趙南陸 曹宏 梁永恒

以唐曹鐵路的典型斷面為例，利用FLAC3D軟件對(duì)高壓旋噴樁復(fù)合地基在列車(chē)荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。通過(guò)改變樁身模量大小研究其對(duì)于高壓旋噴樁復(fù)合地基的動(dòng)應(yīng)力、動(dòng)加速度和動(dòng)位移的影響。

列車(chē)荷載； 高壓旋噴樁復(fù)合地基； 樁身模量； 動(dòng)力響應(yīng)； FLAC3D

TU473.1+2 A

［定稿日期］2022-03-22

［作者簡(jiǎn)介］趙南陸（1994—），男，碩士，從事巖土工程領(lǐng)域的技術(shù)研究工作。

高壓旋噴樁是一種以靜壓力注漿的方法為基礎(chǔ)，同時(shí)將其與高壓水射流切割技術(shù)相結(jié)合而得到的一種地基加固裝置［1-3］。其成樁機(jī)理是，利用高壓噴射裝置，讓水泥土以較高的速度從該裝置的噴槍中噴出，使得噴出的水泥土對(duì)其下部的地基土達(dá)到高速擠壓以及切割的效果，最終形成樁體。高射旋噴樁施工技術(shù)通過(guò)改變?cè)貙拥慕Y(jié)構(gòu)和組成，同時(shí)灌入泥漿或復(fù)合漿形成凝結(jié)體，從而達(dá)到加固地基和防滲的目的，該技術(shù)可廣泛用于淤泥質(zhì)土、黏土、粉質(zhì)黏土、粉土、砂土和人工填土等多種土層。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)高壓旋噴樁的施工提出了更多的要求。20世紀(jì)70年代中期，Ruben通過(guò)研究得到了一種新的工作法，即JSG工法又叫二重管法，至20世紀(jì)80年代，日本又相繼研究出了三重管以及多重管法旋噴注漿法［4］。近年，日本學(xué)者又將高壓噴射注漿和深層水泥液攪拌兩者方法結(jié)合起來(lái)，形成了目前常用的深層噴射攪拌混合法［5］。

1 工程概況

唐曹鐵路，是一條連接河北省唐山市豐南區(qū)和曹妃甸區(qū)的國(guó)鐵Ⅰ級(jí)雙線電氣客貨共線鐵路，全長(zhǎng)76.3 km，設(shè)計(jì)時(shí)速160 km/h，是北京—秦皇島城際鐵路的重要組成部分。曹妃甸區(qū)地處環(huán)渤海中心地帶，該區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，經(jīng)過(guò)了幾個(gè)階段的滄海桑田的更迭之后，形成了以黏土為主的濱海地貌，且進(jìn)行了大面積的填海造陸，因此非常適合利用吹填技術(shù)將曹妃甸地區(qū)的地質(zhì)條件加以改造。該地區(qū)吹填土按照其工程特性可分：①距離吹填完成時(shí)間較短的砂土，吹填土表現(xiàn)為軟塑-流塑狀；②吹填完成后經(jīng)過(guò)一段時(shí)間固結(jié)沉降的土體；③吹填完成后經(jīng)過(guò)地基處理后的土體。其中，工程性質(zhì)最好的為第3種，其孔隙比、含水率以及壓縮模量等性質(zhì)同另外2種吹填土相比，均得到了很大程度的提高。

由于該地區(qū)總體上的吹填土的孔隙比高、強(qiáng)度低等性質(zhì)，使得在這種特殊地基上修建鐵路會(huì)導(dǎo)致地基的變形大、承載能力不夠，還會(huì)導(dǎo)致地基內(nèi)長(zhǎng)期存在超孔隙水壓力這樣類(lèi)似的技術(shù)難點(diǎn)，如果不加以解決，工程將會(huì)存在相當(dāng)大的安全隱患。因此，利用高壓旋噴樁施工技術(shù)對(duì)該地區(qū)的地基進(jìn)行加固以提高整體承載力是比較合適的。本文將基于FLAC3D軟件對(duì)唐曹鐵路DK33+440.52～DK44+205路段中的DK37+700斷面進(jìn)行建模，并模擬其在列車(chē)動(dòng)荷載作用下不同樁身模量的動(dòng)力響應(yīng)。

2 模型參數(shù)

2.1 幾何參數(shù)

以唐曹鐵路DK33+440.52～DK44+205路段中的DK37+700斷面為實(shí)際工程背景，模型高30 m，其中包括5 m高的路基和地下25 m的地基，寬100 m，填筑路堤的設(shè)計(jì)坡度為1∶1.5。根據(jù)網(wǎng)格劃分的原則，并結(jié)合唐曹鐵路實(shí)際工程斷面DK37+700，對(duì)數(shù)值模擬的模型網(wǎng)格尺寸進(jìn)行劃分，為減輕計(jì)算難度，沿y軸方向，劃分15個(gè)網(wǎng)格單元，單元長(zhǎng)度為2 m；沿x軸，中間復(fù)合地基加固部分，每個(gè)網(wǎng)格采用與樁徑相等的尺寸即為0.5 m；沿z方向，隨深度增加，動(dòng)力荷載的影響可以忽略，故上部取較小網(wǎng)格尺寸，約為0.5～0.8 m，距地面6 m及以下部分網(wǎng)格尺寸約為2～3 m。模型網(wǎng)格劃分結(jié)果見(jiàn)圖1。

