復雜施工環(huán)境下高速鐵路軟土地基漿固碎石樁復合地基加固沉降變形分析

劉漢龍 龍永紅 丁選明

(重慶大學， 重慶 400045)

近年來，我國高速鐵路快速發(fā)展，截至2021年，鐵路營運總里程突破15萬km，其中高速鐵路運營里程突破4萬km。此外，我國疆域版圖遼闊，地形、地質(zhì)條件復雜，軟土地基分布廣泛，考慮到高速列車運行對路基工后沉降的嚴格要求，軟土地區(qū)高速鐵路的地基處理面臨著極大的挑戰(zhàn)。

目前，復合地基法加固軟土地基成效明顯，已在高速鐵路的建設中被大量采用，如PHC樁[1-2]、CFG樁[3-4]、PCC樁[5-6]等。然而，高速鐵路軟基處理中時常面臨復雜施工環(huán)境，如施工場地上方存在高壓電線、高架橋，近接既有線或隧道軟塑基底加固等，此時常規(guī)的施工設備和施工方法無法滿足環(huán)境的嚴苛要求。

漿固碎石樁復合地基技術(shù)是劉漢龍教授等[7-8]針對復雜施工環(huán)境下深厚軟土地基處理難題而研發(fā)的工后沉降控制的新技術(shù)。漿固碎石樁設備由成孔系統(tǒng)、導向系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)等組成。施工時先采用鉆機鉆進成孔，在孔內(nèi)放入注漿管，然后向孔內(nèi)投入骨料，通過注漿管向樁孔內(nèi)的骨料注入漿液，漿液與骨料固結(jié)后成樁，漿液同時滲入到樁周土體中改善土體性質(zhì)[9-11]。漿固碎石樁技術(shù)具有以下優(yōu)點：

(1)傳統(tǒng)的樁基設備高度較高，無法在復雜環(huán)境既有障礙物下施工，而漿固碎石樁的施工設備高度可控制在6 m之內(nèi)；漿固碎石樁填補了復雜環(huán)境下剛性樁復合地基處理技術(shù)的空白。

(2)采用振動施工的樁基和有擠土效應的樁基會對周邊建筑產(chǎn)生影響，而漿固碎石樁無擠土、無振動、無噪音，適用于對施工振動有嚴格要求的工程。

(3)漿固碎石樁通過漿液與骨料固結(jié)成樁，樁身強度高，此外漿液還向樁周土滲透，同時改善了樁周土性質(zhì)和樁土接觸面性質(zhì)，從而顯著提高了樁基承載力。

本文依托商合杭高速鐵路工程，采用PLAXIS 3D軟件建立數(shù)值模型，對鄰近既有鐵路漿固碎石樁復合地基沉降變形特性進行分析，研究成果可為復雜環(huán)境下高速鐵路地基處理提供參考。

1 數(shù)值模型和參數(shù)

1.1 工程概況

商合杭高速鐵路阜陽至杭州段新建工程試驗段(YDK 404+950～YDK 405+340.85)長390.85 m，線路正線為CRTSⅢ型板式無砟軌道。地表水不發(fā)育，水位埋深1.5 m。為減小高速鐵路施工對鄰近既有鐵路的影響，擬采用漿固碎石樁復合地基法對地基進行加固，地基承載力為395 kPa。漿固碎石樁的樁徑為0.5 m，樁長為8～15 m，樁間距為1.6 m，呈正方形布置。墊層由級配碎石和中粗砂組成，具體鋪設工藝為：①先鋪設15 cm厚的級配碎石，經(jīng)機械壓實后鋪設5 cm厚的中粗砂，砂墊層采用機械壓實；②鋪設第一層土工格柵，然后鋪設5 cm厚的中粗砂并機械壓實；③鋪設10 cm的級配碎石并機械壓實，而后頂鋪設5 cm厚的中粗砂，砂墊層采用機械壓實；④鋪設第二層土工格柵，再鋪設5 cm的中粗砂并機械壓實，最后鋪設15 cm厚的級配碎石并機械壓實。墊層總計厚0.6 m。

1.2 典型工況斷面

選取肥東站DK 405+325.62斷面作為數(shù)值模擬的典型工況斷面，現(xiàn)場勘察資料表明，該斷面樁基的持力層位于承載力較高的黏土層之中；漿固碎石樁樁長12 m，路基頂面寬8.6 m，路堤坡度為1∶1.5，路堤填高為5.6 m。路堤填料采用分層填筑法，即在理想的工況條件下，前17 d每天填筑0.3 m，最后1 d填筑0.5 m，路堤填筑施工完成后靜置180 d。

1.3 數(shù)值計算模型

數(shù)值計算采用PLAXIS 3D有限元計算軟件，其用于計算土體滲透固結(jié)的模塊能計算生成穩(wěn)態(tài)孔壓，可對路基在固結(jié)過程中孔隙水壓力的消散過程進行追蹤分析。漿固碎石樁采用線彈性模型，地基土采用Mohr-Coulomb模型模擬。考慮到墊層中的兩層土工格柵形成了加筋墊層，墊層也采用線彈性模型。

考慮到路堤是左右軸對稱的，故僅取半幅地基和路基結(jié)構(gòu)進行模擬，如圖1所示。模型中豎向計算范圍取32.3 m，橫向取26 m。模型X和Y方向施加水平約束，Zmin為固定約束，Zmax不約束。滲流邊界條件：Xmin、Zmin、Zmax為打開，其余邊界均為關(guān)閉。網(wǎng)格選用“中等”類型的劃分方式自動劃分，且對樁體范圍內(nèi)的網(wǎng)格局部加密，如圖2所示。模型包含 34 328個單元和51 255個節(jié)點。

