王偉志 劉 青 楊煒林 敖江忠 徐永福

（1.上海鐵路樞紐工程建設指揮部，上海 200003；2.蕭甬鐵路有限責任公司，浙江 寧波 315000；3.上海交通大學土木工程系，上海 200240）

0 引言

新建上海至杭州客運專線上海南聯(lián)絡線工程線路長度7.99km。由于線路施工場地狹小，沿線軟土含水率大、強度小、結構性強，遂采用水泥攪拌樁進行軟土地基處理。受施工影響，軟土地基很容易產(chǎn)生災變，會對既有線路造成不利影響[1-2]。盡管針對水泥攪拌樁處理軟土地基的施工做了非常嚴格的規(guī)定，但潛在的施工對既有線路的危害還是需要高度重視[3-4]。因此，準確評價軟土地基中水泥攪拌樁施工的影響，尤其是對既有線路的影響，對確保地基處理施工安全和既有鐵路正常運營至關重要[5-6]。

深層水泥土攪拌樁經(jīng)常被用于軟土路基的處理[7-8]，水泥土攪拌樁施工會對樁周土產(chǎn)生擾動，引起土體強度減小、地基承載力降低[9]。武孝天等[10]通過現(xiàn)場監(jiān)測攪拌樁施工引起的超孔隙水壓力、土壓力和水平位移，揭示攪拌樁施工影響機理，提出定量表示攪拌樁施工影響的方法。Chai 等[11]基于圓柱孔擴張理論，提出了攪拌樁施工引起鄰近土體側向位移的計算方法，僅適用于單樁施工情況，對于多樁施工的計算誤差較大。鄧永峰等[12]根據(jù)水泥攪拌樁施工的現(xiàn)場測試結果，評價了水泥攪拌樁施工帶來的影響。

為了保護既有鐵路安全運營，需要不斷探索如何控制水泥土攪拌樁施工的影響。魏海濤和蔡智[13]探討了水泥攪拌樁和回填土兩種施工順序的處理效果，采用“先土后樁”順序的施工期沉降大于“先樁后土”，但工后沉降大大減小。石舒[14]針對地鐵下穿高鐵高架橋的旋噴樁工程，發(fā)現(xiàn)控制施工速度能減小對樁基的影響。卞榮等[15]采用數(shù)值方法對預制樁靜壓施工的影響范圍進行分區(qū)，樁長小于2 倍隧道外徑Dt時，強影響區(qū)域范圍為max(1.5Dt,4.5Dp)，弱影響區(qū)域范圍為max(4Dt,8Dp)；樁長介于2～6Dt時，強影響區(qū)域范圍為max(Dt,3Dp)，弱影響區(qū)域范圍為max(3Dt,6Dp)。盡管對地基處理的施工影響做了很多探索性研究，至今仍處于半經(jīng)驗狀態(tài)。鑒于此，采用ABAQUS有限元方法，針對降低水泥攪拌樁施工對既有線路影響的措施，建立計算模型，分析常用的控制措施對水泥攪拌樁施工影響的控制效果，避免影響既有鐵路的正常運營。

1 軟土地基中水泥攪拌樁施工影響分析

水泥攪拌樁施工時會擠壓樁周土，導致初始應力狀態(tài)發(fā)生變化，產(chǎn)生側向應力和位移，引起超孔隙水壓力。如圖1所示，水泥攪拌樁施工形成的影響分為6個區(qū)，依次為①樁下擾動區(qū)、②涂抹區(qū)（就是破壞區(qū)）、③擾動區(qū)（攪拌樁的塑性區(qū)）、④變形區(qū)、⑤地表隆起區(qū)和⑥近樁沉陷區(qū)。因此，水泥攪拌樁施工對土體的影響歸結為以下三方面：

圖1 樁周土體位移分布

（1）產(chǎn)生側向應力，水泥攪拌樁施工過程中，擠壓樁周土體，土中產(chǎn)生側向應力，這種現(xiàn)象可以用柱孔擴張理論解釋；

（2）土體發(fā)生位移，水泥攪拌樁施工的擠壓作用導致土體產(chǎn)生水平位移和垂直隆起；

（3）產(chǎn)生超孔隙水壓力，在飽和軟粘土中，攪拌樁施工的振動和擠壓在土體中產(chǎn)生超孔隙水壓力，當超孔隙水壓力達到一定數(shù)值時，環(huán)向的有效應力會出現(xiàn)負值，與之垂直的方向上會出現(xiàn)裂縫，類似于“水壓致裂”現(xiàn)象。

