軟土地基處理中換填厚度的優(yōu)化研究

李 歡，陳 磊，安海平，趙振杰，呂曉杰

(1.天津城市建設(shè)學(xué)院 土木工程系，天津300384;2.中鐵六局集團天津鐵路建設(shè)有限公司，天津300232)

為滿足高速鐵路的安全性、平穩(wěn)性、舒適性的要求，鋪設(shè)軌道的地基應(yīng)具有強度高、剛度大、穩(wěn)定性和耐久性好等特點。高速鐵路地基的設(shè)計比普通公路更嚴格，主要體現(xiàn)在沉降控制上。高速鐵路除滿足強度要求外，還要求嚴格控制地基的沉降，對于軟土地基而言，這點顯得尤為重要［1－7]。本文結(jié)合天津薊港鐵路北塘西至東大沽段工程，提出了一種新方法來控制軟地基的沉降，即換填泡沫輕質(zhì)土，并運用大型有限元軟件ANSYS對換填泡沫輕質(zhì)土地基進行模擬計算。首先建立了換填輕質(zhì)泡沫土復(fù)合地基的沉降模型，采用彈塑性土體本構(gòu)模型，使用有限單元法研究在列車荷載作用下?lián)Q填泡沫混凝土復(fù)合地基的位移沉降量，并用ANSYS模擬不同厚度泡沫輕質(zhì)土換填下的位移沉降量，通過比較，在符合國家規(guī)范的前提下，采用最經(jīng)濟合理的換填高度。

1 工程背景概況

天津薊港鐵路北塘西至東大沽擴能改造工程位于渤海灣西岸天津港附近。路線所經(jīng)地區(qū)為沖海積平原，即為軟土地基，在與既有線并行增建二線地段，為減少既有線變形、確保運營安全，地基采用水泥攪拌樁。樁長15 m，樁徑500 mm，樁間距1.2 m。圖1為樁的布置圖。

在中心里程DK62+488.87處下穿一條中航油輸油管道，管徑Φ329.9 mm，與新建線夾角60°，埋深約13 m(見圖1)。此處路基填高僅有1 m，原設(shè)計基底處理為采用1 m－4 m鋼筋混凝土蓋板箱涵，基礎(chǔ)為鉆孔樁基礎(chǔ)。為確保鉆孔樁施工不影響管線安全，施工前需準確定位管線的位置。由于受周邊高壓線干擾，無法使用探測設(shè)備探測出管線準確位置，因此我們采用換填方式加固地基基礎(chǔ)。本段路基基底淤泥質(zhì)土深厚，采用傳統(tǒng)換填方式后沉降很大，不能保證管線的安全，所以該工程決定采用新型材料泡沫輕質(zhì)土換填，利用泡沫輕質(zhì)土的輕質(zhì)性、高強性、高流動性等特點來增加路基穩(wěn)定性，進而保證中航油管道的安全。

2 有限元模型的建立

2.1 有限元分析的簡化處理

為了在有限元分析中使問題簡化又能反映問題的主要特征，做以下幾點假設(shè):(1)假設(shè)泡沫輕質(zhì)土是線彈性的，即符合廣義胡克定律。(2)假設(shè)土是理想彈塑的，彈塑性模型能較好地反映土的非線性特征。(3)假設(shè)土和泡沫輕質(zhì)土各項同性，都是均質(zhì)的。(4)不考慮土體的初始應(yīng)力狀態(tài)和施工所引起的初始位移場和初始應(yīng)力場［2]。

2.2 土體的本構(gòu)模型

土屬于顆粒狀材料，受剪時顆粒會膨脹，而且土體的受拉屈服強度遠小于受壓屈服強度，所以，平時常用的VonMises屈服準則已經(jīng)不適用了。土力學(xué)中常用的屈服準則有Mahr－oculomb準則和Durkcer－Prgaer屈服準則。其中Durkcer－Prgaer屈服準則能更準確地描述土體，簡稱為DP材料。本文采用基于彈塑性增量理論的本構(gòu)模型－Drucker－Prager模型來模擬土體。在土壤的有限元分析中，采用DP材料可得到較為精確的結(jié)果。