圖1 樁土復合地基橫截面圖(m)

圖2 網(wǎng)格劃分圖

1.4 模型計算參數(shù)

模型中計算的參數(shù)由典型工況斷面的地勘報告和工程資料得到，如表1所示。

表1 模型材料參數(shù)取值表

2 沉降變形計算及分析

對于高速鐵路路堤而言，施工完成后必須保證列車運行時路堤的沉降在合理范圍內(nèi)，即要嚴格控制路堤的工后沉降。因此，必須分析等效列車荷載作用對路堤工后沉降變形的影響。根據(jù)TB 10621-2014《高速鐵路設計規(guī)范》[12]，高速鐵路路基應滿足的工后沉降如表2所示。

表2 路基工后沉降控制標準表

根據(jù)《京滬高速鐵路暫行規(guī)范》，數(shù)值計算中路堤等效列車荷載為54 kN/m2，荷載分布寬度為3.4 m。考慮到列車荷載沖擊對路基沉降變形的影響，需在路堤上方進行土體預壓堆載及卸載，即在路堤上方分5次填筑共2.0 m高的堆載預壓土體，每次填高0.4 m，預壓靜置180 d后卸載，之后再進行路堤上覆作用計算。

2.1 工后沉降分析及樁長的影響

列車荷載作用下，不同的樁長、樁體的沉降曲線如圖3所示，土體的沉降曲線如圖4所示，樁土差異沉降曲線如圖5所示。

圖3 列車荷載作用下樁長不同時樁體的沉降曲線圖

圖4 列車荷載作用下樁長不同時土體的沉降曲線圖

圖5 列車荷載作用下樁長不同時的樁土差異沉降曲線圖

由圖3～圖5可知，在等效列車荷載作用的初期，樁體和土體的工后沉降發(fā)展相對較快，然后增速放緩，之后隨著時間的推移進入穩(wěn)定狀態(tài)。等沉面累計沉降的最大值約為35.68 mm，其中在等效列車荷載作用下的工后沉降值約為2.88 mm，滿足無砟軌道對路基工后沉降的控制要求；樁土差異沉降累計的最大值為 2.60 mm，其中在等效列車荷載作用下的樁土工后差異沉降值為0.22 mm，不會對路堤產(chǎn)生破壞作用。此外，樁越長，路堤下樁土的工后沉降越小，兩者的差異沉降則越大；具體來說，樁長每增加3 m，其值變化幅度分別約為15%、14%、5%。

值得一提的是，依據(jù)規(guī)范路基主體工程設計的使用年限應為100年，然而，有限元計算結(jié)果表明，典型工況在等效列車荷載作用的第2年及以后，工后沉降增加的速率小于 0.000 1 mm/年。這說明路堤的工后沉降在后期增長非常緩慢，因此本文計算結(jié)果僅分析至等效列車荷載作用的第360 d。

2.2 樁徑對工后沉降的影響

列車荷載作用下，樁徑不同時樁體的沉降曲線如圖6所示，土體的沉降曲線如圖7所示，樁土差異沉降曲線如圖8所示。

圖6 列車荷載作用下樁徑不同時樁體的沉降曲線圖

圖7 列車荷載作用下樁徑不同時土體的沉降曲線圖

由圖6～圖8可知，路堤在經(jīng)預壓加載之后，樁徑越大，路堤下樁土的工后沉降及兩者工后差異沉降均越小；具體來講，樁徑每增加0.1m，其值分別減小約2%、4%、15%。

圖8 列車荷載作用下樁徑不同時的樁土差異沉降曲線圖

2.3 土彈性模量對工后沉降的影響

列車荷載作用下，土彈性模量不同時樁體的沉降曲線如圖9所示，土體的沉降曲線如圖10所示，樁土差異沉降曲線如圖11所示。

圖9 列車荷載作用下土彈性模量不同時樁體的沉降曲線圖

圖10 列車荷載作用下土彈性模量不同時土體的沉降曲線圖

圖11 列車荷載作用下土彈性模量不同時的樁土差異沉降曲線圖

由圖9～圖11可知，路堤在經(jīng)預壓加載之后，土的彈性模量越大，路堤下樁土的工后沉降及兩者工后差異沉降均越小；具體來講，土的彈性模量每增加5 MPa，其值分別減小約12%、12%、6%。

3 結(jié)論

本文采用PLAXIS 3D有限元數(shù)值計算軟件，對商合杭高速鐵路漿固碎石樁復合地基加固工程中典型路堤斷面的沉降變形進行了研究，分析了路堤及列車等效荷載對工后沉降變形的影響，研究了樁長、樁徑及模量對路堤沉降特性的影響，得到主要結(jié)論如下：

(1)商合杭高速鐵路典型斷面路堤經(jīng)預壓加載后，在等效列車荷載作用的初期，樁體和土體的工后沉降發(fā)展相對較快，隨后增速放緩，之后隨著時間推移進入穩(wěn)定狀態(tài)。

(2)在其他參數(shù)保持一致的條件下，高速鐵路漿固碎石樁復合地基的樁長每增長3 m，路堤下樁土的工后沉降分別減小約15%、14%，5%；樁徑每增加 0.1 m，路堤下樁土的工后沉降及兩者工后差異沉降分別減小約2%、4%、15%；高速鐵路漿固碎石樁復合地基土的彈性模量每增加5 MPa，路堤下樁土的工后沉降及兩者工后差異沉降分別減小約12%、12%、6%。

(3)漿固碎石樁復合地基技術(shù)施工機械輕便，成樁過程對周圍影響小，適用于處理貼近既有鐵路線等復雜施工環(huán)境，計算結(jié)果表明沉降變形滿足無砟軌道工后沉降要求。