新舊路基結(jié)合部加固措施的數(shù)值模擬研究

李方東

(中鐵十四局集團(tuán) 第二工程有限公司，山東 泰安 271000)

新舊路基結(jié)合部加固措施的數(shù)值模擬研究

李方東

(中鐵十四局集團(tuán) 第二工程有限公司，山東 泰安 271000)

通過現(xiàn)場監(jiān)測，運用有限元分析的基本原理，采用Adina數(shù)值模擬軟件，分析了不同加固措施對新舊路基結(jié)合部固結(jié)沉降與水平位移的影響。加固前后的計算結(jié)果表明，開挖臺階法較為穩(wěn)固，加筋土路基減小沉降和水平位移效果不明顯，使用輕質(zhì)路基更為經(jīng)濟(jì)有效。可為類似工程提供參考。

加固路基 新舊路基結(jié)合部 有限元 Adina 數(shù)值模擬

由于鐵路的既有線線路標(biāo)準(zhǔn)較低，迂回線、曲線較多，這在很大程度上制約著列車速度的提高。因此需要進(jìn)行鐵路的既有線改造，這就造成新舊路基結(jié)合的問題。在新舊路基結(jié)合的研究方面，陸新民，謝關(guān)云［1］通過采用分析總和法計算最終沉降，用比奧固結(jié)理論計算施工期沉降，并采用基于遺傳算法的反分析方法反算所需參數(shù)。費正華，鄧水明［2］提出了應(yīng)用鄧肯—張非線性模型對路基沉降量進(jìn)行估算的近似算法，并與規(guī)范算法和實測沉降進(jìn)行了對比分析。本文從有限元分析的角度出發(fā)，利用Adina軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，對新老路基拼接地段的沉降規(guī)律進(jìn)行研究。

1 工程簡況

玉山到湖沿段 DK342+480路基為梯形斷面，舊路基寬13 m，新路基寬4 m，坡度為1∶1.5，路基填筑高度為6.6 m。地基大致分為兩層：上層為粉質(zhì)黏土，厚度大約為4 m，下層為卵石土。見圖1。

圖1 新舊路基示意(單位：m)

2 Adina有限元模型的建立

2.1 基本假定

1)在二維平面模型中，填土和路基均采用四節(jié)點平面單元，在三維立體模型中，填土和路基采用八節(jié)點立體單元，材料本構(gòu)采用摩爾—庫侖模型。

2)地基土視為飽和土，考慮為多孔介質(zhì)，路基填土部分，由于其滲流作用對分析影響不大，故不考慮，只將其自重作為外荷載考慮。

3)進(jìn)行固結(jié)計算時采用比奧固結(jié)理論。

4)格柵采用只承受軸向力的桿單元(Trass)，材料為線彈性。

5)Adina中沒有接觸單元，土與格柵的接觸用接觸組來模擬。

6)采用初始應(yīng)力狀態(tài)來模擬舊路基和地基的先期固結(jié)。

2.2 材料強度參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)勘查資料、設(shè)計資料以及工程經(jīng)驗，新舊路基以及地基上下層土體的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 物理力學(xué)參數(shù)

2.3 有限元模型

由于地基是半無限空間，在有限元計算中要取一定的范圍進(jìn)行計算，在本計算模型中，取地基的計算寬度為100 m，地基計算深度取為20 m。模型的左右邊界均為橫向的固定約束，沒有水平位移，模型的下面邊界為橫向和豎向約束，沒有水平和豎直位移。其余均為透水邊界。新舊路基結(jié)合良好，沒有滑動位移。有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元模型及其邊界條件

3 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

對玉山到湖沿段DK342+480斷面新舊路基結(jié)合處，未采取處治措施及采取三種處治措施分別進(jìn)行數(shù)值模擬和結(jié)果分析。

3.1 新舊路基未采取處治措施效果分析

3.1.1 新舊路基沉降變化云圖

整個路基與地基的沉降變化情況見圖3。路基最大的沉降發(fā)生在新路基一側(cè)，最大值為7.594 cm，而舊路基一側(cè)位移有較小的上升。

圖3 路基沉降變化云圖(單位：m)

3.1.2 新舊路基頂面的沉降

新舊路基頂面沉降曲線如圖4所示。由曲線可知，新路基的沉降明顯大于舊路基。路基頂面的沉降最大值發(fā)生在新路基的最右端。1 000 d時最大沉降量為5.5 cm。

圖4 路基頂面沉降曲線

同時，曲線也描述了沉降與時間的變化關(guān)系，以新路基右邊頂點為例，5～250 d的沉降量為1.41 cm，750～1 000 d的沉降量為0.24 cm，這說明隨著時間的變化，沉降變化速率逐漸減小，路基的固結(jié)趨于完成。

3.1.3 地基表面的沉降

地基表面在 5，250，750，1 000 d的沉降量如圖 5所示。和路基頂面相似，隨著地基固結(jié)度的不斷增加，地基表面的沉降速率隨著時間的增長而減小，而沉降的最大值發(fā)生在新舊路基結(jié)合處附近。最大沉降量為6.29 cm。

圖5 地基表面沉降曲線

圖6 新舊路基結(jié)合處頂面沉降—時間變化曲線

3.1.4 新舊路基結(jié)合處頂面沉降

新舊路基結(jié)合處頂面沉降—時間變化曲線見圖6。在固結(jié)過程中，在新路基荷載的作用下，孔隙水不斷被排除，地基中孔隙水壓力逐步消散，因此，路基的固結(jié)沉降速率不斷減小。折線斜率在1 000 d時幾乎趨于零，這說明1 000 d后路基的固結(jié)沉降已經(jīng)基本完成。

