重載鐵路軟土區交叉式組合樁復合地基沉降特性研究

王 凱 馮傳煌 杜文山 周先才

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

1 概述

長短組合樁復合地基作為一種新型地基處理方案正被越來越多地應用于工業、民用建筑中,且在高等級公路軟土路基處理中得到廣泛應用[1-2]。該類型復合地基是利用剛性長樁與柔性、半剛性或者剛性短樁相結合的方式對地基進行加固處理,可較好發揮各自力學特性[3]。長短組合樁復合地基具有傳統樁承式路基施工速度快、沉降易控制且適用范圍廣的優點,相較于等長樁,可在滿足沉降控制與承載力要求的前提下降低樁體工程造價,并縮短工期。

長短組合樁沉降分析可拆分為2個部分。其中,一部分為路基土拱效應分析,另一部分為長短組合樁復合地基沉降分析。早期,TERZAGHI研究樁土荷載分擔比,并將其定義為“土拱效應”。隨后,國內外諸多學者對其形成機理與影響因素進行理論分析、有限元模擬計算、現場監測試驗以及室內模型試驗,對加筋與非加筋的樁承式路堤的土拱形成機制與影響因素進行研究,并改進傳統的HEWLETT極限狀態空間土拱效應分析法,以解析解形式求得樁體荷載分擔比[4-11];RUSSELL等對比分析不同的土拱計算方法[12-14]。但是,上述研究均針對等長樁進行。

長短樁研究方面,多基于剛性基礎、公路路基或高速鐵路復合地基的研究,對于重載鐵路大荷載下長短組合樁復合地基的研究較少。為深入分析長短組合樁復合地基加固重載鐵路軟土路基的機理,對試驗段進行現場監測,包括路基填筑過程、靜置和鋪軌過程中地基表面沉降、分層沉降、剖面沉降與加固層壓縮量;此外,基于工程實際參數建立三維有限元模型,進一步研究長短組合樁復合地基沉降變形與樁間距的變化規律。

2 現場監測試驗

2.1 工程背景

某重載鐵路試驗段位于湖北省荊州市君山區,屬洞庭湖沖積平原,地勢平坦開闊,植被發育,屬北亞熱帶季風氣候,雨季集中在4～8月,無凍土分布。試驗段全長380m,為線間距5m的雙線有砟軌道,設計運營速度120km/h,軸重30t。地質資料表明,試驗段內分布地層由上到下分別為:粉質黏土、淤泥質粉質黏土、粉砂和細砂,見圖1(a);該段屬典型深厚軟土路基,具體地層土體參數見表1。地下水埋深0.5～1.0m,地表水發育,多分布于池塘、河流以及人工溝渠。路基范圍內地質構造相對簡單,無深大、活動性斷裂。

表1 地層物理力學性質參數

深厚軟土路基加固段處理方式為交叉式長短樁復合地基,該類復合地基中柔性短樁與剛性長樁相間布設,見圖1(b)。長樁與短樁的加固作用不同,其中柔性短樁主要加固淺層土體,提高其橫向約束作用;剛性長樁主要加固深部軟土地層,提高地基承載力和剛度。同時,短樁可有效提高長樁所承受的橫向約束,從而增加軟土地基的穩定性。

2.2 試驗設計

試驗段采用交叉式長短組合樁復合地基進行加固處理,以提高其承載力。試驗段周圍為大量農田及民房,地勢平坦,高程27.2～28.4m,相對高差0～1.2m。路基填土高9.41m,路基底面寬47.66m,頂面寬13.91m,一級坡坡率1∶1.75,二級坡坡率1∶1.5,中間設置寬2m的平臺。樁體布置見圖1。

圖1 長短組合樁布置(單位:m)

加固方案中,長樁選用剛性螺桿樁,樁長24m,?40cm,樁間距5.432m,正方形布置;短樁選用柔性多向攪拌樁,樁長17m,?50cm,樁間距1.358m,正方形布置。兩種樁型交叉布設,樁頂設置40cm厚的碎石墊層。通過單軸試驗測試兩種樁的變形參數,其物理力學參數見表2。