D－P模型是在考慮靜水壓力的廣義Mises屈服準則或D－P屈服準則的基礎(chǔ)上建立起來的，因此也稱廣義Mises模型。它是對Mahr－coulomb準則的近似，用來修正VonMises屈服準則。它的屈服面并不隨材料的屈服而改變，因而沒有強化準則，但它的屈服強度卻隨著側(cè)限壓力(靜水壓力)的增加而相應(yīng)增加，其塑性行為被假定為理想彈塑性。在ANSYS軟件DP材料選項的數(shù)據(jù)表中，要輸入3個值:粘聚力C、內(nèi)摩擦角Ф、膨脹角，其中膨脹角是用來控制體積膨脹大小的。如果膨脹角為0，則不會發(fā)生體積膨脹;如果膨脹角等于內(nèi)摩擦角，在材料中則會發(fā)生嚴重的體積膨脹［2]。土體的屈服準則采用D－P屈服準則，它的數(shù)學(xué)表達式為

最后屈服準則的表達式為

對于DP材料，當材料參數(shù)β和σy給定后，屈服面為一圓錐面，次圓錐面是六角形的摩爾－庫侖屈服面的外切錐面。

2.3 材料的選擇及所用參數(shù)

第一層:粉質(zhì)粘土，黃褐色，軟塑;第二層:黏土，黃褐色，軟塑;第三層:淤泥粉質(zhì)粘土，褐灰色，流塑;第四層:粉土，灰色，潮濕，中密;第五層:淤泥粉質(zhì)粘土，褐灰色，流塑;第六層:粉土，灰色，潮濕，中密。表1給出了不同土層的材料參數(shù)。

泡沫輕質(zhì)土:根據(jù)實驗的泡沫混凝土試件(100×100×100)在標準條件下養(yǎng)護得到的抗壓強度值是1.8 N/mm2，根據(jù)相關(guān)公式可得泡沫混凝土的彈性模量E=4.45 GP。列車荷載:采用鐵路中荷載，將荷載轉(zhuǎn)化為面荷載加在模型上。

表1 不同土層的材料參數(shù)Tab.1 Table of material parameters of the different soil horizon

2.4 建立模型

土體和泡沫混凝土都用SOLID45實體單元模擬，此單元用于仿真3D實體結(jié)構(gòu)，該單元由8個節(jié)點組合而成，具有塑性、膨脹、應(yīng)力強化、大變形和大應(yīng)變的特征，單元變形滿足幾何連續(xù)性。網(wǎng)格劃分時在應(yīng)力相對集中的地方相對劃的較細，在靠近邊界的地方網(wǎng)格劃得相對較粗，形成單元劃分由細到粗過度的網(wǎng)格形狀。除了上表面外，其它的幾個邊界面都要約束:下表面為固定約束，周圍四個面要約束水平面上兩個方向的位移，使其可以上下移動，即在周邊取豎向滑動支座。模型及網(wǎng)格劃分見圖2。

3 計算結(jié)果與分析

在列車荷載作用下，為了研究換填泡沫輕質(zhì)土復(fù)合地基在不同的換填高度下位移沉降量的變化情況，對不同換填高度的計算模型進行了有限元計算。圖3－圖10表示復(fù)合地基在0.5 m、1 m、2 m、2.5 m、3 m、4 m、5 m、7 m 共8 種不同換填高度下的位移沉降變化曲線。

從圖3－圖10可以看出:當泡沫混凝土的換填高度為 0.5、1、2、3 時，位移沉降量從 2.113 cm下降到1.370 cm，沉降變化很大，而當換填高度大于3 m時(從3m－7m)，位移沉降量幾乎保持不變，都約為1.3 cm，即泡沫混凝土的高度增加4 m，位移沉降只減少了0.05 cm。從經(jīng)濟角度考慮，泡沫混凝土的換填高度取3 m即可。

4 結(jié)論

1)天津薊港鐵路泡沫混凝土換填高度取3m的地基沉降是滿足國家規(guī)范的，換填高度為3m時位移沉降已基本穩(wěn)定，所以，從經(jīng)濟角度考慮，取3m也是最合適的。

2)借助有限元理論，用ANSYS軟件可以計算高速鐵路地基的沉降量，并能得到比較精確的符合工程實際結(jié)果，這說明用ANSYS軟件計算高速鐵路地基的沉降量完全可行。

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