無碴軌道復合路基墩式碎石注漿樁沉降研究

夏　曦　李　博

(1.中交第二公路勘察設計研究院有限公司　武漢　430056;　2.中國鐵建十一局集團有限公司　武漢　430000)

無碴軌道復合路基墩式碎石注漿樁沉降研究

夏曦1李博2

(1.中交第二公路勘察設計研究院有限公司武漢430056;2.中國鐵建十一局集團有限公司武漢430000)

摘要墩式碎石注漿樁是在柔性路堤載荷條件下對碎石注漿樁技術進一步改進的一種復合路基，在樁頂、樁底形成擴大頭，改善樁土受力性能，減少復合地基沉降。無碴軌道路基工后沉降要求嚴格，文中對無碴軌道高鐵路基墩式碎石注漿樁加固作用機理進行分析，用有限元 ABAQUS 程序對由無碴軌道板、碎石注漿樁等組成的復合路基的樁體荷載傳遞規律、樁體與土體變形特性進行了研究，結果表明墩式注漿樁可用于無碴軌道路基，對減少復合路基沉降具有明顯效果。

關鍵詞墩式碎石注漿樁無碴軌道復合路基沉降

在高速鐵路中，無碴軌道以其整體性強，穩定性好，堅固耐用，軌道變形小，且變形累積緩慢等優點得到廣泛應用[1]。但無碴軌道線路狀態的調整只能通過扣件系統進行，對路基沉降控制非常嚴格，要求路基工后沉降一般不超過扣件允許的沉降調高量15 mm[2]。作為一種新型復合樁基技術，碎石注漿樁不僅具有一般剛性樁的樁體置

換作用，而且能改善樁周土的力學性質，從而可有效地提高復合地基的承載力及減小沉降變形[3]。本文通過對碎石注漿樁進行改進，結合復合地基荷載傳遞規律及變形特點，對墩式碎石注漿樁構造及施工進行了介紹，并采用ABAQUS程序,通過有限元方法分析由無碴軌道板、墩式碎石注漿樁等組成的復合路基的樁土沉降特性。

1墩式碎石注漿樁施工方法及特點

碎石注漿樁近年來有很大的發展，在高速公路的地基處理中已得到廣泛應用，很好地發揮了它的優點。墩式碎石注漿樁，是對碎石注漿樁在構造上進行了改進，更有效地提高了復合地基的承載力及減小沉降變形。其主要構造及施工方法為：

(1) 在樁體下端投放高稠度微膨脹注漿液[4]，漿液對樁端土層和樁端附近的樁周土層起到滲透、填充、置換、劈裂、壓密及固結或多種形式的組合作用，改變其物理力學性能。漿液壓密松散土體并形成微擴大頭，增加了樁端承壓面積，從而提高樁的承載力[5]。

(2) 通過在樁頂沿45°斜面開挖，形成一個倒錐形的擴大墩頭，因墩頭的作用及土拱效應，樁身能承擔更多的上部土體的荷載，提高了樁體的荷載分擔比，同時防止樁體向上刺入，減弱樁頂應力集中。

2計算模型

為了解墩式碎石注漿樁復合結構在路堤等柔性荷載作用下的應力分布和沉降規律，結合某一典型的地層情況， 建立路堤半斷面模型，分析地基中荷載傳遞情況及沉降規律。

2.1　幾何模型

某客運專線設計時速高達350 km，路基結構要求采用多層結構系統，從上至下依次為混凝土支承層、級配碎石層、換填A、B填料層、碎石墊層和地基層。路基頂面寬13.6 m，線間距5 m，路堤邊坡為1∶1.5。無渣軌道板選用CRTS II，軌道板采用C55混凝土，標準板長6.45 m，寬2.55 m，厚0.2 m，為預應力混凝土結構。混凝土支承

層頂面寬度為2.95 m，底面寬度為3.25 m，厚度為0.3 m。具體幾何模型見圖1。墩式碎石注漿樁樁徑取0.5 m，樁長15 m。樁頂墩頭頂面1.1 m，厚0.5 m。樁底擴大頭假定為半球形，其半徑一般取比漿液擴散區大0.2 m。地基層為簡化的15 m厚淤泥質粘土層，其下為粉質粘土層。

圖1　路基半斷面示意圖(尺寸單位：m)

因路基為條帶狀結構，橫向尺寸與沿線路的縱向相比較小，因此建模時可考慮對稱性。為了減少計算單元，在橫向上取地基和路基結構的右半部分進行分析。地基計算考慮范圍，在深度方向上取40 m，大于加固體高度的2倍，橫向方向取30 m，超過路基底面寬度的2倍；邊界約束條件為：在地基土的下部邊界因遠離樁體，荷載影響甚微，視為無位移的固定邊界，中心對稱面和側面各節點限制水平位移。地基底部及兩側為不透水邊界，地表設為透水邊界。地下水位在地下2 m處。