表2 樁體物理力學參數

試驗段內各監測項目監測點的橫斷面布置見圖2,地基中心和兩側坡腳的沉降位移監測采用沉降板,地基表面橫坡面沉降監測采用橫剖管,地基不同深度沉降監測采用磁環套管。

圖2 儀器布置橫斷面

由圖2可知,沉降板分別位于路基中心、兩側邊坡坡腳對應的地基表面,布置于40cm厚碎石墊層之上;單點沉降計布置于路基中心對應的地基內,下端錨頭位于長樁下端,以便測量加固層的壓縮量;分層沉降采用磁環沉降監測方案,布置于地基中心位置,磁環管下端位于地面以下30m。監測設備型號見表3。

表3 主要監測儀器參數

監測設備于2017年2月3日開始埋設,并隨施工進度進行后續安裝與監測數據讀取,路基填土于2017年4月1日開始填筑, 2017年9月5日填筑結束并進入靜置期,隨后進入鋪軌期,現場監測于2018年6月結束。

2.3 試驗結果分析

(1)地基表面沉降

路堤中心對應地基表面與左側邊坡坡腳處地基表面沉降變形隨時間變化的曲線見圖3。可以發現,整個監測周期內沉降變形曲線始終處于小幅波動狀態,推測該現象由施工車輛荷載變化以及測量誤差引起。此外,兩條曲線的宏觀變化趨勢明顯不同,這是由于兩個部位的受力特點不同導致。

由圖3(a)可知,根據路基中心對應的地基表面豎向變形趨勢曲線斜率與施工階段,可將整個變形過程分為4個階段。其中,豎向變形在填筑初期呈現緩慢沉降;隨著填筑進度加快,沉降變形進入到快速沉降期;當填筑完成后進入靜置期和鋪軌期后,沉降依然緩慢增加,直到鋪軌完成后一定時間才達到穩定狀態。上述變形特點的原因可解釋為:首先,填筑初期過程比較緩慢,路基中心對應地表位置沉降也呈緩慢增加趨勢;然后,當填筑速度明顯加快,地表沉降顯著快速增大;填筑完成后,地基內各地層土體的固結并未結束,隨著孔隙水壓力的消散,固結緩慢完成,對應的地基沉降緩慢增加。需要注意的是,鋪軌施工并未引起地基出現明顯沉降;鋪軌施工結束后一段時間,地基土體的固結完成,地基隨即進入穩定狀態,其沉降變形不再繼續發展。

由圖3(b)可知,路基邊坡坡腳處的地基表面沉降變形整體上要顯著小于路基中心位置,這是由于邊坡坡腳位置處填筑的路基荷載遠小于路基中心。首先,填筑初期,沉降緩慢增加;隨著路基填筑進度加快,坡腳處地基豎向變形呈現隆起狀態;填筑結束后,豎向變形也進入穩定期,不再改變,最終表現為沉降變形。這說明樁土復合地基可有效增加加固區的剛度,很大程度抵擋地基土體中傳遞的側向土壓力,避免產生隆起大變形;但同時也表明路基填筑區域的拉拽作用明顯。上述變形發展特點的原因可解釋為:填筑初期,坡腳處雖有填筑路基,但是厚度極小,同時受施工機械的碾壓影響,造成該位置發生輕微沉降;當路基填筑速度明顯加快時,坡腳位置不再進行填筑,同時受到路肩范圍內路基填筑的影響而發生輕微隆起變形;當路基填筑完成后,路肩內荷載不再增加,對兩側地層的擠壓作用不再增大,坡腳處豎向變形不再變化。需要注意的是,鋪軌施工并未對坡腳處變形產生影響。

