葉佩文

(1.中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043; 2.中國鐵建BIM工程實驗室(中鐵一院),西安 710043)

引言

高速鐵路對線下工程沉降變形要求極為嚴格,鑒于此,大量高速鐵路線路不得不采取“以橋代路”的形式進行修建,橋梁所占比例大,高架長橋多。但即便如此,仍有部分路基結構,其面臨變形控制這一難題。此外,既有高速鐵路沿線工程活動日益頻繁,這必然對既有高速鐵路尤其是路基段的運營安全造成影響。尤其在我國沿海軟土地區(qū),路網密集,此情況更為普遍。例如,鄰近鐵路堆載引起滬杭客運專線松江段某處樁基最大橫向變形61.4 mm,導致線路限速60 km/h進行糾偏處理[1-2]。

由此可見,軟土地區(qū)鄰近堆載將對既有高鐵路基產生不利影響,尤其是新建路基填筑這類大規(guī)模的堆載,產生的不利影響更不容小覷,需引起工程技術人員的充分重視。

HEYMAN[3](1961)通過現(xiàn)場試驗研究了路基填筑對鄰近既有結構物樁基變形的影響,得出了路堤荷載的最大影響距離;楊敏等[4](2003)采用改進彈性地基梁法對堆載鄰近的樁基進行了理論分析,提出了堆載大小和樁基變位的控制標準;李忠誠[5-6](2007)對地面超載條件下自由場土體的側向位移模式進行了探討,得出了土體側向變形規(guī)律;RUJIKIATKAMJORN C[7](2008)采用三維和二維數(shù)值模擬分析了某堆場真空-堆載預壓過程中鄰近地層沉降、孔隙水壓力和側向位移變化,得出堆載期間應重點監(jiān)測鄰近地層橫向運動,以避免對相鄰結構造成損壞的結論;代恒軍等[8](2010)分別研究了鄰近堆載作用下淺層土體彈性模量和樁身剛度對各排樁基側向變形的影響,并將有限元計算結果與實測數(shù)據進行了比較;趙曉波[9](2013)研究了堆載作用大小、作用距離、建筑物自重、土層模量、CFG樁樁身模量等因素對鄰近復合CFG樁地基力學性狀的影響;黃玨鑫[10](2014)采用控制變量法,分析了不同堆載寬度、堆載間距、堆載高度情況下樁身彎矩與墩頂位移的變化規(guī)律;張燕[11](2015)分析了不同堆載高度、不同堆載間距以及堆載分級級數(shù)對既有路基變形的影響;丁任盛[12](2015)開展堆載對鄰近樁基影響的1∶1原位現(xiàn)場試驗,探討了深厚軟土地區(qū)堆載高度、堆載與樁基距離對樁身內力、位移、樁基和堆載間土體深層位移的影響規(guī)律;陳柯星[13](2015)考慮了快速堆載(即土體不排水情況)和慢速堆載(即考慮土體排水固結)兩種工況,研究了固結時間對樁身變形和受力的影響;王毅[14](2018)通過土工離心模型試驗研究了加載距離、加載量、加載寬度對鄰近樁網結構路基水平變形的影響規(guī)律。

已有研究提出,影響鄰近樁基變形的堆載因素主要為堆載距離、堆載高度、軟土厚度及堆載速度。同時,既有研究鄰近堆載引起既有結構樁基變形的因素較為單一,且研究重點為一定堆載作用下既有結構物變形機理及規(guī)律。對多堆載因素共同作用時,引起鄰近結構變形的主要因素尚不明確。因此,針對軟土地區(qū)引起鄰近高鐵路基變形的堆載因素進行研究,明確了在眾多堆載因素共同作用下,新建路基引起鄰近高鐵路基變形的主要因素。

1 堆載作用下既有高鐵路基變形數(shù)值計算

1.1 計算模型建立

(1)基本假定:①土體中孔隙水的流動符合達西定律;②土體完全飽和,滲透系數(shù)不隨時間變化;③不考慮新建路基逐級填筑模擬過程中地下水位的變化;④非線性地基視為層狀地基,各土層土體均勻,土層之間的位移完全耦合。

(2)計算區(qū)域確定:考慮土質條件和影響范圍的對稱性,以新建路基中心為對稱軸,取地基土的一半進行數(shù)值計算分析。既有路基模型參數(shù)按照現(xiàn)場監(jiān)測范圍內甬臺溫高鐵斷面參數(shù)取值。

(3)土層參數(shù):由現(xiàn)場監(jiān)測結果可知,新建樂清灣鐵路路基填筑施工期間,地基土的變形主要集中在淤泥層。數(shù)值模擬過程中,軟土層參數(shù)基于現(xiàn)場實測反分析所得,其余土層參數(shù)采用現(xiàn)場實勘值。各土層參數(shù)取值如表1所示。

