng)無(wú)損檢測(cè)合格后方可綁扎托梁鋼筋，然后立模澆筑，托梁拆模后要盡早進(jìn)行基坑分層密實(shí)填筑。雨季施工時(shí)，應(yīng)采取措施防止地表水滲入基坑，軟化地層，降低地層強(qiáng)度指標(biāo)[5]。

（4）路基填筑。施工中應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)填筑過(guò)程中和填筑后的沉降，及時(shí)整理觀測(cè)資料，進(jìn)行分析、總結(jié)及判定，指導(dǎo)下步施工。

（5）施工組織。膨脹土地區(qū)的土石方工程應(yīng)做好施工組織與策劃，在一個(gè)旱季施工完成，盡量避免雨季施工，加強(qiáng)邊坡變形監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果安排施工進(jìn)度。若工程在一個(gè)旱季不能完成，則應(yīng)在雨天來(lái)臨前做好加固與防護(hù)工程，密切注意天氣預(yù)報(bào)，做好邊坡坡面的臨時(shí)防護(hù)工作，如在坡面鋪設(shè)防水塑料薄膜和修建臨時(shí)排水溝，以防止地表水沖刷坡面和下滲。

5 結(jié)論

（1）在3.5d～7d樁間距區(qū)間，樁板結(jié)構(gòu)最大沉降隨樁間距的增大近似呈線性增大趨勢(shì)，差異沉降有增大趨勢(shì)，整體傾斜度由0.9‰增大至1.3‰。因此，施工中應(yīng)盡量選擇較小的樁徑和較小的樁間距，這樣可以起到更好的控制路基沉降變形和差異沉降變形的作用。

（2）樁板結(jié)構(gòu)平均沉降、最大沉降及差異沉降隨路堤填筑高度的增加而增大，但樁板的差異沉降在分別考慮膨脹土變形特征前后的差值都在0.2mm以下，基本可以忽略。因此，復(fù)合樁板結(jié)構(gòu)可以有效抵抗膨脹土變形，控制路基的差異沉降。

（3）復(fù)合樁板結(jié)構(gòu)在靠近路基中心處產(chǎn)生的位移最大，在此后的設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮加強(qiáng)此處的構(gòu)造措施，保證其強(qiáng)度可靠。施工中要嚴(yán)格執(zhí)行國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、鐵路施工的現(xiàn)有規(guī)范、規(guī)程、規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)和要求，同時(shí)必須滿足客運(yùn)專線路基設(shè)計(jì)文件對(duì)路基各部分提出的技術(shù)要求，確保路基的強(qiáng)度與變形符合要求。