基于有限元的高鐵復合地基蠕變演變特征研究

張 宇 夏國正 王朋朋

(貴州宏信創達工程檢測咨詢有限公司，貴州 貴陽 550014)

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基于有限元的高鐵復合地基蠕變演變特征研究

張 宇 夏國正 王朋朋

(貴州宏信創達工程檢測咨詢有限公司，貴州 貴陽 550014)

基于有限元分析軟件及高鐵路基實際施工圖紙，建立了含CFG樁的復合地基計算模型，并采用可蛻化為廣義開爾文模型的粘彈性蠕變模型開展了蠕變計算研究，分析了高鐵路基在填筑完成后不同時期的蠕變變形分布特征，揭示了路基上不同部位特征點的蠕變變形演變規律。

高鐵，復合地基，CFG樁，有限元，蠕變變形

0 引言

目前，我國存在大量高速鐵路線路跨越軟土地區的現象[1]。由于高鐵運營要求較高(運行速度達到300 km/h)，從而對其路基的沉降變形要求十分嚴格。

高鐵的軟土地基沉降無法滿足其控制要求時，需要對軟弱地基進行處理或采用其他方法來滿足沉降穩定要求。為控制軟土地基的沉降變形，國內外工程人員一般采用復合地基的方法[2]，以達到加固軟土地基的效果。工程中復合地基的形式和種類較多[3-5]，常見的有水泥粉煤灰碎石樁復合地基(CFG樁復合地基)、干振碎石樁復合地基、土樁復合地基、攪拌水泥土樁復合地基等類型。

本文針對CFG樁這類常見的復合地基，基于有限元，結合高鐵路基施工圖紙，建立含CFG樁的復合地基實體模型，并采用可蛻化為廣義開爾文模型的粘彈性蠕變模型開展蠕變計算研究，弄清高鐵路基在填筑完成后不同時期的蠕變變形分布特征，并揭示路基上不同部位特征點的蠕變變形演變規律。

1 有限元蠕變計算方案研究

1.1 蠕變計算原理

ANSYS可模擬材料的蠕變特性，有兩種蠕變模型計算法則：隱式蠕變計算模型和顯式蠕變計算模型。式(1)中顯式蠕變是指應用 Euler 向前法進行蠕變應變演化的計算。在每個時間步使用的蠕變應變率與該時間步開始時的速率一致，并假設在整個時間步 Δt 內為常量，因此，需要很小的時間步以減小誤差。

(1)

式(2)中隱式蠕變應用了Euler向后積分法求解蠕變應變。該方法在數值上無條件穩定，這意味著不必像顯式蠕變方法那樣，使用小的時間步，所以總體上會更快。因此，本文將采用隱式蠕變計算方法。

(2)

1.2 數值模型研究

1.2.1 實體模型

圖1是根據實際施工圖建立好的幾何實體模型。該模型從上至下分5種材料，分別為粉質粘土路基填料、砂墊層、CFG樁、軟土地基層、較硬地基層。圖中A，B，C，D分別代表樁頂點、樁間點、墊層中心點、路基頂面中心點。各材料層的設計參數如下：

1)路基：高3 m，分3層填筑，每層1 m，填筑進度為10 d/m。2)褥墊層：厚度0.3 m。3)CFG樁：樁長10 m，樁徑0.4 m，復合地基中置換率為8%。4)地基層：軟土地基層厚11 m，較硬地基層厚5 m。

1.2.2 計算模型

圖2是根據實體模型生成的計算模型，該模型共有2 906個單元，6 403個節點，計算模型中地基線以上為自由邊界，地基底部邊界約束豎直方向的位移，地基左右兩邊界限制水平位移。

1.3 本構模型

本文將采用三單元模型中的K-H模型為基礎來分析路基填土層與地基層的蠕變變形演變特征。其物理元件描述如圖3所示。

其蠕變方程為：

(3)

對式(3)進行時間求導，得到其對應的用蠕變速率表示的隱式蠕變方程為：

(4)

1.4 計算參數

結合現場地質勘查資料，并根據《工程地質手冊》[6]的經驗推薦，各參數見表1。

表1 材料參數表

2 復合地基蠕變變形演變特征

2.1 蠕變變形分布特征

基于蠕變計算結果，分別得到復合地基在不同時期的沉降位移云圖，分別見圖4～圖9，以便對比研究復合地基在不同時期的蠕變變形特征。

據圖4～圖9可知，路基底部和地基頂面區域的沉降量最大；沿路基高度遞增，沉降變形量逐漸遞減。在高鐵路基的影響下，地基層中心區域沉降變形最大，并沿兩側遞減，且隨地基層深度的遞增，地基中附加沉降變形遞減，呈典型的沉降盆分布特征。