表1 數(shù)值計算土層參數(shù)匯總

(4)邊界條件:邊界條件包括位移邊界和孔壓邊界。數(shù)值模型位移邊界為模型左右邊界約束橫向位移,底部邊界約束橫、豎向位移,頂部邊界為自由邊界。同時,由于涉及固結過程,模型的孔壓邊界條件為左右邊界,底部邊界為不透水邊界、頂部邊界為透水邊界且模型頂部孔壓為零。

1.2 數(shù)值計算可靠性分析

對現(xiàn)場實測工況進行數(shù)值模擬計算,此時相應測點處地基土沉降量數(shù)值計算結果與現(xiàn)場實測結果對比如圖1所示,相應測點處地基土水平位移數(shù)值計算結果與現(xiàn)場實測結果對比如圖2所示,相應測點處新舊路基間地表水平位移數(shù)值計算結果與現(xiàn)場實測結果對比如圖3所示。由圖1～圖3可知,鄰近地層水平位移豎向先增大后減小,最大值發(fā)生在軟弱地層中;地表及軟土層底部水平位移約為最大位移的55%、20%;鄰近地層土體水平位移橫向呈指數(shù)關系遞減,新建路基坡腳外7,12,17 m處地表水平位移約為新建路基坡腳外2 m處水平位移的34%、17%、5%。數(shù)值模擬結果與現(xiàn)場實測結果吻合度高,能夠準確地反映實際施工現(xiàn)場工程變形問題。

圖1 新建路基地基中心沉降曲線

圖2 鄰近地層沿深度方向水平位移曲線

圖3 新舊路基間地表水平位移曲線

1.3 數(shù)值計算

以軟土厚度、堆載高度、新舊鐵路路基坡腳距離(堆載距離)、地基處理強度以及堆載速度作為引起鄰近高鐵路基變形的影響因素進行分析。最終,數(shù)值計算中各因素及其取值如表2所示。

表2 各因素水平取值

其中,地基處理強度按軟土地區(qū)常見的地基處理方式,如水泥攪拌樁、鉆孔灌注樁、高壓旋噴樁處理強度取值,復合地基模量約為20Es、30Es及40Es,Es為軟土層壓縮模量,數(shù)值模擬過程中地基處理深度與軟土層厚度一致。路基填筑速度按實際施工過程中每天填筑1層、2層及3層考慮,即每天填筑0.2,0.4 m及0.6 m。

擬采用正交原理對引起鄰近高鐵路基變形的各堆載因素進行辨識,為5因素3水平正交問題,選用L18(37)正交表[15-20],最終確定的各數(shù)值模擬計算工況如表3所示。

表3 數(shù)值計算工況

1.4 數(shù)值計算結果

建立與表3各工況對應的數(shù)值模型進行計算分析,獲得各影響因素不同水平搭配下既有高速鐵路路基變形。選取工況1、工況2、工況3新建路基堆載作用下鄰近地層位移變化分別如圖4～圖6所示。

圖4 工況1堆載作用下鄰近地層位移場(單位:mm)

圖5 工況2堆載作用下鄰近地層位移場(單位:mm)

圖6 工況3堆載作用下鄰近地層位移場(單位:mm)

地基固結450 d后各計算工況下,新建路基地基中心沉降及新舊路基之間土層地表水平位移分別如圖7、圖8所示。由圖4～圖8可以看出,不同堆載工況下新建路基地基中心沉降變形及新舊路基間地基土地表水平位移變化規(guī)律基本一致。填筑施工期內,地基中心沉降顯著增大,施工完成后,隨著地基固結時間增加,新建路基地基中心沉降趨于穩(wěn)定。同時,隨著距新建路基坡腳水平距離增大,鄰近地層地表水平位移逐漸減小。

圖7 各計算工況下新建路基地基中心沉降曲線

圖8 各計算工況下新舊路基間地表水平位移曲線

2 堆載因素分析

2.1 堆載作用下既有路基變形

堆載作用下,各計算工況既有高速鐵路路基坡腳水平位移、路基中心豎向位移及水平位移如表4所示。

表4 各計算工況下既有路基變形

2.2 極差分析

以既有高速鐵路路基坡腳水平位移、路基中心豎向位移及路基中心水平位移為考察指標,以堆載對鄰近高鐵路基變形影響最小為評價標準,即既有路基坡腳水平位移、路基中心豎向位移及路基中心水平位移均越小越好。根據實際工程經驗,各評價指標同等重要即指標的權重分相等。采用綜合評分法進行正交分析計算。