圖3 路堤中心與坡腳處地基表層沉降曲線

對比發現,路基中心下方表面沉降大于兩側坡腳下方表面沉降:路基中心下方表面沉降最終穩定值為6.5cm,邊坡坡腳位置地基表面沉降最終穩定值為4.5cm。

(2)地基橫斷面沉降

地基表面橫斷面方向的沉降變形隨時間的變化曲線見圖4。

圖4 地基表層橫斷面沉降曲線

由圖4可知,不同時間對應的地基表面沉降曲線形狀,均為近似“U”形,路基中心沉降顯著大于其他位置,且以路基中心為對稱軸,沉降變形向兩側逐漸減小,隨著時間的推移,路基填筑高度逐漸增加,曲線逐漸向下移動,即地基表層全橫斷面的沉降均逐漸增加,且地基中心與路肩、坡腳處的差異沉降逐漸增加。隨著填筑時間的推移,坡腳和地基中心位置的沉降從開始填筑時期的0.0,2.4cm增加到填筑結束時期的4.5,6.5cm。路基兩側坡腳的地基沉降與路基中心對應的地基表面沉降僅相差2cm,路基中心距離坡腳的間距為23.26m,故沉降坡率僅為0.86%,可推測樁土復合地基有效提高加固區剛度,增強其抵抗變形的能力。

(3)地基分層沉降

不同填筑期路堤中心對應地基不同深度處的沉降曲線見圖5。

圖5 分層沉降變化曲線

由圖5可知,隨著時間的推移,監測深度范圍內地層對應曲線均逐漸向右發生偏移,說明其沉降均隨時間逐漸增加,但其沉降速率卻隨時間推移逐漸減小;各地層土體的沉降均隨深度的增加而減小,地層上部的最大沉降量為6.5cm,該值與沉降板測試數據一致。長短樁共同加固的深度范圍內,沉降隨深度變化較緩,但是在短樁以下長樁以上的深度范圍內沉降隨深度的變化速率顯著增加。該現象可解釋為:短樁樁端位于深度17m處,其樁端土為強度較小的粉質黏土,故16～24m范圍內沉降較大;長樁樁端位于深度24m處,其樁端土為強度較高的中密細砂,故深度大于25m時沉降較小。

(4)地基加固層壓縮變形

路基中心對應的長樁加固范圍內地層壓縮變形量隨時間的變化曲線見圖6,單點沉降計的上端位于地基表面,底端的錨頭位于螺桿樁的下端同一水平位置,即地基表面以下24m處,監測地基表面與螺桿樁底之間的加固層隨路堤填筑施工的壓縮量變化關系。

圖6 加固層壓縮量隨時間變化曲線

時間關鍵節點加固層壓縮變形量完成比見表4(以監測結束時的壓縮變形量為基準)。

由表4、圖6可知,從填筑施工開始,加固層壓縮量隨時間的增加而增大,直至監測結束,壓縮變形仍在增大。路基填筑開始后,長樁與短樁加固層均開始發生壓縮變形,且壓縮變形的發展速率顯著大于后期的靜置期,壓縮量主要發生在填筑期,截止填筑施工完成時,長樁加固層壓縮變形已完成監測結束時總壓縮量的65%以上,截止靜置期滿,鋪軌之前,該比例進一步提升至約84%,所以設置靜置期很有必要。

表4 加固層壓縮量完成比統計

3 有限元數值分析

3.1 模型建立

基于試驗段典型斷面的設計參數與地層物理力學性質,采用三維有限元方法建立軟土區長短組合樁交叉布置的復合地基上填筑路堤的施工仿真計算模型,分析地基沉降的時空規律,并與實測結果進行對比。進一步進行多工況分析,研究樁間距對復合地基沉降的影響規律。有限元計算工況見表5。

表5 有限元計算工況 m

采用Midas GTS有限元程序建立完整的三維路基模型,采用標準六面體實體單元構建路基和各個地層,采用梁單元模擬樁體單元,Goodman單元模擬樁土接觸面。根據試算,減小邊界效應的影響,確定模型的底面所有自由度均被約束,模型4個側面均采用法向約束,允許其發生豎向位移和各向轉動,模型的上表面為自由面,不進行任何約束。軌道及重載列車荷載按均布荷載處理,分布寬度為3.8m,考慮ZH特種荷載,荷載大小取78.2kN/m2。