水泥攪拌樁施工對樁周土體的影響可以用柱孔擴張模型模擬[16-17]，如圖2所示，模擬為在無限長空間中一個圓柱形孔的平面應變軸對稱擴張模型。假定土體為飽和，擴孔速率遠大于固結速率，柱孔擴張過程中土體不排水。一旦開始擴孔的應變加載，孔周土體屈服，因此塑性區(qū)延伸至無限遠處。初始半徑為R0，擴張后半徑擴至R處，此時擴孔壓力為σR?？字芡馏w單元的徑向應力表示為σr，切向應力表示為σθ；無窮遠處土體的應力狀態(tài)為原位應力狀態(tài)，水平方向徑向和切向應力大小均為σh0，豎直方向應力大小為σv0。

圖2 柱孔擴張的計算模型

徐永福和傅德明基于柱孔擴張理論，導出了塑性區(qū)和彈性區(qū)的應力、位移和超孔隙水壓力公式。達到塑性區(qū)的最小擴孔壓力為：

式中：

c和φ——土體的粘聚力和內(nèi)摩擦角；

K0——靜止土壓力系數(shù)；

γ——土的容重；

z——深度。

塑性區(qū)（R＜r＜RP）內(nèi)土體的應力、徑向位移和超孔隙水壓力分別表示為：

式中：

Af——孔隙水壓力系數(shù)；

RP——塑性區(qū)半徑，表示為：

根據(jù)式（2）計算水泥攪拌樁施工引起樁周土中的應力、位移和超孔隙水壓力沿徑向分布，如圖3所示。從圖3中看出，水泥攪拌樁施工對樁周土體的影響分為3個區(qū)域：（1）破壞區(qū)，緊靠水泥攪拌樁；（2）塑性區(qū)，大約在10R范圍內(nèi)；（3）彈性區(qū)，塑性區(qū)以外一定范圍內(nèi)。彈性區(qū)的土體不受水泥攪拌樁施工影響，水泥攪拌樁施工對破壞區(qū)和塑性區(qū)土體影響明顯，需要進行控制，避免破壞區(qū)進一步擴大，危機既有鐵路安全。

圖3 水泥攪拌樁施工影響分區(qū)

2 水泥攪拌樁施工影響的控制措施及效果分析

控制水泥攪拌樁施工影響的工程措施可以從減小應力、位移和超孔隙水壓力三個方面提出。增加樁間距降低應力和位移的疊加效果，控制施工影響；設置隔離槽，隔斷應力和位移疊加；降低施工速度，減小施工擾動，降低超孔隙水壓力。

通過建立水泥攪拌樁施工控制措施的計算模型，分析水泥攪拌樁施工控制措施對施工影響的控制效果，驗證水泥攪拌樁施工控制措施的可靠性。

2.1 數(shù)值計算模型

水泥攪拌樁施工影響的計算模型基于以下假設建立：（1）軸對稱問題；（2）均質土；（3）總應力法；（4）土體采用Mohr-Coulomb模型，考慮大變形和材料非線性；（5）考慮初始應力場影響。圖4為計算模型示意圖和網(wǎng)格劃分圖。為了提高計算精度，在擴孔區(qū)域對網(wǎng)格進行了加密處理。攪拌樁半徑為0.25m，樁長為15m，土體水平和豎向計算區(qū)域分別為10m和20m。土體上表面為自由邊界，下表面豎向固定，左側和右側水平固定，擴孔通過改變左側位移邊界條件實現(xiàn)，計算參數(shù)列于表1。

表1 計算參數(shù)

圖4 攪拌樁施工影響的計算模型與網(wǎng)格劃分圖

2.2 不同措施應用效果分析

2.2.1 增加樁間距及其效果分析

水泥攪拌樁樁間距對攪拌樁施工產(chǎn)生的徑向應力和豎向應力的影響如圖5所示。與單根攪拌樁相比，兩個攪拌樁施工引起的徑向應力和豎向應力很大，特別是在遠距離的地方（r＞1m）。隨著攪拌樁樁間距（L）增大攪拌樁施工引起的徑向應力和豎向應力快速減小。因此，適當增加攪拌樁樁間距，能有效地減小攪拌樁施工引起的徑向應力和豎向應力，降低攪拌樁施形成的影響。