通過試驗指標的直觀分析可得:各影響因素的極差R分別為0.21、0.30、0.42、0.18、0.13,即堆載距離和堆載高度為新建路基堆載作用下鄰近鐵路路基變形的主要因素;其次為軟弱土層的厚度和地基處理強度;路基填筑速度對既有路基坡腳水平位移和路基中心位移的影響較小。

2.3 顯著性檢驗

極差分析不能將試驗中由于試驗條件改變引起的數(shù)據波動同試驗誤差引起的數(shù)據波動區(qū)分開來,也就是說,不能區(qū)分因素各水平間對應的試驗結果的差異究竟是由于因素水平不同引起的,還是由于試驗誤差引起的,無法估計試驗誤差的大小。此外,各因素對試驗結果的影響大小無法給以精確的數(shù)量估計,不能提出一個標準來判斷所考察因素作用是否顯著。為彌補極差分析的缺陷,對計算結果進行方差分析,如表5所示。

表5 既有路基變形影響因素方差分析

查檢驗臨界值表得F0.05(2,7)=4.74,F0.01(2,7)=9.55。對于給定顯著性水平α=0.05,由于FC>FB>FA>F0.01(2,7)>FD>F0.05(2,7)=4.74,則可判斷出堆載距離和堆載高度對鄰近高鐵路基變形影響顯著;軟弱土層厚度和地基處理強度對鄰近高鐵路基變形影響較顯著。FE

從表5中F值也可以看出,影響因素的主次順序為堆載距離、堆載高度、軟弱土層厚度、地基處理強度、新建路基填筑速度,與極差分析結果一致。為更加直觀地看出各影響因素對既有路基坡腳水平位移、既有路基中心豎向及水平位移的影響趨勢及影響程度,根據極差分析結果分別繪制圖9～圖11。

圖9 既有路基坡腳水平位移隨各影響因素變化

圖10 既有路基中心豎向位移隨各影響因素變化

圖11 既有路基中心水平位移隨各影響因素變化

由圖9～圖11中分析各變形指標隨各影響因素變化可以得出:既有鐵路路基各變形指標隨堆載距離、地基處理強度的增大而減小;隨路基填筑高度、軟土厚度及路基填筑速度的增大而增大。其中,堆載距離及路基填筑高度引起既有鐵路路基相應位置位移變化幅度最大,影響最為顯著。堆載速度雖然對既有高鐵路基最終變形量影響不顯著,但對路基填筑期內地基變形速率影響顯著,對新建路基填筑施工期內地基穩(wěn)定性至關重要。

實際工程中,在明確各因素顯著性的基礎上須對各影響因素進行先主后次的合理控制,以減小新建路基對鄰近高鐵路基變形的影響。針對前文分析的各影響因素,新建路基堆載作用下,對鄰近高鐵路基變形控制主要從兩方面出發(fā):堆載控制(堆載距離、堆載高度)及施工控制(地基處理強度、路基填筑速度)。

3 結論與建議

3.1 結論

依托鄰近甬臺溫高速鐵路的新建樂清灣鐵路路基工程,建立數(shù)值模型計算得到了新建路基堆載作用下,新建鐵路地基及既有高鐵路基各部位變形量,利用現(xiàn)場實測驗證其正確性后,對引起鄰近高鐵路基變形的影響因素進行分析,主要結論如下。

(1)新建路基堆載作用下鄰近地層水平位移豎向先增大后減小,最大值發(fā)生在軟弱地層中。地表及軟土層底部土體水平位移約為最大位移的55%、20%。鄰近地層水平位移橫向呈指數(shù)關系遞減。

(2)影響既有高鐵路基各變形指標的堆載因素主次順序為堆載距離、堆載高度、軟弱土層厚度、地基處理強度、堆載速度;其中,堆載距離、堆載高度影響最顯著;堆載速度對地基最終變形量影響有限,對施工期內地基土的變形速率影響顯著。

(3)新建路基填筑速度越小,填筑期內地基沉降量占地基變形穩(wěn)定時沉降量的百分比越大,路基填筑完成后地基沉降變形越小。

(4)通過堆載控制(堆載距離、堆載高度)及施工控制(地基處理強度、路基填筑速度)可減小堆載對鄰近高鐵路基變形的影響。

3.2 建議

提出了影響既有高鐵路基各變形的堆載因素主次順序,須對各影響因素進行先主后次的合理控制以減小新建路基填筑施工影響。同時,可分別對各顯著影響因素做回歸分析,得到各影響因素與相應變形控制指標之間的回歸方程,建立的堆載因素與各變形控制指標預測模型,可有效估算出新建路基堆載作用下,鄰近地層及既有高鐵路基各部位變形量。同時,根據相應變形量的規(guī)范值可估算出實際工程各堆載因素的控制值。