數值模擬試驗在客運專線路基工后沉降預測中的應用

摘 要：通過對鄭西客運專線ZXZQ01標段水泥土擠密樁加固處理濕陷性黃土地基工后沉降的數值模擬試驗，分析墊層模量、墊層厚度、樁長及樁體模量對路基工后沉降的影響，提出了一些參考數值，以期對今后同類工程項目提供一定的借鑒。

關鍵詞：水泥土擠密樁；濕陷性黃土地基；工后沉降預測

近年來對高速鐵路路基工后沉降控制的研究越來越受到人們的關注，路基的沉降觀測和預測在工程中有著十分重要的意義，解決軟基路堤沉降問題，是工程設計與施工的關鍵所在。在地基沉降計算方面，理論分析難于考慮路基在復雜工況下的實際受力特性，不易把握，實驗研究具有一定的可靠真實性，但可能會受資金、時間、試驗難度等條件的制約，實驗難于實現。數值模擬分析具有可重復性及經濟性的特點，與實驗研究相互補充，是研究結果可靠，成本降低，成為了一種有效而可靠的研究手段。

1 工程概況

鄭西客運專線ZXZQ01標段正線長42.278km，路基長17.408km，占線路全長的37.2%，大部分處于濕陷性黃土地區，采用水泥土擠密樁處理。樁徑0.4～0.5m，間距0.9～1.1m，樁長4～15m，按正三角形布置，樁頂鋪1.0m厚的三七灰土加筋墊層，筋材采用抗拉強度不小于80KN/m的土工格柵。基床底層及其以下路基本體采用5%石灰改良土填筑，基床表層以下及路橋過渡段采用5%石灰穩定級配碎石填筑。鄭西客運專線是我國濕陷性黃土地區修建的第一條高標準鐵路客運專線，設計對路基工后沉降有明確和嚴格的規定，必須對黃土地基的濕陷性變形量或壓縮變形量進行控制，合理確定濕陷性黃土地基的設計原則和處理措施，提出可靠的地基加固設計方案、方法、參數和檢驗指標，確保工后沉降滿足鋪軌和行車的要求。

2 水泥土擠密樁加固處理濕陷性黃土地基工后沉降數值模擬分析計算

本文借助有限元分析軟件ANSYS對水泥土擠密樁加固處理濕陷性黃土地基工后沉降進行數值模擬分析。

2.1 本構模型的選取

2.1.1 土的線彈性模型

線彈性模型為最基本的本構模型， 其本構關系符合廣義虎克定律， 模型只涉及兩個獨立參數： 彈性模量E和泊松比， 可以通過實驗或借助以往經驗選取， 目前在工程中廣泛使用。

2.1.2 土的彈塑性模型

對于巖土材料而言，目前應用最廣的彈塑性模型就是Drucker- Prager模型 （簡稱DP）。

則DP準則的屈服面不隨材料的屈服而改變，因此沒有強化準則， 其本構模型采用理想彈塑性，流動法則可以采用關聯流動法則或非關聯流動法則。該準則的屈服強度隨著側限壓力的增加而增加，考慮了由于屈服而引起的體積膨脹，但不考慮溫度變化的影響。采用DP理想彈塑性模型比線彈性模型更能模擬土體的彈塑性性質。

2.2 基本假定

2.2.1 各種材料為均質、連續的各向同性體。

2.2.2 樁體和路基表面的級配碎石（即路基表層）剛度較大，一般未達到屈服狀態，故按線彈性材料考慮，符合廣義胡克定律。

2.2.3 地基土視為彈塑性體。

2.3 有限元模型的建立

為使問題簡化處理，本文擬取15×20群樁復合地基進行分析討論。采用的有限元計算模型與鄭西客運專線實際工程的條件保持一致，基床表層采用A組填料填筑，路基采用5%石灰改良土填筑，本體和基床部分壓實系數分別要求達到0.92和0.95，樁孔直徑為500mm。計算參數位置和各材料的參數圖見表1。

為減少剖分單元，減少運算時間，按等面積替換的原則將樁截面形狀以正方形代替圓形。考慮到對稱性，取半結構進行計算。選取的計算區域為：選取右半幅路基，黃土地基豎向尺寸取30m，橫向分析程度取地基處理寬度以外20m，橫向20排樁，樁間距為0.607m；縱向長度取13.185m，縱向15排樁，樁間距為0.467m。左右側邊界（X向）采用X向約束支座，前后側邊界（Z向）采用Z向約束支座；下邊界（Y向）采用固定約束，即X向，Y和Z向都不發生位移；上邊界為自由邊界。荷載分5級進行加載，每級加載值分別為30KPa、60KPa、90KPa、120KPa和170KPa。

本文采用空間8結點等參單元，共剖分105720個單元，109800個結點（網格剖分示意圖見圖1）

2.4 計算結果分析

本文共計算4中工況，20組方案，各計算方案地基土的彈性模量保持不變，改變樁長，填筑高度，墊層厚度，剛度和樁體剛度值，實現樁體，基礎與地基土彈性模量的變化。由于該模型中擠密樁較多，故只取縱向第8排樁的第3根樁進行分析。