圖5 樁間距對應力的影響

水泥攪拌樁樁間距對攪拌樁施工產(chǎn)生的徑向位移（水平位移）和豎向位移（沉降）的影響如圖6所示。兩個攪拌樁施工遠大于單根攪拌樁施工引起的徑向位移和豎向位移。隨著攪拌樁樁間距（L）增大攪拌樁施工引起的徑向位移和豎向位移顯著減小。另外，水泥攪拌樁樁間距對沉降影響更加明顯。隨著攪拌樁樁間距增加，攪拌樁施工影響的疊加效應降低，導致攪拌樁施工的應力和位移減小。

圖6 樁間距對位移的影響

2.2.2 設置隔離槽及其效果分析

設置隔離槽，研究其對攪拌樁施工影響的控制效果。在圖7中，水泥攪拌樁的長度為15m，隔離槽距樁中心線距離為3m，隔離槽的深度和寬度分別為4m和1m。

圖7 隔離槽的示意圖

隔離槽前1m和隔離槽后1m處的攪拌樁施工引起的徑向位移如圖8所示。隔離槽后面，攪拌樁施工引起的土體徑向位移明顯減小，隨著隔離槽深度增加，徑向位移減小幅度增加。隔離槽前，攪拌樁施工引起的徑向位移略有增加，隨著隔離槽深度增加，攪拌樁施工引起的徑向位移增加幅度加大。隔離槽隔斷了攪拌樁施工引起的能量傳播，導致隔離槽深度范圍內(nèi)攪拌樁施工能量全部由隔離槽前土體承擔，導致隔離槽前土體的徑向位移增加。

圖8 隔離槽對土體徑向位移的影響

2.2.3 降低施工速度及其效果分析

不同施工速度的水泥攪拌樁施工引起的超孔隙水壓力如圖9 所示。圖9a 是深度為5m 處的超孔隙水壓力，圖9b是深度為10m處的超孔隙水壓力。在5R范圍內(nèi)，隨著攪拌樁施工時間增加（由20min增加到60min），即攪拌樁施工速度減小，超孔隙水壓力減小。水泥攪拌樁施工對超孔隙水壓力的影響范圍大約為8～10R。因此，降低攪拌樁的施工速度，減小了攪拌樁施工振動，導致土體中的超孔隙水壓力減小。

圖9 施工速度對超孔隙水壓力的影響

水泥攪拌樁施工速度對土體徑向位移和豎向位移的影響如圖10所示。攪拌樁施工速度對土體的徑向位移影響小，對土體的豎向位移影響大。由于攪拌樁施工引起土體產(chǎn)生超孔隙水壓力，超孔隙水壓力消散產(chǎn)生沉降（豎向位移），因此攪拌樁施工速度對豎向位移影響大。

圖10 施工速度對土體位移的影響

3 結束語

本文分析了軟土地基中水泥攪拌樁施工對既有線路的影響，并通過建立水泥攪拌樁施工過程的數(shù)值計算模型，分析了3種水泥攪拌樁施工控制措施的控制效果，得到以下結論：

（1）水泥攪拌樁施工對土體的影響表現(xiàn)為擠壓作用，在樁周土體中產(chǎn)生側向應力、位移和超孔隙水壓力，出現(xiàn)“水壓致裂”現(xiàn)象。

（2）采用柱孔擴張理論模擬水泥攪拌樁施工，分析攪拌樁的施工影響，將樁周土體分為破壞區(qū)、塑性區(qū)和彈性區(qū)。破壞區(qū)為3～4R，塑性區(qū)在10R以內(nèi)。

（3）適當增加攪拌樁樁間距，能有效地減小攪拌樁施工引起的徑向應力和豎向應力，降低攪拌樁施工影響。

（4）設置隔離槽可以隔斷攪拌樁施工影響的傳輸通道，有利于減小攪拌樁施工引起的徑向位移。

（5）降低攪拌樁的施工速度，減小了攪拌樁施工振動，減了小樁周土體中的超孔隙水壓力和豎向位移，對徑向位移影響很小。