朔黃鐵路路基下沉段斜向高壓旋噴樁加固效果數值分析

歐陽志

摘要：朔黃鐵路路橋（涵）過渡段沉降變形問題顯著，多采用斜向高壓旋噴樁進行路基加固。為分析加固的效果，結合朔黃鐵路K65+490～K65+770段加固工程，運用PLAXIS非線性有限元計算軟件，建立計算模型，選取5種不同鐵路荷載組合情形，對比分析加固前后在不同荷載組合條件下的路基頂面沉降變化。研究表明采用斜向高壓旋噴樁進行鐵路路基加固有較好的實際效果，該種加固方法對其他類似工程有借鑒意義。

關鍵詞：朔黃鐵路；高壓旋噴樁；加固效果

1 工程概況

朔黃鐵路肅寧至黃驊港段位于華北平原東北部，長165.645 km，屬Ⅰ級重載單線鐵路，均為填方路基，填土高度2～6 m。伴隨著運營時間的增加，朔黃鐵路路橋（涵） 過渡段存在廣泛而嚴重病害，在K65+490～K65+770段路基發生嚴重下沉，累計沉降在0.3～0.5m左右，不僅影響行車速度和安全，而且給線路維修增加難度。根據設計要求，該工點路堤采用斜打高壓旋噴樁對其進行加固處理，以提高地基承載力，阻止路基繼續下沉。

2 計算條件

為了分析高壓旋噴樁加固重載鐵路路基的效果，運用PLAXIS非線性有限元計算軟件對加固路基進行靜力分析，主要從加固前后路基頂面沉降變形沉降變化進行了對比，說明高壓旋噴樁的加固效果。

2.1 有限元網格及邊界條件

路基斷面近似認為無限延伸，故可將路基模型處理為二維平面應變問題，選取的1個典型斷面，頂面寬為27.2m，高度分別11.0m，路基本體加固深度為8m，邊坡坡率為1：1.5，路基填土為砂粘土。基底土第一層為砂粘土（7m）、風化巖（20m）。路基頂面荷載按照規范計算，分布5條線路。

有限元網格劃分及節點分布如圖1，劃分為平面15結點三角形單元。坐標：軸向右為正，向右取100m；軸與高程一致，計算范圍取值，底部地基深度取50m，坐標原點（0，0）設在幾何模型左下角角點；應力表示為拉正壓負。約束條件：底部和側向均設為法向約束。

2.2 計算工況

考慮到路基實際的運營情況和最不利條件，將加載過程分步模擬，5條線路荷載加載先從左側開始，編號依次1#～5#，應力初始化，僅考慮形成地基和路基。以后每步增加線路荷載，加載分步設置見表1。

2.3 計算荷載

對路基結構進行彈塑性有限元分析，模型采用列車荷載換算土柱高度的靜載加載方式，路基面作用荷載計算如下。路基面承受列車豎向活載和上部結構自重靜載兩種荷載。將作用在路基面上的列車動荷載進行換算，上部結構自重靜載根據采用的軌道類型和道床的標準形式尺寸進行計算。列車豎向活載采用軸重30t的貨運重載列車荷載。總荷載為231.8kN/m，按照分布寬度3.1m計算，荷載強度為74.8kPa。

3 路基加固前線路荷載作用下的路基頂面的沉降特征

計算模型如圖2所示，僅對線路荷載作用下路基頂面沉降變形計算特征以及基底沉降特征進行分析。

通過計算各級荷載下的路基頂面沉降變形，5種工況變形計算結果所得，1#線荷載作用下沉降變形最大值為166.75mm，1#+3#線荷載作用下沉降變形最大值184.55mm，1#+3#+5#線荷載作用下沉降變形最大值卻減小至173.13mm，這是由于荷載分布平衡，同時也是填土壓實度過低，土質松軟，荷載間距大，應力疊加受到影響所致。1#～5#線滿布作用下沉降變形最大值為264.93mm。

4 路基加固后線路荷載作用下的路基頂面的沉降特征

路基加固后，高壓旋噴樁對路基填土的擠密效果不明顯，計算建模中故不考慮路基填土參數的提高，只在路基填土中加入高壓旋噴樁樁體材料，其它參數不變，計算模型如圖3所示。

通過計算路基頂面沉降變化曲線。1#線荷載作用下路基頂面沉降變形最大值為145.50mm，1#+3#線荷載作用下沉降變形最大值150.85mm，1#+3#+5#線荷載作用下沉降變形最大值為152.65mm，1#～5#線滿布作用下沉降變形最大值為173.00mm。

5 路基加固前后線路荷載作用下的路基頂面沉降變形對比分析

將加固前后路基頂面沉降進行比較，見表2。加固后路基頂面沉降有所減小，隨著荷載的逐漸增大，沉降減小量從單線荷載的21.25mm至5線滿布荷載時的91.93mm。沉降減小比從12.7%增至34.7%。

通過對朔黃線重載鐵路路基試驗段的非線性有限元靜力學分析，可以得到，加固范圍內土體剛度的增加明顯減小了路基本體沉降，高壓旋噴樁作為既有線路基的加固方法，其加固效果明顯。

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