濱海軟土地區(qū)隔離樁用于控制側(cè)向堆載引起的鐵路路基位移的研究

楊 生，曹 洋，張二望

(福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福建福州 350116)

軟土的力學(xué)性能低于其他類型土，荷載作用下將產(chǎn)生不同程度的變形[1-4]，而采用加固土體或隔離方式降低建(構(gòu))筑物周圍軟土地層的位移已成為目前較常用的手段。已有學(xué)者從不同角度探索各類減小軟土地層變形的方法，并取得了一定的成果。竺明星等[5]通過室內(nèi)試驗研究了隔離樁樁長、樁徑、樁間距和位置等因素對隔離效果的影響；劉毓氚等[6]利用PLAXIS軟件分析采用隔離樁與加固處理相結(jié)合的治理措施減少超載導(dǎo)致臨近建筑物變形的有效性；葉觀寶等[7]利用PLAXIS二維有限元軟件結(jié)合工程實例，分析采用排水固結(jié)、長板-短樁和水泥攪拌樁3種軟基處理方法下軟土變形特性；王劍文[8]利用Geostudio有限元軟件分析了堆載高度、堆載面寬度對臨近橋梁樁基的影響以及換填土、隔離樁和換填土-隔離樁3種加固措施控制樁基位移和受力的情況；楊敏等[9]分析了水泥攪拌樁主動加固下超載軟土地基對臨近樁基的作用；劉寶龍[10]分析了在盾構(gòu)臨近鐵路橋梁時，隔離樁加固對鐵路橋梁橋墩變形的影響；翟杰群等[11]分析了隔離樁在軟土地層中深基坑開挖對相鄰建筑的保護(hù)作用。

目前許多學(xué)者對土體側(cè)向位移作用下被動樁的受力特性展開了深入的研究，部分學(xué)者甚至考慮了樁頂存在豎向荷載的被動樁受力特性[12-14]，但在臨近堆載作用下對深厚軟土位移特性及樁土之間相互作用方面研究較少。軟土結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，導(dǎo)致堆載作用下深厚軟土側(cè)向位移用理論、數(shù)值方法很難準(zhǔn)確計算。沿海地區(qū)鐵路運輸迅速發(fā)展，大量深厚軟土樁網(wǎng)鐵路路基不斷出現(xiàn)，同時路基側(cè)向的堆載工程也日益普遍，而關(guān)于大面積堆載對臨近已加固軟土地層樁網(wǎng)鐵路路基影響研究較少。本文依托福州可門港大橋貨場擴建工程，研究堆載對橋梁樁基、路基的影響，利用FLAC 3D軟件建立有限元模型分析大面積側(cè)向堆載作用下已加固的鐵路濱海軟土路基的變形特性，以及采用單排、雙排隔離樁對減小路基變形的效果，以期為相似工程設(shè)計提供參考。

1 工程概況及數(shù)值模擬

1.1 工程概況

福州可門港鐵路支線(秀堡站—港灣站)DK15+406—DK16+850正線，位于東南濱海軟弱土層地區(qū)，建設(shè)場地地貌為沖海積平原，地層分布由上到下分別為填砂、淤泥、粉黏土、強風(fēng)化花崗巖、弱風(fēng)化花崗巖。其具體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

該鐵路路基段軟基設(shè)計采用水泥攪拌樁加固處理，加固區(qū)水泥土強度按照樁土相對面積對樁身強度進(jìn)行折減確定[9]，水泥土彈性模量Ee計算式為

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

式中:Ep為水泥攪拌樁的彈性模量，取160 MPa；Es為樁間土體壓縮模量，取2 MPa；S為水泥攪拌樁的截面面積；L為水泥攪拌樁的中心距，取1 m。

黏聚力和內(nèi)摩擦角根據(jù)《地基處理手冊(第3版)》分別近似取路基土體的10倍和2倍。攪拌樁加固區(qū)水泥土物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 攪拌樁加固區(qū)水泥土物理力學(xué)參數(shù)

1.2 模型建立與計算工況

考慮到路基軸向長度遠(yuǎn)大于橫斷面尺寸，近似認(rèn)為路基屬于平面應(yīng)變問題，因此選取一段典型路基進(jìn)行模擬，計算模型如圖1所示。

圖1 計算模型示意

貨場地面設(shè)計高程7.6 m，堆載體一側(cè)緊挨鐵路路基，路基填土高6 m，路基邊坡1∶1.5，下側(cè)加固土體可以通過調(diào)整土層參數(shù)進(jìn)行簡化模擬[5]?？紤]到堆載過程中存在一定沉降，對于8 m計算厚度，可分3級堆載，堆載高度分別為3，3，2 m。同時為分析堆載寬度對路基的影響，每級堆載由路基向外分2次進(jìn)行，每次堆載寬度40 m，堆載體臨空面坡度為1∶2.5。取試驗現(xiàn)場中路基頂面距堆載較近且具有代表性的點A作為計算點，A點鉛垂線作為計算斷面。

