太中線K 1588+000-300段填方路堤沉降分析及整治設(shè)計

蔡　磊

（蘭州鐵路局工務(wù)處，甘肅蘭州730000）

太中線K 1588+000-300段填方路堤沉降分析及整治設(shè)計

蔡磊

（蘭州鐵路局工務(wù)處，甘肅蘭州730000）

摘要：以運營鐵路太中線K1588+000-300段溝槽內(nèi)填方路基下沉外擠病害為研究對象，通過對該段路基處所的地形地貌、路基填料、地下水、變形特征進行綜合分析，找出其病害成因，并結(jié)合目前既有運營鐵路路基下沉外擠的加固方法，提出利用高壓旋噴樁加固的方案，考慮既有線高壓旋噴樁較少使用及經(jīng)驗理論缺乏的實際情況，采用有限元軟件plaxis建立理論模型分析，給出影響高壓旋噴樁加固效果的關(guān)鍵參數(shù)，計算分析旋噴樁不同施做角度對加固效果的影響，得出經(jīng)濟合理的加固方案，為同類鐵路路基下沉外擠病害加固整治提供參考。

關(guān)鍵詞：高壓旋噴樁；下沉外擠；有限元；加固設(shè)計

DOI10.3969/j.issn.1672-6375.2016.03.017

太中線靈武市東寧鎮(zhèn)境內(nèi)K1588+000-300段為一溝槽內(nèi)填方路段，填方高度6～17 m，其中K1588+000-200段為兩級邊坡，上、下級邊坡坡率為1∶1.5和1∶1.75，邊坡均采用拱形骨架護坡。自開通以該段路基下沉外擠明顯，總沉降量最大達50 cm，致使路肩被道砟覆蓋，路堤坡面拱形骨架出現(xiàn)拱起、開裂變形，且觀測到的路肩面沉降值不收斂，尤其在枯水期沉降量較大。沉降導致線路幾何尺寸變化大，目前長期限速80 km/h，對行車安全及行車秩序干擾極大，因此分析其沉降原因及制定合理的整治方案尤為重要。

1　沉降病害原因及特征分析

K1588+000-300段300 m路基沉降量不盡相同，其中路基K1588+000-050、K1588+200-300段沉降量較小，K1588+050-200段路基沉降較大，最大沉降量達50 cm。結(jié)合地質(zhì)勘察，綜合分析路基沉降原因主要有以下幾個方面：

1.1地形地貌

該段填方路基右側(cè)280 m處為鴨子蕩水庫壩址，壩址至路基之間為一低洼地形，填方路基位于該區(qū)域最低區(qū)域，降雨、水庫滲流等直接在此低洼區(qū)域匯集，這為地下水入滲創(chuàng)造了地形條件。

1.2路基填料

本路基填料組成主要是頂部和底部的圓礫土組成，分布連續(xù)，其中頂部圓礫土厚度6～7 m；底部圓礫夾碎石組成，厚度約2～4 m，碎石含量約20%，中密，透水性好；兩層圓礫土中間分布有一層粉質(zhì)粘土，約含10%圓礫，厚度密實，相對隔水。路基填方底部分布一層厚度1～2 m沖積的粉土，成分均一，含水量在K1588+050-200段含水相對較高，該段路基中填料、原地面各層間的滲透性差異較大，這為路基沉降創(chuàng)造了介質(zhì)條件。

1.3地下水

受上游水庫滲流影響，該段路基地下水位上升，水充滿土的孔隙，土中顆粒即失去由毛細管吸力或弱結(jié)合水所形成的表觀凝聚力，導致土質(zhì)軟化，土的壓縮性增大，由粘聚力及產(chǎn)生的承載力下降。地下水位上升的靜水力所產(chǎn)生浮力雖然不直接破壞土體，但可使土的有效重度減輕，降低土體抵抗破壞的能力及由土自重產(chǎn)生的承載力，使地基土的強度降低，壓縮性增大；地下水位下降，增加了土的自重應(yīng)力，使地基土的有效應(yīng)力增加，同時，易使基礎(chǔ)周圍天然土體形成大孔隙的松散結(jié)構(gòu)。在由基礎(chǔ)荷載產(chǎn)生的剪應(yīng)力作用下，土體隨時間增長，發(fā)生緩慢而長期的剪切變形，導致抗剪強度的衰減，承載能力下降，基礎(chǔ)的沉降增大。由于受季節(jié)性水位的交替變化，導致路基出現(xiàn)在枯水期出現(xiàn)較明顯的沉降變形，這與路基變形的時間相吻合。

