鐵路客運專線CFG樁復合地基路基穩定性分析

黃大春

1 工程概述

水泥粉煤灰碎石樁(CFG)是在素混凝土樁工藝上發展起來的新型樁體,樁體的材料主要由碎石、砂、粉煤灰與適量水泥和水拌制而成。樁體與樁間土體共同作用,組成CFG樁復合地基[1]。由于該樁體具有施工簡單、加固效果好、節省材料等優點,被廣泛的應用在已經通車運營的京津城際鐵路、武廣客運專線和正在建設中的京滬高速鐵路、津秦鐵路客運專線等工程的路基基地處理中。根據我國《客運專線無砟軌道鐵路設計指南》的規定,路基工后沉降一般不應超過扣件允許的沉降調高量15 mm[2],我國現有的客運專線和高速鐵路規范由于巖土材料性質的復雜性和變異性,巖土工程邊界條件的不確定性及影響因素的眾多,到目前為止還沒有適合于復合地基設計和計算工后沉降的準確方法。本文將通過數值分析技術分析這些因素對復合地基路基沉降影響的程度和規律。

2 CFG樁復合地基對路基穩定性的作用機理

1)樁體作用。由于復合地基中樁體的剛度比周圍土體的剛度大,在剛性基礎下樁土豎向等量變形時,地基中應力按材料的模量進行分配。因此,樁體上產生應力集中現象,大部分荷載將由樁體承擔,樁間土承擔的荷載減小,其應力也相應減小,這就使得復合地基承載力較原地基有所提高,沉降有所減少,隨著樁體剛度增加,其樁體作用更為明顯。2)墊層作用。樁與樁間土復合形成的復合地基,在加固深度范圍內形成復合層,它可起到類似墊層的換土效應,均勻地基應力和增大應力擴散角等作用,在樁體沒有貫穿整個軟弱土層的地基中,墊層的作用尤其明顯。3)加速固結作用。水泥土類和混凝土類樁在某種程度上也可加速地基固結,因為地基固結不但與地基土的排水性能有關,還與地基土的變形特性有關,雖然水泥土類樁會降低地基土的滲透系數,但它同樣會減小地基土的壓縮系數,而且通常后者的減小幅度要較前者大。因此,使加固后水泥土的固結系數大于加固前原地基土的固結系數,同樣可起到加速固結的作用,而且增大樁與樁間土模量對加速地基固結也是有利的。4)加筋作用。復合地基不但提高地基的承載力,而且可用來提高土體的抗剪強度,因而可提高土坡的抗滑能力。這種人工復合的土體可增加地基的穩定性。

3 數值計算分析CFG樁復合地基路基穩定性

3.1 樁長對路基穩定性的影響

3.1.1 樁長對路基側向位移的影響

圖1是在保證其他基本工況不變,分別對樁長為6 m,9 m,10 m,15 m的路基側向位移計算后所繪制的曲線變化圖。

從圖1中可以看出,側向位移最大值出現在距離路基中心線處6 m左右,隨著樁長的增大,這一位置略靠近路基中心線處。隨著樁體長度的增大,路基側向位移呈減小趨勢。

3.1.2 樁長對路基沉降的影響

圖2是在保證其他基本工況不變,分別對樁長為6 m,9 m,10 m,15 m的路基豎向位移計算后所繪制的曲線變化圖。

從圖2中可以看出,隨著樁體長度的增大,路基豎向位移呈減小趨勢,其擬合曲線為:

其中,S為路基豎向位移;l為樁體長度;R2為擬合優度,其值越大說明擬合效果越好,越接近真值。

3.2 樁間距對路基穩定性的影響

3.2.1 樁間距對路基側向位移的影響

圖3是在保證其他基本工況不變,對樁長為8 m,樁間距分別為1.2 m,1.6 m,2.0 m,2.4 m的路基側向位移計算后所繪制的曲線變化圖。

從圖3中可以看出,側向位移最大值出現在距離路基中心線處6 m左右。隨著樁間距的增大,路基側向位移呈增加趨勢。

3.2.2 樁間距對路基沉降的影響

圖4～圖6分別是在保證其他基本工況不變,對樁長為8 m,樁間距分別為1.2 m,1.6 m,2.0 m,2.4 m的路基豎向位移計算后所繪制的路基頂面沉降曲線變化圖、樁頂頂面沉降曲線圖及樁間距與豎向沉降的關系圖。

從圖4～圖6中可以看出,隨著樁體間距的增大,路基頂面豎向位移呈增大趨勢,其擬合關系式為:

其中,D為樁體間距;S為豎向沉降。

不同樁體間距時樁體都出現上刺入和下刺入現象,樁體間距越小,上下刺入現象越顯著,沉降量越大。

4 結語

1)隨著樁體長度的增大,樁頂附加應力略有增大趨勢,而樁底處附加應力增大較明顯,豎向位移呈線性減小趨勢;沿橫斷面方向不同樁體隨著遠離路基中心線距離的增大,樁頂應力略呈減小趨勢,側向位移在距路基中心線6 m處達到最大值。2)隨著樁體間距的增大,樁體附加應力呈明顯增大趨勢,而樁體附加應力改變不明顯,平均樁土應力比呈增大趨勢;隨著樁體間距的減小,樁體的刺入現象變得比較顯著,豎向位移呈線性減小趨勢。

[1]杜永昌.高速與客運專線鐵路施工工藝手冊[M].北京:科學技術文獻出版社,2006.

[2]韓自力.新建時速300-350公里客運專線設計暫行規定[M].北京:中國鐵道出版社,2008.

[3]張兆鋒,裴富穩.淺談CFG樁復合地基施工與組織[J].山西建筑,2009,35(10):73-74.