微型樁加固路堤邊坡數值分析

李章珍+趙國棟+董捷+蘇建遙+趙聰

摘 要：該文結合朔黃鐵路某工段微型樁現場試驗實測，利用有限元差分軟件對現場斜向微型樁試驗進行數值模擬，詳細介紹了有限元分析計算過程，分析了其在路堤邊坡加固應用中的工作性能。通過有限元差分軟件對微型樁加固路堤邊坡進行數值模擬，探討了微型樁在豎向附加載荷作用下的工作性能，分析了微型樁的各個參數變化對其加固效果的影響，為工程設計施工提供了理論依據。

關鍵詞：路堤邊坡 路基沉降 微型樁

中圖分類號：TU473.1 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）02（c）-0097-03

隨著我國鐵路、公路投入運營時間的增長，路基體在車輛荷載作用下將發生不同程度的累積變形，當這種以下沉為主的路基累積變形達到一定程度時，就會降低線路的平順性，進而影響列車行駛的舒適性，甚至影響行車安全[1]。因此，既有交通線路的安全運營受到國家鐵路及公路運營部門的高度重視。初步統計，在鐵路、公路既有線路基工程病害中，因路基沉降和路堤邊坡變形帶來的災害占總病害的31%，因路基面坍塌或路基邊坡滑坡引發的病害占總病害的9.2%。軸重的增加會使路基狀態進一步惡化，誘發突然性的路基破壞，造成災難性的后果[2]。

交通運輸行業對道路平順性及安全性要求不斷提高，交通運營部門面臨的病害問題日益嚴重，為修整路基，部分鐵路線路、高速公路常常出現長期限行甚至禁止通行的局面，微型樁以其施工速度快、環保高效（污染小、噪聲低、無揚塵）、對既有線路運營干擾較小等突出優勢，在世界各地工程界治理既有現有線路基體災害、控制路堤邊坡發生過大沉降變形中得到更多的推廣和應用。

微型樁加固結構是20世紀50年代意大利Fernando Lizzi博士為解決戰后重建時困難條件下樁的施工而首次提出并應用。微型樁樁身材料多以水泥土、鋼管、工字鋼、加筋水泥土、鋼筋混凝土為主，可以是垂直或傾斜，或成排或交叉網狀配置，交叉網狀配置的微型樁由于其樁群形如樹根狀，也被稱為樹根樁（Root Pile）[3]。該法于20世紀60年代在日本開始興起，并最早使用單管工作法（簡稱CCP法）[4]。意大利最先在歐洲將高壓旋噴注漿法應用于隧道開挖和掘進領域，并成功應用于臺階法開挖支護工程[5，6]。20世紀60年代中期，微型樁在德國得到普遍應用，我國在20世紀80年代中期開始對其進行研究以及投入使用[3]。1997年，鐵三院率先將微型樁技術應用于重載鐵路擴能改造工程設計中。2008年，朔黃鐵路發展有限責任公司、鐵科院、鐵三院等多家單位對斜向微型樁加固既有重載鐵路病害的機理進行了分析，依托朔黃鐵路既有路基病害治理工程對斜向微型旋噴樁的施工工藝、設計計算方法進行探討，并設計了斜向水泥土微型樁加固路基的室內試驗，探討了斜向水泥上樁的承載特性，采用擬靜力手段初步研究了斜向微型旋噴樁的受力機理[7-11]。

如何更好地提高微型樁的承載性能是微型樁加固技術研究中比較突出的一個問題。該文結合朔黃鐵路某工段微型樁現場試驗實測，利用有限元差分軟件對現場斜向微型樁試驗進行數值模擬，詳細介紹了有限元分析過程及計算結果，分析了其在路堤邊坡加固應用中的工作性能。

1 模型建立

該文采用摩爾-庫倫破壞準則的理想彈塑性模型對微型樁加固路堤邊坡法進行數值模擬，主要研究在30T設計軸重荷載下既有線路基體采用斜向微型樁加固后路基的沉降變形和坡面的水平變形，評價微型樁加固路基的效果，為工程設計施工提供理論上的指導。