1.4變形特征

K1588+050-200段左右兩側(cè)在高程1 493～1 494 m一線拱形骨架出現(xiàn)鼓脹，分布連續(xù)；K1588+050處涵洞頂部一級平臺出現(xiàn)鼓脹裂縫，裂縫寬度約2～3 cm，可見長度3 m；K1588+200處平行涵洞產(chǎn)生一條橫切路基的裂縫，裂縫寬度1～3 cm，延伸長度約50 m，漿砌片石砌筑路肩后出現(xiàn)新的變形說明此裂縫在一直處于活動狀態(tài)，路基處于持續(xù)性沉降變形，且路基沉降在不同季節(jié)、不同路段其沉降量和沉降頻率不盡相同，春融季節(jié)、雨季起道頻繁，這說明隨著路基含水量的差異變化，路基出現(xiàn)不同的沉降；另外K1588+000-300段的最大沉降區(qū)域位于填方路基較高區(qū)域（原始地形較低），該區(qū)域地形低洼，地下水容易匯集，從而影響路基的穩(wěn)定性。

根據(jù)以上分析，K1588+000-050、K1588+200-300變形較小，這主要是兩側(cè)地形相對較高，路基右側(cè)的洼地積水對路基底部的粉土影響較小，主要變形是路基填料中的粉質(zhì)粘土造成，變形層較薄；K1588+000-300段由于路基填料中相對隔水的粉質(zhì)粘土和路基底部粉土的透水性較強，變形層較厚，造成變形較大。從太中線開通以來路基一直處于沉降變形狀態(tài)分析，整個路基若不進行增加承載力的措施，路基在車輛荷載的作用下一直處于沉降變形，累計變形越來越大，若提高車速，沉降變形將進一步加大。

2　整治方案

在既有線上治理路基或高路堤沉降病害，由于不能中斷正常行車，常用的方法有注漿加固及懸噴樁加固等方案，結(jié)合該段路基粉土層含水飽和的現(xiàn)狀，結(jié)合注漿技術(shù)加固路基的作用機理主要為水泥漿液以一定的壓力注入土體后填充土體中的空隙，使原土體的滲透系數(shù)降低，提高土體的整體性，從而達到加固土體的特性，該技術(shù)在加固水飽和土體時，由于土體間空隙充滿飽和水，注漿液不易完全占據(jù)土體中空隙，加固效果難以保證，因此加固方案最終確定為懸噴樁加固方案。

3　加固設(shè)計

3.1設(shè)計模型

加固設(shè)計路堤土體的置換率按照20%考慮，借鑒《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB50007-2011）規(guī)定，設(shè)計地基壓力擴散角取30°。旋噴樁設(shè)計采用在路堤兩側(cè)四排高壓旋噴樁，樁徑采用800 mm，沿線路單側(cè)樁樁間距1.5 m，雙側(cè)交錯布置。引孔位置距鐵軌高度左側(cè)5.65 m、右側(cè)5.14 m，第一排至第四排（由內(nèi)測至外側(cè)）旋噴樁樁長分別為20m、20m、14m、11m，樁徑800mm。路基加固數(shù)值模擬采用二維有限元軟件plaxis進行分析，結(jié)構(gòu)單元選取15-節(jié)點單元；工況三個分析步，依次為路基固結(jié)分析、旋噴樁施工、加載。模型如下：

圖1　單元關(guān)聯(lián)圖

3.2結(jié)果比較

高壓旋噴樁加固的效果，取決于樁與地基形成的復合結(jié)構(gòu)的強度，其強度主要與旋噴樁角度及樁對土體的置換率有關(guān)，根據(jù)該處的實際情況，旋噴樁采用雙側(cè)四排方案，對旋噴樁角度的適宜性選用了三組模型，角度（最上一排于水平面夾角，樁與樁間夾角按10°控制）為15°、25°、35°三種形式進行討論，得出道砟頂面左側(cè)（A點）、中部（B點）、右側(cè)（C點）三個點的變形參數(shù)見表1。

表1　坐標及位移值

由計算結(jié)果可以得出路基的中點沉降最大，左側(cè)點其次，右側(cè)點最小。其中旋噴樁角度25°時（四根旋噴樁與水平向夾角分別為25°、35°、45°、55°），整個路基沉降量最小，旋噴樁加固效果最為明顯，其變形均在鐵路路基沉降允許范圍20 cm之內(nèi)，能起到很好的加固效果，保證路基的最終穩(wěn)定。

4　結(jié)束語

地下水影響的運營路基下沉病害，對鐵路運營安全及秩序影響較大，如何利用高壓旋噴樁這一施工技術(shù)加固路基需要不斷的探索，其理論分析極其重要，結(jié)合目前有限元理論的發(fā)展，采用有線元的原理進行分析為旋噴樁加固提供了基礎(chǔ)，避免了現(xiàn)場施做靠經(jīng)驗的盲目性，對優(yōu)化高壓旋噴樁加固的效果具有決定意義，對同類鐵路、公路路基下沉加固分析及方案制定具有一定的借鑒價值。

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中圖分類號：U213.1

文獻標識碼：A

收稿日期：2016-1-12

作者簡介：蔡磊（1979-），男，漢族，河南通許人，碩士研究生，工程師，主要從事橋隧、路基工程養(yǎng)護管理工作。