高速鐵路CFG樁網(wǎng)復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)分析

王 漾,周 萌,宮全美,王炳龍

（同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 201804）

隨著我國高速鐵路的飛速發(fā)展,高速鐵路的高平順性等要求對鐵路地基的變形要求越來越嚴(yán)格,但我國擬建和在建的線路在許多地區(qū)都必須穿越軟土地基,由于工程性質(zhì)較差,天然軟土地基往往不能滿足高速鐵路建設(shè)的要求,必須對地基進(jìn)行處理。地基處理的方法很多,CFG樁復(fù)合地基因其費(fèi)用低、施工方便、承載力高和適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛的推廣和應(yīng)用。

國內(nèi)學(xué)者針對CFG樁復(fù)合地基做了大量的研究。閻明禮等[1]研究了復(fù)合地基的承載和變形特性、設(shè)計(jì)計(jì)算方法、施工工藝和施工質(zhì)量控制。謝志英等[2-4]從墊層厚度、墊層模量、樁土模量比與沉降的關(guān)系分析了復(fù)合地基的沉降規(guī)律。李少和等[5]探討了墊層厚度和模量對樁土應(yīng)力比、樁側(cè)摩阻力、沉降變形、承載力的影響,并得出一些規(guī)律。元翔等[6]將軌道列車荷載簡化為換算土柱分析了不同地基處理方案如水泥土、樁帽網(wǎng)、和樁板方案對沉降規(guī)律和樁土應(yīng)力比的影響.楊龍才等[7]研究了低路堤CFG樁不同墊層結(jié)構(gòu)形式的動(dòng)力響應(yīng)。國內(nèi)外學(xué)者對CFG樁復(fù)合地基性狀雖有了一定的研究,但由于其受力、變形機(jī)理的復(fù)雜性,尚無形成一套較合適的設(shè)計(jì)理論。因此CFG樁設(shè)計(jì)參數(shù)研究還有待于進(jìn)一步的深入,以在保證列車長期運(yùn)營安全的基礎(chǔ)上,控制工程造價(jià)。

本文針對京滬高速鐵路軟土地區(qū)徐滬段的CFG樁復(fù)合地基,以動(dòng)力有限元數(shù)值模擬為主要研究手段,就有無樁帽、不同樁長、不同樁間距下的CFG樁復(fù)合地基的動(dòng)應(yīng)力、動(dòng)位移等沿地基面的變化和樁土分擔(dān)比的變化進(jìn)行研究,以期為高速鐵路CFG樁復(fù)合地基的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 計(jì)算斷面及計(jì)算方案

京滬線徐滬段地層巖性如下:①黏土,硬塑,σ0=180 kPa;①1淤泥質(zhì)黏土,流塑,σ0=80 kPa;①2黏土,軟塑,σ0=120 kPa;②1 角閃巖,全風(fēng)化,σ0=250 kPa;②2 角閃巖 ,強(qiáng)風(fēng)化 ,節(jié)理裂隙發(fā)育,巖體破碎,σ0=500 kPa;②3角閃巖,弱風(fēng)化,節(jié)理裂隙發(fā)育,巖體破碎,σ0=800 kPa。

計(jì)算斷面取自京滬線徐滬段DK849+570.000,見圖1。線路為板式軌道,地基處理方式為樁網(wǎng)結(jié)構(gòu),路基高度4.15 m,其中基床表層0.4 m,碎石墊層厚0.6 m,墊層內(nèi)鋪設(shè)一層土工格柵。樁為端承樁,樁徑0.5 m,樁間距1.8 m,持力層為強(qiáng)風(fēng)化角閃巖。地層分布從上而下依次為①黏土（6 m）,和②2強(qiáng)風(fēng)化角閃巖。

圖1 DK849+570橫斷面設(shè)計(jì)圖

為了比較不同墊層形式、不同樁間距、不同樁長等對地基動(dòng)力特性的影響,根據(jù)DK849+570.000的設(shè)計(jì)參數(shù)組合了8種計(jì)算方案,見表1。8種計(jì)算方案中樁徑均為0.5m,樁帽直徑為1 m,樁帽厚度為0.4 m。

表1 不同計(jì)算方案

2 計(jì)算理論及計(jì)算參數(shù)

