李岳峰，孫子豪

(1.中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，湖北 武漢 430063；2.武漢輕工大學(xué) 土建學(xué)院，湖北 武漢 430023)

1 引言

隨著鐵路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，對路基工后沉降變形控制也日趨嚴(yán)格[1-2]。高速鐵路不可避免的要通過大量的軟土地層，這就對路基工后沉降提出更高要求[3-4]。水泥土攪拌樁是通過加入水泥強制攪拌而形成的復(fù)合地基。樁與樁間土形成的復(fù)合地基可以有效減少沉降[5]。

工程中關(guān)于軟土沉降計算大致可分為實測數(shù)據(jù)預(yù)測法、沉降計算理論公式法和固結(jié)理論與增強體的本構(gòu)模型等三大類[6]。王威[7]等通過推導(dǎo)Kelvin模型和Maxwell模型的沉降變形方程，建立Burgers模型。結(jié)果表明:Burgers模型預(yù)測結(jié)果可靠性較高。雷華陽[8]等分析對比了有限元計算模擬與現(xiàn)場沉降監(jiān)測的結(jié)果，驗證了有限元模型可以有效模擬路基沉降規(guī)律，從而可對路基的長期穩(wěn)定性進(jìn)行預(yù)測。呂綠洲[9]通過推導(dǎo)軟土路基的黏彈性模型，并用實驗數(shù)據(jù)擬合了模型參數(shù)，從而對路基最終沉降進(jìn)行預(yù)測。

本文結(jié)合新建鐵路福州至廈門客運專線，依托水泥土攪拌樁復(fù)合地基，利用有限元軟件ABAQUS建立模型，通過現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)與軟件計算結(jié)果進(jìn)行對比分析，研究路基的沉降規(guī)律，并有效地預(yù)測軟土路基工后50年的剩余沉降。

2試驗

2.1工程概況

新建鐵路福州至廈門客運專線(以下簡稱“福廈客?！?位于福建省沿海地區(qū)，北起福州市，途經(jīng)莆田市、泉州市，南至廈門市和漳州市。線路北端銜接合福鐵路、溫福鐵路，南端銜接廈深鐵路、龍廈鐵路，與東南沿海鐵路福廈段共通道，既可構(gòu)建京福廈高速鐵路客運通道，也是東南沿海鐵路客運通道的重要組成部分。

FXZQ-4標(biāo)(DK86+801.42～DK108+319.83)本標(biāo)段主要以軟土為主，工程性質(zhì)差。最大厚度為12米，其中8～10m的厚度占比較高，達(dá)70.67%。采用水泥土攪拌樁進(jìn)行地基處理。地層的主要物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 地層物理力學(xué)參數(shù)

本工程采用水泥土攪拌樁復(fù)合地基的地基處理方法。水泥土攪拌樁采用彈性模型，彈性模量為120MPa，泊松比為0.3，樁徑0.5m，樁間距1.5m，平面布置呈正方形。

2.2監(jiān)測結(jié)果與分析

沿著鐵路路基共設(shè)有沉降監(jiān)測斷面50個。選取典型現(xiàn)場監(jiān)測沉降點3個進(jìn)行分析，對應(yīng)的軟土層厚度分別為8m、9m、10m。監(jiān)測時間從2020年11月1日到2022年11月1日，共24個月。地表沉降速率隨時間的變化關(guān)系如圖1所示。

圖1 地表沉降速率隨時間變化關(guān)系

從圖1可以看出，沉降速率在監(jiān)測前期變化較大，在監(jiān)測后期所有軟土層厚度的沉降速率趨于平緩，這與圖1的最終沉降趨于收斂相一致。所有軟土層最終的沉降速率都小于-0.77656mm/d，這表明采用水泥土攪拌樁進(jìn)行地基處理是可行的。

2.3 軟土沉降量的預(yù)測

2.3.1預(yù)測模型

對路堤的沉降進(jìn)行模擬，創(chuàng)建樁筏復(fù)合地基模型，并進(jìn)行有限元分析。路基結(jié)構(gòu)如圖2所示，計算范圍豎向24.2m，其中路堤高度為4.2m，軟土層厚度為12m，下部密實的粉質(zhì)黏土為8m。橫向取40m，路堤底寬為30m。計算時取底部為無位移的固定邊界，兩側(cè)采用橫向約束。土體單元采用Mohr-coulomb模型，水泥土攪拌樁采用線彈性單元。初步計算平衡后，采用改進(jìn)的Burgers模型理論，計算工后沉降。計算模型的網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖2 路基結(jié)構(gòu)圖

圖3 計算模型網(wǎng)格劃分

2.3.2計算荷載

路堤高度為4.2m，10天填筑完成。填土分為三層，第一層為砂土，第二層為碎石土，第三層為碎石。三層土的重度大約為80Kpa。所有單元的物理力學(xué)性質(zhì)如表1所示。

2.3.3 與實測結(jié)果對比

基于工程實測數(shù)據(jù)對數(shù)值模擬的預(yù)測值進(jìn)行驗證。選取有代表性的3個觀測點，對應(yīng)的軟土層厚度分別6m、7m、8m。選取的觀測數(shù)據(jù)于2020年11月10日路堤填筑結(jié)束的時間開始觀測，并將觀測數(shù)據(jù)與計算所得的曲線相比較。數(shù)值模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)對比如圖4。從圖5可以看出，數(shù)值模擬與實測數(shù)據(jù)吻合度較好，因此，可以說明利用數(shù)值模擬的結(jié)果來預(yù)測路基的剩余工后沉降是可行的。

圖4 數(shù)值模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)對比圖

2.4長期沉降預(yù)測

利用數(shù)值模擬分別對8m、9m和10m厚度的軟土層的地表沉降進(jìn)行長期預(yù)測，預(yù)測的時間為50年，其結(jié)果如圖5所示。三個監(jiān)測點2022年1月1日的沉降量分別為-107.42、-159.705mm和-198.523mm。50年后最終沉降量為-125.451mm、-181.958mm和-232.766mm。因此，軟土層厚度為8m、9m和10m的工后剩余沉降量為18.031mm、22.253mm和34.243mm。從工后剩余沉降的數(shù)值可以看出，工后沉降量不大，可以證明軟土地基的處理是合理的。

圖5 不同軟土厚度長期沉降預(yù)測

3結(jié)論

(1)結(jié)合新建鐵路福州至廈門客運專線軟土路基處理的現(xiàn)場實測監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析地表沉降速率，結(jié)果表明：所有軟土層最終的沉降速率都小于-0.77656mm/d，這表明采用水泥土攪拌樁進(jìn)行地基處理是可行的。

(2) 軟土層厚度分別為8m、9m和10m，五十年后工后剩余沉降量為分別18.031mm、22.253mm和34.243mm。從工后剩余沉降的數(shù)值可以看出，工后沉降量不大，說明運營期該路段路基處于長期穩(wěn)定狀態(tài)。