斜向水泥土樁加固鐵路路堤的模型試驗(yàn)研究

趙春彥，胡 杰，黃啟友，郎 鋒，冷伍明，陳 樂

(1.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075；2.高速鐵路建造技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410075)

斜向水泥土樁作為一種既有鐵路路堤加固技術(shù)，已在朔黃鐵路、寶中鐵路和奎北鐵路等部分路段的病害整治或擴(kuò)能改造中得到應(yīng)用[1-4]。斜向水泥土樁是在路堤中作小角度的俯斜鉆進(jìn)成孔，隨后進(jìn)行高壓噴射注漿形成一系列一定直徑、一定間距的斜向柱狀水泥土固結(jié)體，具有施工快速簡單、加固效果顯著以及不影響列車運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)，王定舉[5]和王鑄等[6]詳細(xì)介紹了實(shí)際工程中斜向水泥土樁的施工方案和施工工藝。目前斜向水泥土樁加固施工技術(shù)超前于設(shè)計(jì)理論，其加固機(jī)理尚未明確，通過模型試驗(yàn)可以探究斜向水泥土樁的加固效果和加固機(jī)理，從而指導(dǎo)實(shí)際工程設(shè)計(jì)。

國內(nèi)外一些學(xué)者開展了路堤加固相關(guān)的試驗(yàn)研究，Gobel等[7]針對列車速度160 km/h的鐵路路堤，通過室內(nèi)模型試驗(yàn)，研究了土工格柵對路堤的加固效果。Hufenus等[8]通過現(xiàn)場足尺模型試驗(yàn)，分析了土工合成材料加固公路軟土路基的承載和變形特性。Li等[9]通過小比例模型試驗(yàn)，研究廢棄輪胎加固路堤后的應(yīng)力和變形特征以及影響加固效果的因素。Fagundes等[10]通過離心機(jī)試驗(yàn)，針對土工合成材料加固樁承式路堤,研究樁間距、路堤高度和土工織物剛度對應(yīng)力分布和頂面沉降的影響。羊曄等[11]通過室內(nèi)小比例模型試驗(yàn)，研究了土工格柵加筋結(jié)構(gòu)控制高速公路過渡段不均勻沉降的有效性。王鑄等[12]做了對斜向水泥土樁加固土質(zhì)路堤模型試驗(yàn)的研究，但采用薄壁鋼管模擬水泥土樁，不能很好地模擬實(shí)際工程中水泥土樁和土的接觸，此外薄壁鋼管具有良好的抗拉性能，而水泥土樁的抗拉性能較差，這將影響荷載在路堤中傳遞的模擬準(zhǔn)確性。

本文通過模型試驗(yàn)方法，建立鐵路路堤模型，采用與實(shí)際工程相同的試驗(yàn)材料，開展斜向水泥土樁加固土質(zhì)鐵路路堤的模型試驗(yàn)，監(jiān)測斜向水泥土樁加固前后路堤的頂面沉降、邊坡變形和內(nèi)部豎向應(yīng)力，在此基礎(chǔ)上探究斜向水泥土樁的加固效果和加固機(jī)理。

1 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

1.1 模型構(gòu)建

模型試驗(yàn)根據(jù)朔黃鐵路現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)和現(xiàn)有室內(nèi)試驗(yàn)條件確定相關(guān)參數(shù)，模擬斜向水泥土樁加固鐵路路堤，監(jiān)測路堤頂面沉降、邊坡變形和內(nèi)部豎向應(yīng)力。根據(jù)文獻(xiàn)[13]，綜合考慮現(xiàn)有試驗(yàn)場地大小、人力狀況和模擬效果，根據(jù)實(shí)際單線Ⅰ級重型鐵路，建立了幾何相似比為1∶8的鐵路路堤模型。鐵路路堤模型橫截面設(shè)計(jì)為等腰梯形，路堤高1.25 m，頂面寬1 m，邊坡坡比為1∶1，底面寬3.5 m，沿線路縱向長度為3 m。

與實(shí)際鐵路路堤結(jié)構(gòu)相比，路堤模型做了一定簡化，路堤全部采用一種土填筑，通過室內(nèi)試驗(yàn)測得其物理力學(xué)指標(biāo)見表1，土的顆粒級配曲線見圖1。試驗(yàn)時(shí)將土分層鋪平，每層厚度13 cm，灑水并采用擊實(shí)器擊實(shí)至10 cm，分層填筑至設(shè)計(jì)高度。填筑完成后覆蓋塑料薄膜，養(yǎng)護(hù)7 d，測得其壓實(shí)度為0.93，符合TB 10001—2016《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》[14]相關(guān)規(guī)定。