式中:Esp—樁墻的彈性模量;Ep—樁體彈性模量;Es—土體彈性模量;l—樁間距;D—直徑。

2.1 模型及邊界條件

因路基橫斷面沿路基中心是對稱的,有限元模型按半斷面建立。地基土的計(jì)算寬度為半路基底部寬度的3倍,深度為最大樁長的2倍。

地基土體、路基填土、墊層和結(jié)構(gòu)（如樁、樁帽、鋼筋混凝土板）本構(gòu)模型為理想彈性模型,均采用4節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元進(jìn)行模擬。

模型上表面為自由邊界,左右兩側(cè)水平位移約束,底部為全約束。動(dòng)荷載以點(diǎn)激振的形式施加在軌道板上兩股鋼軌位置處。

2.2 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)勘察資料及相關(guān)經(jīng)驗(yàn),確定該斷面的動(dòng)力計(jì)算參數(shù)見表2。此外,將土工格柵視為彈性模量提高

采用ADINA有限元計(jì)算軟件,按平面應(yīng)變問題考慮。在平面應(yīng)變計(jì)算中,將樁簡化成樁墻,同時(shí)對樁墻模量按（1）式進(jìn)行折減。為臨近碎石墊層的1.4倍彈性模量的均質(zhì)實(shí)體單元,并改變泊松比以模擬土工格柵對側(cè)向變形的影響[5]。

表2 動(dòng)力計(jì)算參數(shù)

2.3 列車荷載

根據(jù)CRH3型動(dòng)車軸重15 t,速度300 km?h-1,沖擊系數(shù)1.2,構(gòu)造列車輪軌沖擊荷載,以移動(dòng)荷載的形式施加在板式軌道模型[8]鋼軌上（如圖2）。軌下膠墊靜剛度值取60 MN?m-1,垂向阻尼系數(shù)取75 kN?s?m-1。道床剛度取120 MN?m-1,阻尼取60 kN?s?m-1。計(jì)算得扣件支點(diǎn)力,如圖3所示。

圖2 板式軌道模型

圖3 扣件支點(diǎn)力

3 計(jì)算結(jié)果與分析

8種方案計(jì)算結(jié)果見表3,比較有無樁帽、不同樁長、不同樁間距下的地基面沉降和應(yīng)力變化,得到不同設(shè)計(jì)參數(shù)下的CFG樁復(fù)合地基的動(dòng)應(yīng)力、動(dòng)位移等沿地基面的變化和樁土分擔(dān)比的變化規(guī)律。

表3 不同方案計(jì)算結(jié)果

3.1 有無樁帽比較

針對方案2,4,對樁徑為0.5 m,樁間距1.8 m,樁長6.5 m的有樁帽和無樁帽的樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析。

圖4為有無樁帽地基面的動(dòng)位移沿地基寬度的分布,可以看出不同墊層結(jié)構(gòu)的地基面動(dòng)位移有明顯的差別。地基面樁的動(dòng)位移小于樁間土的。最大動(dòng)位移在地基中心處,無樁帽的樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)地基面動(dòng)位移較大,較有樁帽的樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)大7.8%。

圖5為有無樁帽地基面動(dòng)應(yīng)力的分布,可以看出有無樁帽對地基面的動(dòng)應(yīng)力有明顯影響。樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)有樁帽下的地基面動(dòng)應(yīng)力較小,樁網(wǎng)無樁帽結(jié)構(gòu)下的地基動(dòng)應(yīng)力較大,這是由于無樁帽樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)在地基面上樁的表面積較有樁帽樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)小,因此易承擔(dān)更大的應(yīng)力。樁網(wǎng)無樁帽的地基面樁土承擔(dān)的動(dòng)應(yīng)力比較有樁帽大。樁土動(dòng)應(yīng)力比越大,地基面樁、樁間土處的動(dòng)位移越大。

圖4 有無樁帽最大豎向動(dòng)位移地基分布

圖5 有無樁帽最大豎向動(dòng)應(yīng)力地基分布

3.2 不同樁長比較

針對方案1,4,7,8,對樁徑為0.5 m,樁間距1.8 m,樁長分別為5,6.5,8.5,11 m,持力層都是②2強(qiáng)風(fēng)化角閃巖的有樁帽的樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析。