參考試驗段中典型斷面,建立三維有限元模型,模型尺寸與網格劃分見圖7。

圖7 有限元模型與樁體布置型式

其中,模型縱向長50m,寬120m,高59.41m,其中路堤高9.41m,地基厚50m。螺桿樁與攪拌樁以矩形呈交叉形式布置。路基填料、各地層土體與道砟均采用Mohr-Coulomb彈塑性材料,兩種樁體則采用彈性材料,樁土之間的相互作用采用基于Coulomb摩擦理論的Goodman單元進行模擬,各地層與樁體計算參數見表6。計算過程中,參照實際施工過程,擬定單元在計算過程中的激活和鈍化狀態,以表征單元施工。

表6 有限元模型材料參數

3.2 計算結果分析

復合地基表面沉降沿橫向水平分布曲線見圖8。分析圖中曲線可知,不同樁間距工況下沉降曲線的分布形式與天然地基類似,最大沉降均發生在路基中心處,并以路基中線為對稱軸向兩側呈非線性趨勢逐漸減小,沉降變形范圍主要集中在兩側坡腳外側10m范圍內。

圖8 地基表面沿橫斷面的沉降曲線

計算工況中2號與現場實際施工方案一致,故對比2號工況的計算結果與現場監測數據,以驗證有限元模型的正確性。對比發現施工結束時,地基表面沉降計算值與現場實際測試值分別為6.82cm和6.50cm,兩者相差4.7%,可見模型合理。

各種加固方案中,復合地基各關鍵部位沉降計算結果見表7。

表7 各豎向位移指標匯總

由表7可知,所有布樁方案均可顯著減小地基沉降,而且隨著樁間距的增加,地基的沉降位移隨之增加,天然地基最大沉降為24.275cm,隨著樁間距的增加,最大沉降從9.997cm增加到13.482cm。樁體兩端的樁土相對位移隨著樁間距的增加而增大。兩種樁型的樁端刺入長度不同,相同樁間距條件下,螺桿樁上、下端刺入長度均顯著大于攪拌樁,前者幾乎超過后者2倍,主要是因為螺桿樁剛度遠超過柔性的攪拌樁,在上部土壓力作用下,前者樁身壓縮變形遠小于后者,表現為刺入長度上的差異。任何樁型上段刺入量均顯著大于下端,主要由于樁頂所在地層為粉質黏土,而樁底地層為細砂層,前者壓縮模量顯著先于后者,在上部土壓力作用下,樁頂樁間土的壓縮變形大于樁底樁間土。

4 結論

通過現場監測試驗與有限元數值計算方法,對重載鐵路軟土地區交叉型剛柔長短組合樁復合地基沉降變形進行研究,結論如下。

(1)采用剛性長樁與柔性短樁組合樁可顯著減小施工后地基沉降,加固效果良好;地基中心沉降在路堤填筑期發展劇烈,并在填筑完成后靜置半年趨于穩定,坡腳隨路基填筑會出現輕微隆起變形;地基中心沉降遠大于邊坡坡腳位置。

(2)不同深度處地基沉降均隨著時間推移而增加,但增加的速率卻隨時間減小;隨深度增加,地基沉降逐漸減小,但衰減梯度隨時間增加,且衰減梯度在豎向上以樁底為折點,長、短樁樁底之間的地層沉降衰減梯度顯著大于其他深度。

(3)長樁加固層壓縮量在填筑期隨時間劇烈增加,接近填筑結束時,逐漸趨于穩定,填筑完成時與靜置半年后,其壓縮量完成比分別達到65%與84%,表明軟土路堤加固設置靜置期十分必要。

(4)地表沉降、樁土相對位移隨樁間距增加均顯著減小,樁體刺入下部持力層長度遠小于樁體上端刺入路基本體度,剛性長樁兩端刺入長度顯著大于柔性短樁。