據圖4可知，當路基填筑完成時，路基中最大沉降位移點出現在地基表面及路基底部(黑色區域)，路基頂面及地基下一定深度的沉降位移近似為零(淺灰色區域)，臨近路基的地表產生微小的隆起(深灰色區域)；據圖5～圖7可知，地基表面與路基本體都有較大的沉降增幅，路基頂面沉降增幅最大，臨近路基的地表隆起趨勢仍在發展；據圖8，圖9可知，地基表面與路基本體的變形基本趨于穩定。

根據Bjerrum蠕變理論[7]，土體變形分為加載時的固結沉降與恒載時的蠕變變形。對比分析不同時期路基沉降位移云圖，路基本體在填筑完成后6個月內的發展速率最快，沉降增幅最大；對比圖6和圖9可知，路基本體在填筑完成后1年時的沉降量已超過總沉降的95%，表明路基填筑完成靜置1年時沉降變形基本發展完成；對比圖7和圖9可知，路基填筑完成靜置3年時的沉降變形基本達到最大值。

2.2 蠕變變形演變規律

基于數值計算的結果，圖10，圖11分別是復合地基、路基中不同部位特征點的蠕變變形演變曲線。

據圖10，圖11可知，在高鐵路基分層填筑施工期間(10 d/m)，路堤填筑荷載保持不變，復合地基主要產生平緩微小的蠕變變形，產生類似階梯狀的沉降規律，期間地基層主要產生固結沉降；路基填筑完成后，各監測點的沉降量隨時間逐漸遞增，沉降速率逐漸減小，期間主要以蠕變變形為主，且1年后，沉降完成95%，2年后，沉降基本穩定；樁頂點沉降和沉降速率最小，樁間點和墊層中心點的沉降量相差不大，這主要是由于樁頂模量較高，沉降便較小，墊層較薄，因此導致樁間點和墊層中心點的差異較小。

3 結語

本文針對高鐵CFG樁復合地基，開展了有限元計算，弄清了CFG樁復合地基的蠕變變形分布，揭示了各監測點的蠕變變形演變規律。主要結論如下：1)地基層沉降變形呈典型的沉降盆分布特征。2)高鐵路基填筑完成后的沉降主要是蠕變變形。3)路基本體在填筑完成后6個月內的發展速率最快，沉降增幅最大；路基填筑完成靜置1年時沉降變形基本發展完成；路基填筑完成靜置3年時的沉降變形基本達到最大值。4)路基分層填筑施工期間，主要產生固結沉降；填筑完成后，以蠕變變形為主；樁頂點沉降和沉降速率最小，樁間點和墊層中心點的沉降量相差不大。

[1] 潘 霄，李建國，肖 利.高速鐵路軟基處理方法及應用現狀研究[J].水利水電快報，2010，31(1):23-25.

[2] 龔曉南.廣義復合地基理論及工程應用[J].巖土工程學報，2007，29(1):1-13.

[3] 陳宏偉，徐林榮.高速鐵路CFG樁筏復合地基現場測試研究[J].土木建筑與環境工程，2014，36(6)：60-66.

[4] 荊志東，郭永春，邱恩喜，等.新型樁板結構對高速鐵路軟基沉降控制作用離心試驗[J].巖土力學，2010，31(8)：2530-2565.

[5] 譚遠發.水泥砂漿樁在高速鐵路軟基處理中的應用研究[J].鐵道工程學報，2010(10)：30-35.

[6] 《工程地質手冊》編寫委員會.工程地質手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，1992.

[7] 張 宇，陳善雄，余 飛.南水北調高填方渠道沉降過程計算方法研究[J].巖石力學與工程學報，2014，33(2):4367-4374.

Research on creep deformation evolution characteristics of high speed railway based on ANSYS finite element

Zhang Yu Xia Guozheng Wang Pengpeng

(GuizhouHongxinChuangdaEngineeringDetection&ConsultationCo.,Ltd,Guiyang550014,China)

The calculation model of composite foundation with CFG piles is set up, based on the finite element method and combined with the actual construction drawings of the roadbed. The numerical calculation is carried out by using the creep model. The settlement and deformation of the foundation is clarified in different periods after the completion of filling. And the settlement change law of the characteristic points on different parts of the subgrade is revealed.

high speed railway, composite foundation, CFG pile, finite element, creep deformation

1009-6825(2016)26-0112-03

2016-07-06

張 宇(1987- )，男，博士，工程師

TU433

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