基于Mohr-Coulomb模型，運用FLAC 3D軟件參照實際工程建立有限元模型。模型尺寸為220 m×20 m×50 m，底部約束豎向位移，四周約束法向位移，頂部自由。不同填土的物理力學(xué)參數(shù)見表3。

表3 不同填土的物理力學(xué)參數(shù)

1.3 隔離樁模擬

采用鉆孔灌注樁作為隔離方案，利用FLAC 3D提供的樁單元進(jìn)行模擬，樁頂冠梁用梁單元模擬，假設(shè)灌注樁和冠梁均為完全彈性體且設(shè)置為剛性連接。結(jié)構(gòu)單元截面與材料特性見表4，樁土接觸面參數(shù)見表5。

表4 結(jié)構(gòu)單元截面與材料特性

表5 灌注樁與土體接觸面參數(shù)

2 計算結(jié)果分析

2.1 未施作隔離樁

在未采取治理措施的場地上進(jìn)行堆載，不同堆載工況下計算斷面處的土體側(cè)向位移隨深度變化曲線見圖2。

由圖2可知，計算斷面土體側(cè)向位移沿深度方向大致可以分成3段。在粉質(zhì)黏土層范圍內(nèi)側(cè)向位移較小，不同工況下差別不明顯；淤泥底面-25 m深度處至加固層底面-10 m深度處，土體側(cè)向位移呈線性增加，由于-25～-10 m內(nèi)土層未加固，側(cè)向位移線性增長趨勢較為明顯。淤泥加固區(qū)范圍內(nèi)土體沿深度方向整體側(cè)向位移，無明顯變化。在不同堆載工況下，土體側(cè)向位移曲線形狀基本相同，但隨著堆載的進(jìn)行，堆載荷載的增加，側(cè)向位移有明顯增大。

圖2 堆載后路基中心土體側(cè)向位移曲線

現(xiàn)場堆載后路基中心土體側(cè)向位移實測曲線見圖3?？芍?，在未采取治理措施的情況下進(jìn)行貨場堆載將使路基出現(xiàn)較大側(cè)向位移，且模型計算的路基側(cè)向位移曲線變化趨勢與現(xiàn)場實測曲線大致相同，證明了模型建立是合理的。為防止路基側(cè)向位移過大，有必要采取控制措施。

圖3 現(xiàn)場堆載后路基中心土體側(cè)向位移實測曲線

2.2 單排隔離樁

隔離樁是利用樁身強度承受土體傳導(dǎo)的大部分荷載，對鄰近建筑物起到保護(hù)作用。本節(jié)探討單排鉆孔灌注樁對鐵路路基位移的影響，灌注樁與路基坡腳距離2 m，樁徑1.25 m，樁中心距取2倍樁徑，樁嵌入弱風(fēng)化花崗巖5 m。單排灌注樁立面布置參見圖1(a)。

在考慮隔離樁防護(hù)作用下，得到不同堆載高度時計算斷面處土體側(cè)向位移隨深度變化曲線見圖4?？芍?，隔離前后土體側(cè)向位移曲線形狀大致相同，在各級堆載下隔離后的土體側(cè)向位移數(shù)值較未隔離的土體側(cè)向位移均有一定減少，即當(dāng)堆載高度為3，6，8 m時，單排樁隔離前后表面計算點側(cè)向位移分別由40，87，124 mm降至 28，72，102 mm，減少率分別達(dá)到 30%、19.5%，17.7%。另外，從各堆載高度對應(yīng)的位移減小率可以看出，隨著堆載高度的增加，單排樁隔離效果有所減弱，因此對于外部過大堆載，需采用更為有效的措施控制地層位移。

圖4 隔離前后計算斷面土體側(cè)向位移曲線

各級堆載作用引起的樁身側(cè)向位移關(guān)系曲線見圖5?？芍?，隔離樁嵌巖段側(cè)向位移近似為零，淤泥層的樁身位移隨深度減少逐漸增加，在樁頂側(cè)向位移達(dá)到最大值。各級堆載作用下樁身位移分布大致相同，隨堆載高度的增加樁頂位移有較大的增加，第三級堆載完成時樁頂最大位移達(dá)到137 mm。

圖5 不同堆載工況下樁身側(cè)向位移曲線

在各級堆載作用下單排樁樁身最大彎矩的變化見圖6。可知，隨著堆載體的增高，單排樁樁身彎矩有較大的增加，當(dāng)堆載全部完成時，樁身最大正彎矩為2 382 kN·m，最大負(fù)彎矩為-1 555 kN·m，均不超過單排灌注樁的設(shè)計彎矩。