3.2 新舊路基采取的處治措施

由以上分析可知，沒有采取任何處治措施的情況下，新路基的填筑會引起舊路基的附加變形，產(chǎn)生新舊路基不均勻沉降，會對后期線路的運營造成嚴(yán)重的危害。因此，必須對新舊路基結(jié)合部采取一定的處治措施，提高新舊路基的整體性和穩(wěn)定性，減小不均勻沉降。比較常見的處治措施有：舊路基開挖臺階，加筋土路基，輕質(zhì)路基以及復(fù)合地基等。由于復(fù)合地基造價較高，施工期長，因此在實際施工中不常采用。

1)開挖臺階

在舊路基上開挖臺階，可以提高新舊路基的整體性，有效防止新舊路基之間的滑移，減小不均勻變形。但臺階開挖的尺寸不能過大，過大不但會增加原有路基的開挖量，而且會增加新路基的自重，進(jìn)而引起較大變形。該方法在工程中已經(jīng)有所應(yīng)用，實踐證明效果良好［3］。

2)加筋土路基

利用土工合成材料的高強度、韌性等力學(xué)性能，在新舊路基銜接的臺階處設(shè)置土工格柵，可有效加強新舊路基間的聯(lián)結(jié)，減少不均勻沉降和側(cè)向位移。土工格柵的加固機理存在于土工格柵與路基土的相互作用中。其一，格柵表面與土體產(chǎn)生摩擦;其二，由于網(wǎng)孔的存在，網(wǎng)格上層的填料與下層的填料可以相互作用，對加固材料產(chǎn)生鎖定作用。因此加筋土路基具有較強的摩擦性和一體性［4］。

3)輕質(zhì)路基

輕質(zhì)路基采用輕質(zhì)填料填筑路基，可以提高新路基的強度和穩(wěn)定性，減小新路基本身的壓縮變形以及長期列車荷載作用下引起的路基塑性累積變形。由于其自重輕，也可以減小對老路基和地基的附加壓力，進(jìn)而減小了地基的固結(jié)變形，減小不均勻沉降。常用的輕質(zhì)路基填料有粉煤灰，EPS等。該方法已經(jīng)在工程實踐中得到應(yīng)用，效果良好。

3.3 新舊路基采取處治措施后效果分析

通過有限元計算結(jié)果，分別從路基頂面豎向(水平)位移，地基表面豎向位移以及坡腳水平位移4個方面對3種處治措施的處治效果進(jìn)行對比分析。

3.3.1 新舊路基頂面位移

圖7和圖8是新舊路基在不同處治措施下路基頂面沉降和水平位移對比圖。由圖可知，輕質(zhì)路基較加筋土路基和開挖臺階法改善效果更佳。輕質(zhì)路基將最大豎向位移由7.52 cm變?yōu)?.19 cm。最大水平位移由2.44 cm減小為1.21 cm，較大地減小了新舊路基的不均勻沉降。

圖7 不同處治措施下路基頂面沉降曲線

圖8 不同處治措施下路基頂面水平位移曲線

3.3.2 地基表面沉降

圖9和圖10分別描述了地基表面在不同處治措施下沉降和新路基右側(cè)坡腳處不同深度處的水平位移。由圖可知，加筋土路基和輕質(zhì)路基在豎向和水平位移都比開挖臺階法有所改善，但加筋土路基的改善效果不夠明顯。輕質(zhì)路基將最大豎向位移由8.06 cm變?yōu)?.76 cm;水平位移由1.22 cm減小為0.75 cm，較大地減小了新舊路基的不均勻沉降。

圖9 不同處治措施下地基表面沉降曲線

圖10 新路基右側(cè)坡腳處地基不同深度下水平位移曲線

4 結(jié)論

由以上分析可知，開挖臺階，加筋土路基以及輕質(zhì)路基等3種處治措施都可以有效地減少路基和地基的沉降及水平位移，從而提高路基和地基的承載力和穩(wěn)定性。

1)新舊路基結(jié)合面未采取處治措施時，新舊路基頂面沉降最大值發(fā)生在新路基的最右端。地基表面沉降最大值發(fā)生在新舊路基結(jié)合處附近。

2)開挖臺階對新舊路基結(jié)合處的加固效果較明顯。土工格柵可以提高新舊路基整體穩(wěn)定性。輕質(zhì)路基可使水平位移和豎向沉降都有顯著的減小，在3種處治措施中效果最佳。

3)數(shù)值計算的精度很大程度上依賴于物理力學(xué)參數(shù)的準(zhǔn)確度。本文的參數(shù)主要來自于地質(zhì)勘察資料和室內(nèi)試驗結(jié)果，其準(zhǔn)確性應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行反演分析，這一部分仍有待探討。

［1］陸新民，謝關(guān)云．湖鹽公路改建工程路基沉降計算分析及預(yù)測［J］．浙江交通科技，2003(4)：3-6．

［2］費正華，鄧水明．應(yīng)用鄧肯—張非線性模型近似計算路基沉降［J］．中南公路工程，2001(3)：15-16．

［3］翁翕，賈力宏，張理京．露天采場臺階開挖對公路路基穩(wěn)定性影響的有限元數(shù)值模擬和評價［J］．巖土工程技術(shù)，1998(1)：16-20．

［4］劉勝群，陳玉平．加筋土路基非線性有限元分析研究［J］．鐵道建筑，2006(8)：61-64．

U213.1+5

A

1003-1995(2012)01-0086-03

2011-05-13;

2011-08-31

國家自然科學(xué)基金資助項目(50820135907;50909056)

李方東(1974— )，男，山東東平人，高級工程師。

(責(zé)任審編 葛全紅)