2.4.1 墊層模量對樁頂位移的影響

墊層剛度分別取10、30、50、80、100MPa進行計算，以探討墊層模量的改變對半剛性樁復合地基的影響規律。由圖2看出：隨著墊層模量的逐漸增加，樁頂位移越來越小，但是該位移變化曲線的斜率在10～50MPa之間的最大，在50～80MPa之間越來越小，大于80MPa時曲線的斜率趨于零。這就說明在此種工況時選擇50～80MPa的墊層剛度是比較合適的，而僅依靠繼續增加墊層模量來降低樁頂位移的方法是不可取的。

2.4.2 墊層厚度對沉降量的影響

墊層厚度分別取0（很小）m、0.5m、1.0m和1.65m進行計算分析。由圖3看出：當墊層厚度<1.0m時，樁體的沉降值隨著墊層厚度的增加迅速減小，在樁頂處墊層厚度由0m增至0.5m和由0.5m增至1.0m時，樁頂的沉降幅度分別為7.17mm/m、6.05mm/m；而由1.0m增至1.65m時的值僅為0.33mm/m。通過以上分析可知，在墊層厚度由1m增至1.65m的區間內，隨著墊層厚度的增加，樁體的沉降值越來越小，但是減小的幅度很不明顯，因此，在墊層厚度達到某一值（本文取1.0m）后，單純地依靠增加墊層厚度來降低沉降方法是不可取的。復合地基實際上存在一個最佳墊層厚度。墊層厚度設置的合理與否，直接影響到墊層對復合地基沉降值的變化。若設置的墊層厚度過大，那么就增加了墊層的壓縮量，從而增加了上部結構的沉降量，同時也要避免墊層設計過薄，以保證樁體向上相對刺入的深度和墊層的合理流動。

2.4.3 樁長對沉降量的影響

夯實水泥土樁復合地基承載力隨樁長徑比的增大而提高。樁長對承載力的影響表現為達到一定長度后，增加樁長對承載力的影響降低。由圖4看出：與剛性樁不同，水泥土擠密樁復合地基樁長與沉降的關系曲線較為平緩。隨著樁長的逐漸變大，樁體的沉降值逐漸減小，減小的幅度在樁長為8～14m之間較大，在14～16m之間幅度較小，甚至不變。這說明樁長達到某一長度后，增加樁長對工后沉降值的影響微乎其微了，即存在一臨界值樁長（約14m），這表明增加樁長不能顯著減小復合地基的沉降量。因此，在達到臨界樁長后，不能單純依靠增加樁長的辦法來降低復合地基的沉降量。對該模型的水泥土擠密樁，臨界樁長在12～14m較為理想。

2.4.4 樁體模量的影響

本文分析樁體模量對沉降變形的影響時，樁體模量分別取50、100、150、200MPa，則其對應的樁土模量比3.73、7.52、11.28和15.04。樁體模量與沉降之間的關系直接決定著復合地基的承載力，由圖5可以看出樁體模量影響復合地基的沉降規律：隨著樁體模量的增大，樁體的沉降量逐漸減小；但在樁體模量達到某一值（150MPa）時，再繼續增加樁體模量，樁體沉降值減小的幅度越來越不明顯，這說明在樁體模量為150MPa時，樁體發揮的作用最為理想。可見樁體模量有一個合適的范圍，對水泥土擠密樁來說，樁體模量的采用150～200MPa較為合適。

3 結束語

通過對鄭西客運專線ZXZQ01標段濕陷性黃土地基的數值模擬試驗分析，可以看出沉降量預測對路基工后沉降的有效控制具有重要的意義，并得出以下結論：

3.1 褥墊層的模量和厚度對水泥土擠密樁復合地基變形特性有重要影響。墊層模量及厚度在一合適范圍內越大，則調整樁土協調變形的能力越大；本文墊層模量50～80MPa之間選取比較合適，墊層的最佳厚度在1.0m左右。

3.2 增加樁長可以在一定程度上提高復合地基的承載力，降低沉降量，但當樁長增加到一定程度時，隨著樁長的增加，地基的承載力增加的效果很弱，采用合理的樁長即滿足上部荷載的需要，又達到經濟的目的，水泥土擠密樁復合地基有效樁長取12～14m之間。

3.3 在一定范圍內增加樁體的模量可以提高地基的承載力，降低沉降量，但當模量增加到一定程度時，隨著模量的增加，沉降減小的效果很微弱，因此一味地依靠增加樁體模量來降低復合地基的沉降是不可取的，建議水泥土擠密樁復合地基的樁體模量取值在150～200MPa之間。

參考文獻

[1]李新利，等.邊坡的有限元分析及其在ANSYS中的應用[J].科技創新與發展，2013（1）.

[2]曾攀.有限元分析及應用[M].清華大學出版社，2004.

[3]李佳，等.長短樁復合地基沉降數值分析[J].化工設計，2010，20（3）.

作者簡介：高海英（1980-），女，河南南陽人，中鐵七局集團有限公司工程師，研究方向：巖土工程。