圖6 各工況下單排樁樁身最大彎矩

2.3 雙排矩形隔離樁

雙排隔離樁結(jié)構(gòu)為2排相互平行的鉆孔灌注樁和樁頂剛性冠梁組成的空間超靜定結(jié)構(gòu)，因此具有整體剛度大的特點。同時前后排樁端阻力、側(cè)摩阻力和樁側(cè)土壓力形成一對力偶減小排樁側(cè)向位移，使雙排樁具有良好的隔離效果。采用矩形布置的雙排鉆孔灌注樁后排樁距鐵路路基坡腳1.25 m，前排樁距坡腳5 m，雙排灌注樁立面布置參見圖1(a)。鉆孔灌注樁直徑1.25 m，底部嵌入弱風(fēng)化花崗巖5 m。同一排鉆孔灌注樁中心距為2倍樁徑，前后排樁中心距為3倍樁徑。鉆孔灌注樁和樁頂冠梁截面特性以及材料參數(shù)參見表 4、表 5。

雙排樁隔離前后計算斷面土體側(cè)向位移曲線見圖7。可知，由于深厚軟土層中隔離樁柔度較大，軟土側(cè)向擠壓將導(dǎo)致隔離樁出現(xiàn)明顯側(cè)向位移，因此采用雙排隔離樁治理路基仍然存在一定側(cè)向位移。隔離前后計算斷面土體側(cè)向位移曲線形狀大致相同，但數(shù)值上有顯著減小，主要由于雙排隔離樁樁頂冠梁剛性連接而樁端嵌固，前后排樁形成一個剛度較大的整體，其轉(zhuǎn)動慣量大，水平抗彎能力較單排樁有顯著提高。當(dāng)堆載高度為3，6，8 m時，在施作雙排隔離樁之后表面計算點位移分別為8，31，46 mm，相對隔離前分別減小80%，64%，62%。同樣隨著堆載高度的增加，雙排隔離樁的隔離效果逐漸降低。

圖7 不同堆載高度計算斷面土體側(cè)向位移曲線

不同堆載厚度下前后排隔離樁樁身側(cè)向位移曲線見圖8。可知，樁側(cè)填土厚度較小時，前排樁樁身側(cè)向位移曲線呈弓型；隨著樁身側(cè)向位移進(jìn)一步增大，冠梁對樁頂位移減小作用有限，樁身側(cè)向位移曲線呈開口型。樁身側(cè)向位移隨堆載厚度的增加有較大增長，堆載高度8 m時樁頂側(cè)向位移達(dá)到59 mm。前排樁在樁側(cè)水平土壓力作用下發(fā)生變形為被動樁，而后排樁主要在樁頂承受冠梁荷載并主動向樁側(cè)土體傳遞應(yīng)力為主動樁。因此前后排隔離樁的變形曲線有較大的差異，說明軟土地基中隔離樁水平抗力主要來自于嵌巖段，在樁身側(cè)向位移下淤泥層的被動土壓力較小。

圖8 不同堆載高度下前后樁側(cè)向位移曲線

針對路基表面計算點側(cè)向位移，不同隔離樁治理方式下隨堆載工況的變化曲線見圖9?？芍床扇≈卫泶胧r計算點側(cè)向位移隨加載工況的進(jìn)行呈大斜率快速增大。單排隔離樁下不同加載工況計算點側(cè)向位移曲線斜率較未治理曲線有所平緩，但斜率仍較大，側(cè)向位移值降低幅度小。雙排隔離樁下計算點側(cè)向位移曲線斜率明顯較未治理時與單排隔離樁時平緩，且側(cè)向位移有大幅度的降低。對比而言，雙排隔離樁具有較優(yōu)的位移控制效果。

圖9 不同工況路基表面計算點側(cè)向位移曲線

3 結(jié)論

1)未采取治理措施時，軟土地基的側(cè)向位移隨堆載寬度和高度的增加而增加，三級堆載過程中引起的軟土地表位移由40 mm上升至124 mm。水泥攪拌樁加固深度對側(cè)向堆載引起的土層位移有一定控制作用。

2)采用單排隔離樁治理時，對堆載作用下引起的軟土側(cè)向位移有一定的控制作用，較無隔離樁治理時軟土側(cè)向位移減少約為15%～30%，隨堆載高度增加，單排樁隔離效果有所減弱。

3)采用雙排矩形隔離樁治理措施時，對堆載作用下引起的軟土側(cè)向位移控制作用明顯，較無隔離樁治理時軟土側(cè)向位移減少約60%～80%，同樣隨堆載高度的增加，隔離效果有所減弱。

4)隨著側(cè)向堆載的增加，雙排隔離樁對應(yīng)的地層位移量以及位移發(fā)展速率均小于單排隔離樁，對軟土地層位移控制效果較優(yōu)，同時樁體本身變形量較小，自身穩(wěn)定性較好。