圖6為不同樁長最大豎向動(dòng)位移沿地基面的分布,可以看出樁間土和樁的差異沉降。如圖7所示,樁長為6.5 m地基面最大動(dòng)位移較樁長5 m減小了10.4%;樁長為8.5 m最大動(dòng)位移較樁長5 m減小了19.6%,樁長為11 m最大動(dòng)位移較樁長5m減小了25.9%。

圖8為不同樁長最大豎向動(dòng)應(yīng)力地基分布,在持力層相同的情況下,不同樁長在地基面的動(dòng)應(yīng)力沒有明顯變化,最大動(dòng)應(yīng)力在14 kPa左右。

樁長5,6.5,8.5,11m的地基面樁土承擔(dān)的應(yīng)力比依次減小,地基面樁、樁間土處的動(dòng)位移越小。

圖6 不同樁長最大豎向動(dòng)位移地基分布

圖7 不同樁長最大動(dòng)位移值

3.3 不同樁間距比較

針對方案3,4,5,6,對樁徑0.5 m,樁長6.5 m,樁間距分別為1.5,1.8,2,2.5m的有樁帽的樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析。

圖9為不同樁間距最大豎向動(dòng)位移沿地基面的分布,樁間距對地基面的動(dòng)位移影響較大,隨著樁間距的增大,最大動(dòng)位移呈線性增大,最大動(dòng)位移皆出現(xiàn)在路基線路中心處。如圖 10所示,樁間距為1.8 m地基面最大動(dòng)位移較樁間距1.5 m增加了8.0%;樁間距為2 m地基面最大動(dòng)位移較樁間距1.5 m增加了12.4%.;樁間距為2.5 m地基面最大動(dòng)位移較樁間距1.5 m增加了23.4%。

圖8 不同樁長最大豎向動(dòng)應(yīng)力地基分布

圖10為不同樁間距下地基面動(dòng)應(yīng)力的分布,可以看出樁間距對動(dòng)應(yīng)力有明顯影響。樁間距越大,在相同地基面范圍內(nèi),樁的表面積越小,因此承擔(dān)越大的動(dòng)應(yīng)力。如圖12所示,樁間距為1.8 m最大動(dòng)應(yīng)力較樁間距1.5 m增加了15.1%;樁間距為2 m最大動(dòng)應(yīng)力較樁間距1.5 m增加了20.5%;樁間距為2.5 m最大動(dòng)位移較樁間距1.5 m增加了38.5%。

樁間距1.5,1.8,2,2.5 m的地基面樁土承擔(dān)的應(yīng)力比依次增加,地基面樁、樁間土的動(dòng)位移增大。

圖9 不同樁間距最大豎向動(dòng)位移地基分布

圖10 不同樁間距最大豎向動(dòng)位移值

圖11 不同樁間距最大豎向動(dòng)應(yīng)力地基分布

圖12 不同樁間距最大動(dòng)應(yīng)力值

4 結(jié)論

在本文計(jì)算條件的前提下,可得到以下結(jié)論:

（1）地基面動(dòng)應(yīng)力受有無樁帽的影響較大。樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)有樁帽的最大動(dòng)應(yīng)力小于無樁帽的。地基面樁土承擔(dān)比分別為5,7.6。地基面最大動(dòng)位移無樁帽的較有樁帽的樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)大7.8%。

（2）在樁持力層都為強(qiáng)風(fēng)化角閃巖時(shí),樁長對地基面的動(dòng)應(yīng)力影響不大,對地基的動(dòng)位移影響較明顯,樁長增加30%,70%,120%時(shí),地基面最大動(dòng)位移分別減小10.4%,19.6%,25.9%。

（3）樁間距對地基面的動(dòng)應(yīng)力有影響,樁間距越大樁承擔(dān)的動(dòng)應(yīng)力越大;樁間距對動(dòng)位移影響較大,樁間距增加0.8,2,2.5 D時(shí),地基面最大動(dòng)位移分別增加8.0%,12.4%,23.4%。

（4）地基面的動(dòng)應(yīng)力約15～20 kPa左右,樁的持力層為強(qiáng)風(fēng)化角閃巖,地質(zhì)情況較好,土體變形處于彈性階段。在這種情況下,有無樁帽、不同樁長、不同樁間距下樁土分擔(dān)比與地基面的位移呈正比關(guān)系。樁土應(yīng)力比越大,地基面樁以及樁間土處的動(dòng)位移越大。

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