2.2　本構關系

在計算中針對不同材料采用了不同本構模型，以反映材料應力應變響應的差異性。其中，軌道板、混凝土支承層及碎石注漿樁采用線彈性模型；路基土、級配碎石層及碎石墊層采用Mohr-Coulomb本構模型參數如表1所示；軟土地基的粘土、淤泥及漿液加固土Drucker-Prager理想彈塑性模型參數見表1。

表1　模型參數

2.3　模型加載

在路堤、軌道結構及列車荷載產生的附加應力的作用下，軟土地基呈現弱滲透性，其變形過程一般較長，表現為工后沉降或不均勻沉降過大。本文采用ABAQUS中的固結分析步來模擬整個模型在施工期與10年運營期的固結狀況[6]。為模擬實際填筑及預壓施工過程，在計算中考慮分級施加路堤和軌道結構荷載，采用ABAQUS中的時間步令來控制路堤和軌道分級加載情況，將路堤結構總共分7層進行數值模擬，每層高度依次為0.5，0.62，0.62，0.62，0.62，0.62，0.4 m。每一層的填筑期為15 d,施工間歇期為15 d，路堤整個填筑期為210 d；路堤填筑完的預壓期為180 d，預壓結束后鋪設混凝土支承層及軌道板，鋪軌180 d后進入運營期。

對于軌道結構和列車荷載對地基沉降的影響，《規范》[2]中將列車荷載作為靜荷載處理，把列車荷載和軌道重量等效成分布在路基面中心的一土柱。本文則將其等效為軌道板上的均布荷載，見圖1，其中P1為鋼軌、扣件等換算得到的均布荷載，P2為列車換算得到的均布荷載。在路堤荷載作用下的樁與樁間土之間有著相對的變形，樁土接觸關系非常復雜，不可能很精確地模擬，而ABAQUS中constrains自帶的tie命令可以較滿意地實現樁與樁間土之間的接觸狀況[7]。

3計算結果及分析

3.1　墩式碎石注漿樁加固效果

為說明墩式碎石注漿樁的加固效果，分別建立無樁與有樁的模型。圖2為未加樁時的最終沉降云圖。圖3是在樁間距2 m，注漿區0.2 m條件下路基的最終沉降云圖，從圖中的數據可以看出路基中心沉降較大，按照本文所取深度和橫向方向來看，這2個方向末端沉降均已可忽略，證明所選取這2個數值合理，對計算結果無太大影響。

圖2　路基(未加樁)總沉降云圖

圖3　路基(加樁后)總沉降云圖

對比圖2與圖3，可以看出，打樁后的地基沉降量小，總沉降由161.5 mm減小到加固后的30.4 mm，路基底面中點的工后沉降則由34.7 mm減小到8.7 mm，滿足無碴軌道的工后沉降要求。而且沉降變形比較集中，說明應用墩式注漿碎石樁處理軟土地基取到了較好的效果，但同時沉降的影響深度也有所增加。在設計過程中需要注意這個問題，應選擇合適的影響深度進行沉降及承載力的驗算。在本文的地質條件下打樁后影響深度為2個樁長左右。

3.2　樁頂墩頭及樁底擴大頭作用

為了說明墩式注漿樁與普通碎石注漿樁的不同之處，在其他條件相同情況下分別建立模型。結果如圖4所示，當加固區土的彈性模量為4.941 MPa時，墩式注漿樁路堤中樁樁頂的工前沉降、總沉降和工后沉降較普通碎石注漿樁分別減小了1.16 mm，1.46 mm，0.31 mm，說明樁頂墩頭及樁底擴大頭可以有效降低總沉降，但對減小工后沉降作用有限。若將加固區土的彈性模量減小到1 MPa，則分別減小了2.21,2.95,0.74 mm。這是因為復合地基主要作用是減少加固區的沉降，通過樁將路堤荷載傳到下臥層。當加固區彈性模量較小時，可通過加墩頭，提高樁土應力比，減小路基總沉降和工后沉降。

圖4加固區彈性模量對沉降的影響圖5加固區頂面的沉降曲線圖6加固區底面的沉降曲線3.3漿液擴散區置換率

樁頂墩頭及樁底擴大頭的另一個主要作用是減小樁頂的上刺和樁底的下刺。圖5為加固區頂面的沉降曲線。由圖5可見，沉降曲線基本呈盆狀，其中曲線波峰為樁頂的沉降，曲線波谷處為樁間土的沉降，表現為樁頂向上刺入。距離路基中心的距離越大，樁間土和樁的沉降越小，樁土差異沉降越小。在路基中部所受的荷載較大，樁頂刺入明顯，而在加了墩頭后，刺入量明顯減少且總沉降量也有所減小。圖6為加固區底面的沉降，其中曲線波谷為樁頂的沉降，曲線波峰為樁間土的沉降，表現為樁底向下刺入。由于樁底擴大頭的存在，使樁底承壓面積增大，應力發散，樁的下刺量大大減少。

