鐵路客運(yùn)專線CFG樁復(fù)合地基路基穩(wěn)定性分析

黃大春

1 工程概述

水泥粉煤灰碎石樁(CFG)是在素混凝土樁工藝上發(fā)展起來的新型樁體,樁體的材料主要由碎石、砂、粉煤灰與適量水泥和水拌制而成。樁體與樁間土體共同作用,組成CFG樁復(fù)合地基[1]。由于該樁體具有施工簡(jiǎn)單、加固效果好、節(jié)省材料等優(yōu)點(diǎn),被廣泛的應(yīng)用在已經(jīng)通車運(yùn)營(yíng)的京津城際鐵路、武廣客運(yùn)專線和正在建設(shè)中的京滬高速鐵路、津秦鐵路客運(yùn)專線等工程的路基基地處理中。根據(jù)我國《客運(yùn)專線無砟軌道鐵路設(shè)計(jì)指南》的規(guī)定,路基工后沉降一般不應(yīng)超過扣件允許的沉降調(diào)高量15 mm[2],我國現(xiàn)有的客運(yùn)專線和高速鐵路規(guī)范由于巖土材料性質(zhì)的復(fù)雜性和變異性,巖土工程邊界條件的不確定性及影響因素的眾多,到目前為止還沒有適合于復(fù)合地基設(shè)計(jì)和計(jì)算工后沉降的準(zhǔn)確方法。本文將通過數(shù)值分析技術(shù)分析這些因素對(duì)復(fù)合地基路基沉降影響的程度和規(guī)律。

2 CFG樁復(fù)合地基對(duì)路基穩(wěn)定性的作用機(jī)理

1)樁體作用。由于復(fù)合地基中樁體的剛度比周圍土體的剛度大,在剛性基礎(chǔ)下樁土豎向等量變形時(shí),地基中應(yīng)力按材料的模量進(jìn)行分配。因此,樁體上產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象,大部分荷載將由樁體承擔(dān),樁間土承擔(dān)的荷載減小,其應(yīng)力也相應(yīng)減小,這就使得復(fù)合地基承載力較原地基有所提高,沉降有所減少,隨著樁體剛度增加,其樁體作用更為明顯。2)墊層作用。樁與樁間土復(fù)合形成的復(fù)合地基,在加固深度范圍內(nèi)形成復(fù)合層,它可起到類似墊層的換土效應(yīng),均勻地基應(yīng)力和增大應(yīng)力擴(kuò)散角等作用,在樁體沒有貫穿整個(gè)軟弱土層的地基中,墊層的作用尤其明顯。3)加速固結(jié)作用。水泥土類和混凝土類樁在某種程度上也可加速地基固結(jié),因?yàn)榈鼗探Y(jié)不但與地基土的排水性能有關(guān),還與地基土的變形特性有關(guān),雖然水泥土類樁會(huì)降低地基土的滲透系數(shù),但它同樣會(huì)減小地基土的壓縮系數(shù),而且通常后者的減小幅度要較前者大。因此,使加固后水泥土的固結(jié)系數(shù)大于加固前原地基土的固結(jié)系數(shù),同樣可起到加速固結(jié)的作用,而且增大樁與樁間土模量對(duì)加速地基固結(jié)也是有利的。4)加筋作用。復(fù)合地基不但提高地基的承載力,而且可用來提高土體的抗剪強(qiáng)度,因而可提高土坡的抗滑能力。這種人工復(fù)合的土體可增加地基的穩(wěn)定性。

3 數(shù)值計(jì)算分析CFG樁復(fù)合地基路基穩(wěn)定性

3.1 樁長(zhǎng)對(duì)路基穩(wěn)定性的影響

3.1.1 樁長(zhǎng)對(duì)路基側(cè)向位移的影響

圖1是在保證其他基本工況不變,分別對(duì)樁長(zhǎng)為6 m,9 m,10 m,15 m的路基側(cè)向位移計(jì)算后所繪制的曲線變化圖。

從圖1中可以看出,側(cè)向位移最大值出現(xiàn)在距離路基中心線處6 m左右,隨著樁長(zhǎng)的增大,這一位置略靠近路基中心線處。隨著樁體長(zhǎng)度的增大,路基側(cè)向位移呈減小趨勢(shì)。

3.1.2 樁長(zhǎng)對(duì)路基沉降的影響

圖2是在保證其他基本工況不變,分別對(duì)樁長(zhǎng)為6 m,9 m,10 m,15 m的路基豎向位移計(jì)算后所繪制的曲線變化圖。

從圖2中可以看出,隨著樁體長(zhǎng)度的增大,路基豎向位移呈減小趨勢(shì),其擬合曲線為:

其中,S為路基豎向位移;l為樁體長(zhǎng)度;R2為擬合優(yōu)度,其值越大說明擬合效果越好,越接近真值。

3.2 樁間距對(duì)路基穩(wěn)定性的影響

3.2.1 樁間距對(duì)路基側(cè)向位移的影響

圖3是在保證其他基本工況不變,對(duì)樁長(zhǎng)為8 m,樁間距分別為1.2 m,1.6 m,2.0 m,2.4 m的路基側(cè)向位移計(jì)算后所繪制的曲線變化圖。

從圖3中可以看出,側(cè)向位移最大值出現(xiàn)在距離路基中心線處6 m左右。隨著樁間距的增大,路基側(cè)向位移呈增加趨勢(shì)。

3.2.2 樁間距對(duì)路基沉降的影響

圖4～圖6分別是在保證其他基本工況不變,對(duì)樁長(zhǎng)為8 m,樁間距分別為1.2 m,1.6 m,2.0 m,2.4 m的路基豎向位移計(jì)算后所繪制的路基頂面沉降曲線變化圖、樁頂頂面沉降曲線圖及樁間距與豎向沉降的關(guān)系圖。

從圖4～圖6中可以看出,隨著樁體間距的增大,路基頂面豎向位移呈增大趨勢(shì),其擬合關(guān)系式為:

其中,D為樁體間距;S為豎向沉降。

不同樁體間距時(shí)樁體都出現(xiàn)上刺入和下刺入現(xiàn)象,樁體間距越小,上下刺入現(xiàn)象越顯著,沉降量越大。

4 結(jié)語

1)隨著樁體長(zhǎng)度的增大,樁頂附加應(yīng)力略有增大趨勢(shì),而樁底處附加應(yīng)力增大較明顯,豎向位移呈線性減小趨勢(shì);沿橫斷面方向不同樁體隨著遠(yuǎn)離路基中心線距離的增大,樁頂應(yīng)力略呈減小趨勢(shì),側(cè)向位移在距路基中心線6 m處達(dá)到最大值。2)隨著樁體間距的增大,樁體附加應(yīng)力呈明顯增大趨勢(shì),而樁體附加應(yīng)力改變不明顯,平均樁土應(yīng)力比呈增大趨勢(shì);隨著樁體間距的減小,樁體的刺入現(xiàn)象變得比較顯著,豎向位移呈線性減小趨勢(shì)。

[1]杜永昌.高速與客運(yùn)專線鐵路施工工藝手冊(cè)[M].北京:科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社,2006.

[2]韓自力.新建時(shí)速300-350公里客運(yùn)專線設(shè)計(jì)暫行規(guī)定[M].北京:中國鐵道出版社,2008.

[3]張兆鋒,裴富穩(wěn).淺談CFG樁復(fù)合地基施工與組織[J].山西建筑,2009,35(10):73-74.