2.2 物理力學(xué)參數(shù)

計(jì)算模型包括填筑路基、地基土層、水泥土攪拌樁、土工格柵褥墊層等組成部分。模型中忽略土工格柵的影響，其他各結(jié)構(gòu)層均通過(guò)實(shí)體單元進(jìn)行模擬，實(shí)體單元與實(shí)體單元之間通過(guò)節(jié)點(diǎn)的相互連接來(lái)實(shí)現(xiàn)力的傳遞。沿線路方向?qū)扼w以及樁間土體進(jìn)行簡(jiǎn)化，采用其復(fù)合模量進(jìn)行計(jì)算，高壓旋噴樁的平面布置見(jiàn)圖2。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)得到的該斷面的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，高壓旋噴樁的相關(guān)計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

本文采用FLAC3D中彈塑性本構(gòu)模型對(duì)地基以及路基土層進(jìn)行模擬。需要提供土層參數(shù)中的體積模量K和切變模量G，體積模量K和切變模量G與彈性模量E存在關(guān)系：

K=E3（1-2μ）（1）

G=E2（1+μ）（2）

式中：K為體積模量；G為剪切模量；E為彈性模量；μ為泊松比。

選取唐曹鐵路中的DK37+700斷面為工程背景，建立有限差分模型，分析在動(dòng)荷載下的動(dòng)力響應(yīng)，斷面的土層參數(shù)見(jiàn)表2。

3 模型建立

按照?qǐng)D1進(jìn)行建模，模型四周設(shè)置自由場(chǎng)邊界，在模型底部施加靜止邊界。FLAC3D中的接觸面采用的是無(wú)厚度接觸面單元，其本構(gòu)模型為庫(kù)倫剪切模型。接觸面的接觸性體現(xiàn)在接觸面的節(jié)點(diǎn)上，且接觸力僅在節(jié)點(diǎn)上傳遞。接觸面參數(shù)與每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有聯(lián)系，且每個(gè)節(jié)點(diǎn)也可以有自己獨(dú)立的參數(shù)。

根據(jù)工程實(shí)際，當(dāng)樁頂荷載增大時(shí)，樁側(cè)摩阻力的變化和樁端阻力的變化是不相同的，樁側(cè)接觸面和樁頂接觸面節(jié)點(diǎn)會(huì)發(fā)生分離，故在樁側(cè)和樁端采用不同ID號(hào)的接觸面，更能模擬樁的受力機(jī)理，得到更接近實(shí)際的結(jié)論。本文在樁側(cè)建立Interface1、樁端建立Interace2，以此反應(yīng)兩者不同的受力情況。對(duì)于列車(chē)荷載的模擬，筆者則考慮為2節(jié)車(chē)廂及其相鄰轉(zhuǎn)向架間的荷載疊加，在路堤頂部相應(yīng)節(jié)點(diǎn)處施加激勵(lì)荷載，得到相鄰車(chē)廂輪載疊加后動(dòng)荷載［6］，如圖3所示。其中考慮2節(jié)車(chē)廂相鄰轉(zhuǎn)向架荷載時(shí)，動(dòng)荷載作用時(shí)長(zhǎng)為0.8 s，以分析路堤以及地基內(nèi)部的動(dòng)力響應(yīng)，主要包括各土層中動(dòng)應(yīng)力、動(dòng)位移以及動(dòng)加速度的變化規(guī)律。

4 結(jié)果分析

在列車(chē)移動(dòng)荷載下，動(dòng)力響應(yīng)發(fā)生最強(qiáng)烈的位置為模型的路堤頂面［7-8］。故取路堤頂面中心附近節(jié)點(diǎn)為研究對(duì)象，對(duì)模型相關(guān)參數(shù)的影響效果進(jìn)行討論。除樁身模量外，數(shù)值計(jì)算的因素的取值恒定，采用樁身彈性模量為60 MPa，80 MPa，100 MPa 3種工況進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

4.1 動(dòng)應(yīng)力

如圖4所示，為不同樁體模量時(shí)的復(fù)合地基路堤頂部動(dòng)應(yīng)力時(shí)程曲線，由圖4可知，樁體模量變化時(shí)，動(dòng)應(yīng)力的變化規(guī)律基本一致，樁體模量的增加，對(duì)路基頂部動(dòng)應(yīng)力幅值基本無(wú)較大影響。在路堤頂部表面中心位置，加之樁體模量設(shè)計(jì)值，按照樁體彈性模量從小到大的順序，即60 MPa、68.69 MPa、80 MPa、100 MPa，路堤頂部中心位置動(dòng)應(yīng)力幅值分別為：9.96 kPa，9.95 kPa，10.07 kPa，9.98 kPa，見(jiàn)圖5。列車(chē)移動(dòng)荷載下，高壓旋噴樁復(fù)合地基及其上部路基內(nèi)部的動(dòng)應(yīng)力主要由列車(chē)移動(dòng)所產(chǎn)生的周期性動(dòng)荷載引起，與其下部路基以及地基本身的剛度沒(méi)有直接的關(guān)系，而由于列車(chē)移動(dòng)荷載并未發(fā)生改變，故模型內(nèi)部動(dòng)應(yīng)力變化較小，當(dāng)樁身模量增大時(shí)，動(dòng)應(yīng)力時(shí)程曲線的形狀同其幅值均無(wú)較大變化。