漿液通過滲透膠結等綜合作用形成漿液擴散區，可以有效改善樁周土的力學性質。漿液擴散區置換率為漿液擴散區面積與加固區面積之比。圖7為路堤在樁間距2 m時，路基中樁樁頂及樁間土的沉降隨置換率的變化圖。可以看到隨著注漿擴散區增大，沉降顯著減小。且樁間土的沉降規律與樁頂沉降規律一致。注漿樁復合地基由樁、漿液擴散區和樁間土共同承擔荷載[8]。樁土應力比、漿土應力比(漿液擴散區的應力與樁間土的應力比值)這2個參數隨漿液擴散區置換率變化規律見圖8，在樁間距2 m的條件下，樁土應力比隨漿液擴散區置換率的增大有所減小，而漿土應力比只是略微下降。

圖7　漿液擴散區置換率對沉降的影響

圖8　漿液擴散區置換率對應力比的影響

3.4　樁間距的影響

本文分別計算了樁間距2，2.5，3，4 m 4種工況。路基中樁樁頂和樁周土總沉降隨樁距的變化規律見圖9，隨著樁間距提高，樁和樁間土的沉降隨之增大，但樁間土的沉降明顯要大于樁。在樁間距3，4m這2種工況下，樁土沉降差異更明顯。實際工程中應避免樁間距過大[9]。

圖9　樁間距對沉降的影響

計算結果還表明樁土應力比、漿土應力比隨樁間距的變化規律為：隨著樁間距的增大，樁間土承擔的應力逐漸增大，即樁土應力比減小。但漿土應力比只是略有減小。從路基中樁樁頂在各種樁間距下不同漿液擴散半徑的工后沉降對比看出：樁間距2 m，漿液擴散半徑0.2 m與樁間距2.5 m，漿液擴散半徑0.4 m這2種工況下，工后沉降幾乎相等，實際設計中從經濟的角度，可選用后者。

4結論

(1) 墩式碎石注漿樁是根據樁土特別是樁上下端與土體作用特點進行改進的，符合無碴軌道軟土路堤中樁土作用特性，加固效果理想。

(2) 墩式碎石注漿樁的樁頂墩頭提高了樁體荷載分擔比，避免樁頂發生刺入破壞。樁底擴大頭可以提高樁的承載力，減小樁底的刺入量。尤其是在加固層的彈性模量較小時設置墩頭及擴大頭，加固效果更為理想。

(3) 在本文地質條件下，樁間距2 m，漿液擴散半徑0.2 m與樁間距2.5 m，漿液擴散半徑0.4 m這2種工況加固效果相近，說明當漿液擴散半徑較大時，可適當增大樁間距。

(4) 在樁的設計過程中，當樁長一定的情況下，可以綜合考慮樁間距與漿液擴散區置換率這2個設計因素，得出較優的方案。

參考文獻

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Study on the Settlement of the Frusta-like Crushed Stone Grouting

Pile with Ballastless Track Slab Composite Foundation

XiaXi1，LiBo2

(1.CCCC Second Highway Consultants Co.,Ltd., Wuhan 430056, China;

2.Chinese Railway Construction 11 Burequ Croup Co.,Ltd., Wuhan 430000,China)

Abstract：Frusta-like crushed stone grouting pile is a new composite soft-base processing technology developed on the basis of crushed stone grouting pile, with a transformation of pile heads into pier heads and a transformation of pile bottoms into enlarged ones, which can improve the mechanical properties of pile and soil and reduce composite foundation settlement. Ballastless track railway must meet the strict requirement of ground post-construction settlement. In this paper, the technology of frusta-like crushed stone grouting pile is applied into the foundation of high-speed railway of ballastless track, of which the mechanism was analyzed. Also, through ABAQUS package, the characteristics of settlement of the pile and the soil, as well as the transmission pattern of load of composite foundation borne with frusta-like crushed stone grouting pile with ballastless track slab were analyzed. All the above results lead to a conclusion, that frusta-like grouting pile can be used into the foundation of high-speed railway of ballastless track and has a significant effect on reducing composite foundation settlement.

Key words:frusta-like crushed stone grouting pile; roadbed of ballastless track; composite foundation; post-construction settlement

收稿日期：2015-04-19

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.03.036