高鐵CFG 樁樁-網復合地基動力響應研究

孫沙沙，薛禎禎，王天奇，徐漢文，馬明輝

（山東省煤田地質局第四勘探隊，山東濰坊 261200）

0 引言

在我國東部沿海地區，以高速鐵路為主的交通網絡已基本建成，該地區廣泛分布著大量深厚軟弱土層。軟土通常具有強度低、滲透性小、壓縮性高等不良工程特性。CFG 樁樁-網復合地基以其承載力高、沉降小、工期合理等特點廣泛應用于我國高速鐵路的建設當中[1]。高速列車運行速度較高、動荷載較大，由動荷載引起下部結構動力響應可能致使線路產生病害，從而影響高鐵運營安全[2]。本文以甬臺溫鐵路客運專線某斷面為研究對象，基于Midas/GTS NX 建立軌道-路堤-地基的三維有限元分析模型，對CFG 樁樁-網復合地基動力響應進行研究。

1 工程概況

甬臺溫鐵路軌道結構屬于雙線有砟軌道，軌道結構尺寸根據《新建時速200km 客貨共線鐵路設計暫行規定》[3]確定。高速鐵路正線軌道一般采用100.0m 定長的無螺栓孔鋼軌，鋼軌密度60.0kg/m，軌距1435.0mm。路基基床由基床表層和基床底層構成，基床表層有砟軌道厚0.6m，基床底層厚度為1.9m，如圖1所示。

圖1 K484+870 斷面

本文選取甬臺溫鐵路客運專線竣工里程K484+870 的路基橫斷面作為研究對象，該鐵路工段采用CFG 樁樁-網復合結構對軟土地基進行加固，如圖1 所示。該截面土層條件如下：①黏土，局部夾碎、礫石，褐黃色，硬塑；①1淤泥質黏土，灰色，軟～流塑；①2黏土，蘭灰色～褐黃色，硬塑；②凝灰巖，全風化。

2 數值模型的建立

2.1 模型及計算參數

本文采用MIDAS/GTS NX 有限元軟件建立三維模型，對CFG 樁樁-網復合地基的動力響應進行分析，計算模型如圖2 所示。模型計算區域包括鋼軌、枕木、道砟層、路基及復合地基。在鋼軌頂面施加移動荷載，通過軌枕作用于道床頂面，然后再通過道床傳至基床和地基，使路基和地基產生動應力。

圖2 計算模型

表1 模型中材料的計算參數

在高速列車荷載作用下，鋼軌、混凝土軌枕、預應力管樁等構件的模量較大，變形較小，一般處于彈性工作狀態[4]，故采用彈性本構進行模擬。對于地基和路堤材料，由于其模量相對較小，且需要考慮其塑性特性，采用彈塑性本構模型進行建模。彈塑性本構模型中，由于M-C 模型計算效率比較高，并且適用于計算土體和巖石等松散或膠結的粒狀材料，地基和路堤材料采用M-C 模型進行模擬。本文計算模型各部分所選取的本構模型及其他計算參數如表1 所示。

2.2 人工邊界

在有限元動力計算中，計算模型的尺寸有限，無法還原實際的無限地基。三維時域粘彈性人工邊界精度較高，等效離散后的人工邊界條件方程與有限元方法相結合[5]，可以方便地求解無限域介質的瞬態波動問題，因此本文采用粘彈性人工邊界模擬動力波在模型邊界的傳播情況[6]。

3 計算結果及分析

3.1 樁身軸向受力分析

樁身軸向受力情況如圖3 所示。本文對所建立模型的樁體進行編號，其中上行線路基對應1#～8#樁，下行線路基對應9#～16#樁，如圖3（a）所示。由圖3（a）可知，列車動荷載對樁體軸力的影響主要集中在上行線正下方的四根樁上，即5#、6#、7#和8#樁，其中，7#樁是受動力影響最大。

圖3 樁體軸向受力

為了分析樁身軸力沿地基深度的變化情況，單獨對7#樁軸向受力情況進行分析，如圖3（b）所示。由圖3（b）可知，7#樁所受的軸向壓力沿樁體深度方向上呈現出先增大后減小的變化趨勢，樁體所承受的最大軸力出現在樁頂以下6.8m 處左右。

3.2 土體豎向動應力分析

從基床表層，土體中豎向動應力峰值沿深度的變化曲線如圖4 所示。由圖4 可知，地基土體中豎向動應力沿深度增加呈現不斷衰減的趨勢，然而在不同深度處動應力峰值的衰減速率不同。在基床表層以下4.2m 范圍內，由于路堤填料的剛度較大，動應力峰值的衰減速率較快，且基床表層以下4.2m 處恰好是CFG 樁樁頂處。在距基床表層4.2m 以下范圍內，由于地基土體主要由軟黏土組成，豎向動應力峰值衰減速率較小。在基床表層以下12.0～14.0m 范圍內，由于樁端與持力層相互作用的影響，地基土體中出現豎向動應力峰值局部放大的現象。

圖4 樁體剪力分布

4 結語

（1）在列車動荷載作用下，CFG 樁身軸力沿深度方向先增大后減小，且軸力峰值出現在樁頂以下6.8m 左右。

（2）在列車動荷載作用下，土體豎向動應力峰值沿深度方向不斷衰減。在樁端與持力層相互作用的影響下，樁端處土體豎向動應力峰值存在局部放大現象。