4.2 動(dòng)加速度

如圖6所示，為不同樁身模量時(shí)的路基頂部中心位置的動(dòng)加速度時(shí)程曲線，由圖6可知，樁身模量增大時(shí)，動(dòng)應(yīng)力的變化規(guī)律基本一致，隨著樁身模量的增大，路基頂部動(dòng)應(yīng)力幅值基本恒定。

在路堤頂部表面中心位置，加之樁體模量設(shè)計(jì)值，按照樁體彈性模量從小到大的順序，即60 MPa、68.69 MPa、80 MPa、100 MPa，路堤頂部中心位置動(dòng)應(yīng)力幅值分別為：15.62 m/s2、15.60 m/s2、15.79 m/s2、15.65 m/s2，對(duì)比見(jiàn)圖7。

列車(chē)移動(dòng)荷載下，高壓旋噴樁復(fù)合地基及其上部路基內(nèi)部的動(dòng)加速度主要由列車(chē)移動(dòng)在土體內(nèi)產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力引起，與其下部路基以及地基本身的剛度沒(méi)有直接的關(guān)系，而由于列車(chē)移動(dòng)造成的土體內(nèi)動(dòng)應(yīng)力并未發(fā)生改變，故模型內(nèi)部動(dòng)應(yīng)力變化較小，當(dāng)樁身模量變大時(shí)，動(dòng)加速度時(shí)程曲線的形狀及其幅值均無(wú)明顯的增減。

4.3 動(dòng)位移

圖8為不同樁體模量時(shí)的復(fù)合地基路堤頂部動(dòng)位移變化的時(shí)程曲線，有圖可知，當(dāng)樁身模量變大時(shí)，三者動(dòng)位移時(shí)程曲線形狀基本一致，即動(dòng)位移的變化規(guī)律基本保持一致，但動(dòng)位移幅值有所不同，由于樁體模量的增大而致使路基頂部動(dòng)位移的幅值趨向減小，同時(shí)動(dòng)位移幅值的增量也趨于減小。在路堤頂部中心位置，加之樁體模量設(shè)計(jì)值，按照樁體彈性模量從小到大的順序，即60 MPa、68.69 MPa、80 MPa、100 MPa，其動(dòng)位移幅值分別為：1.05 mm、0.93 mm、0.87 mm、0.83 mm。

列車(chē)移動(dòng)荷載作用下，高壓旋噴樁復(fù)合地基上部路基表面的動(dòng)位移主要由路基沉降及其下部高壓旋噴樁加固區(qū)動(dòng)位移兩部分組成，因?yàn)樾龂姌赌Ａ康募哟螅始庸虆^(qū)整體模量增加，軟弱地基加固區(qū)的動(dòng)位移減小。

當(dāng)樁身模量變大時(shí)，加固區(qū)模量增大，復(fù)合地基的整體動(dòng)位移將逐漸減小，從而導(dǎo)致其上路基頂部動(dòng)位移幅值減??；由于上部列車(chē)動(dòng)荷載并未發(fā)生改變，傳到地基處時(shí)，土層內(nèi)部的動(dòng)應(yīng)力也不發(fā)生變化，若樁體模量繼續(xù)增大，由下部地基所產(chǎn)生的位移增量將會(huì)逐漸減小，此時(shí)路基頂部動(dòng)位移主要由路堤本身產(chǎn)生，由于路堤本身的性質(zhì)并未發(fā)生改變，因此其動(dòng)位移幅值的增量將逐漸減小且趨于路堤總沉降。

5 結(jié)論

本文利用有限差分軟件FLAC3D模擬高壓旋噴樁復(fù)合地基的樁身模量對(duì)列車(chē)動(dòng)荷載作用下路基表面動(dòng)應(yīng)力、動(dòng)位移以及動(dòng)加速的影響，得出結(jié)論：

（1）樁體彈性模量對(duì)列車(chē)荷載下陸地表面中心位置的動(dòng)應(yīng)力和動(dòng)加速度影響較小，但對(duì)于其控制路基和地基動(dòng)位移的作用比較明顯。

（2）當(dāng)樁體彈性模量增大到一定程度時(shí)，其控制動(dòng)位移的效果將開(kāi)始減弱，此時(shí)繼續(xù)增加樁體彈性模量以控制變形的意義不大。

（3）實(shí)際工程中，通過(guò)增減水泥的摻入量來(lái)控制高壓旋噴樁彈性模量，在充分利用樁體承載力的同時(shí)，應(yīng)充分發(fā)揮樁間土的承載特性，實(shí)現(xiàn)樁-土共同作用。

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