依據朔黃線既有路基施工圖標準斷面，路基體高度取8 m，基床表層取0.6 m，基床底層取1.9 m，列車荷載和道砟換算成土柱作用于路基面上。施工于路基邊坡上的埋入式鋼筋混凝土樁擬采用交叉布樁，樁身傾角為30°。樁徑分別采用0.4 m、0.6 m、0.8 m，樁間距為2 m、3 m、4 m、5 m的鋼筋混凝土圓樁。路基體表層、底層、路基本體的物理力學參數取值按照朔黃鐵路現場試驗取樣數據進行分析確定。

通過有限元差分軟件建立微型樁加固模型，并進行網格劃分如圖1所示。

2 數值模擬結果分析

該節主要從不同布樁方案來分析微型樁對路基邊坡的加固作用。通過改變微型樁加固路堤邊坡的關鍵參數進行建模分析，對比加樁前后及不同布樁方案下路基水平位移和豎向位移，對比不同布樁方案微型樁加固路堤邊坡效果，最終給出微型樁加固路堤邊坡方案可行性。

從對比分析結果可以看出，不加樁情況下30T附加荷載作用下路基面最大順勢沉降為15.21 mm，沉降位置在既有線路基體中心，隨著深度增加位移越來越小，路基體兩側坡腳處由于路基體沉降向上拱起約2.35 mm；在附加荷載作用下路基體路肩最大水平位移為2 mm，兩邊坡腳向外產生4 mm水平位移。通過布置傾角30°、長度10 m的微型樁，在列車附加荷載作用下路基面最大順勢沉降變為5 mm，沉降位置在既有線路基體中心，路基體兩側坡腳向上拱起約0.3 mm。路基加固前后路基頂面的最大沉降均在重車線的中心線處。同時路基體上部最大水平位移為0.07 mm，且偏向路基中心。兩邊坡腳向外產生1.2 m水平位移。可以看出斜向微型樁可以較好地約束路基體變形，對抑制路基邊坡體的側向變形有一定的效果；能夠較好地約束邊坡水平位移，在樁體上部的效果更加明顯。

通過改變微型樁間距、樁徑等參數，采用不同布樁方案進行加固時，路基體變形如圖2至圖5所示。

通過圖2、圖3，可以看出微型樁樁距對限制路基體變形有明顯影響，隨著微型樁間距的減小，路基頂面沉降和坡腳拱起逐漸減小，當到2 m后影響不顯著。樁距不變時樁徑越大加固效果越好。

通過圖4、圖5可以看出，樁間距越小或者樁徑越大能更好地限制路基邊坡水平方向變形。布樁方式采用樁距2 m、樁徑0.4 m時對路堤邊坡加固效果較好，且較經濟。通過改變微型樁長度、樁身傾角（圖6、圖7），研究結果如下。

研究表明，樁體傾角對微型樁加固效果沒有顯著影響，當樁長從10 m到12 m時，路基體變形明顯減小，隨著樁長的繼續增加路基體變形沒有明顯變化。

3 結論與展望

通過對比數值模擬結果，可以得出以下結論。

（1）路基體加固前后路基頂面的最大沉降均在重車線的中心線處，且邊坡坡腳在路基體壓力作用下產生向上拱起。

（2）斜向微型樁加固路基對于控制路基頂面沉降和坡面水平位移效果明顯，微型樁在路基體中與土體形成一種復合路基，相當于在路基體兩側加入了一硬殼層，較好地約束了路基體變形，降低了路基頂面的沉降，有效地約束了路基的整體變形。

（3）采用相對密集且截面較小的樁進行加固時比其他布樁方案加固的效果好，樁身傾角改變對限制路基體變形的影響不明顯。因此，采用樁距2 m、樁徑0.4 m、樁長12 m時加固效果較好且比較經濟。

目前微型樁加固路堤邊坡處于工程實踐先于理論研究的狀態，往往先有工程實踐而后再進行理論分析，在工程設計施工中主要憑借經驗，工程的安全性、可靠性和經濟性得不到保障，關于微型樁設計深度、布置傾角等設計參數的合理取值還沒有一個可靠成熟的設計方法。

無論鐵路或公路，交通荷載均為典型激勵荷載。現有微型樁加固往往基于靜力研究，通過把列車荷載轉化為土柱作用在路基體，交通荷載作用下路堤邊坡內微型樁的動力特性分析研究成果較少。當前針對交通荷載作用下微型樁加固路堤邊坡的整體動力特性研究尚處于起步階段，急需開展相關的研究工作。

參考文獻

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