圖1 土的顆粒級配曲線

表1 路堤填土的主要物理力學(xué)指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

模型試驗(yàn)系統(tǒng)由加載裝置、應(yīng)力測試裝置和位移測試裝置三部分組成。加載裝置由型鋼反力架，千斤頂及鋼墊板組成。型鋼反力架由寬翼緣、中翼緣、窄翼緣H型鋼和高強(qiáng)度螺栓組裝而成。試驗(yàn)時(shí)通過加載裝置在路堤頂面施加等效均布荷載，根據(jù)文獻(xiàn)[14]，本試驗(yàn)?zāi)MⅠ級重型鐵路速度160 km/h對應(yīng)軌道和列車荷載，荷載分布寬度3.7 m，荷載合計(jì)66.87 kPa。鋼墊板的大小(即荷載作用面積)為2 m×0.5 m(長×寬)。

應(yīng)力測試裝置由土壓力盒、DH3818靜態(tài)應(yīng)變讀數(shù)儀以及相應(yīng)計(jì)算機(jī)軟件組成，用來測量路堤內(nèi)部的豎向應(yīng)力。由于路基填土主要成分為黏土，大于5 mm顆粒較少，經(jīng)試驗(yàn)，土壓力盒埋設(shè)在黏土中測量精度較低，無法得到統(tǒng)一的標(biāo)定系統(tǒng)，故需使其在砂土中工作，即在埋設(shè)時(shí)，需要在其周圍鋪設(shè)砂土?？紤]土壓力盒實(shí)際工作狀態(tài)以及尺寸效應(yīng)，采用機(jī)制砂進(jìn)行標(biāo)定，含水率與路基填土含水率相同(18%)，盡量使標(biāo)定條件與試驗(yàn)條件相同。標(biāo)定后，在路堤填筑過程中埋設(shè)土壓力盒，土壓力盒埋設(shè)在路堤中心橫斷面，其埋設(shè)位置見圖2。土壓力盒接線長5 m，每根線附上編號與DH3818靜態(tài)應(yīng)變讀數(shù)儀相接。

圖2 土壓力盒布置圖(單位：m)

位移測試裝置由百分表(精度0.01 mm)、磁座、角鋼支座和基準(zhǔn)梁組成，用來測量路堤的頂面沉降以及邊坡位移。位移測點(diǎn)布置見圖3，各測點(diǎn)采用百分表讀數(shù)，A1為路堤頂面沉降測點(diǎn)，A2、A3、A4、A5為邊坡位移測點(diǎn)，B1、B2、B3、B4是A2—A5測點(diǎn)另一側(cè)的邊坡面自上而下的測點(diǎn)，C1、C2、C3是輔助測點(diǎn)。其中A2、A3、A4三個(gè)測點(diǎn)安設(shè)水平和豎向兩個(gè)方向的百分表，分別監(jiān)測水平和豎向位移，其他測點(diǎn)僅安設(shè)豎向百分表。

1.3 水泥土樁的制作

實(shí)際工程設(shè)計(jì)中樁徑為0.5 m，根據(jù)幾何相似比，模型試驗(yàn)中樁徑近似取0.06 m，樁長設(shè)計(jì)為0.6 m。根據(jù)JGJ/T 233—2011《水泥土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》[15]，水泥土配合比參數(shù)取值為：土料含水率與路堤填土相同(18%)，水灰比為1，水泥摻入比為20%。

試驗(yàn)時(shí)每次按三根樁的量配制水泥土漿液，先將試驗(yàn)用土經(jīng)烘干箱烘干，干土的質(zhì)量為26 kg，用木錘破碎，并過4.75 mm土工篩，分批次將篩下土粒按照設(shè)計(jì)配合比，與水泥和水按設(shè)計(jì)比例混合，攪拌均勻，形成水泥土漿液。

試驗(yàn)過程中用定制的鋼管根據(jù)設(shè)計(jì)的角度和深度打入路堤土中，挖土成孔。然后將配制好的水泥土漿液不斷灌入樁孔中，并用混凝土振搗棒不斷振搗，排除樁孔中及水泥土漿液中的空氣。水泥土樁澆筑完成后，蓋上塑料薄膜，養(yǎng)護(hù)7 d。養(yǎng)護(hù)結(jié)束后再進(jìn)行加載試驗(yàn)。

1.4 試驗(yàn)方案和方法

為測試斜向水泥土樁加固前后路堤的頂面沉降、邊坡變形與豎向應(yīng)力分布情況，本試驗(yàn)共設(shè)計(jì)4組加載試驗(yàn)，即純土無樁路堤、一排樁加固路堤、兩排樁加固路堤和三排樁加固路堤，每組試驗(yàn)間隔7 d。

三排水泥土樁按“梅花形”在路堤兩側(cè)邊坡對稱布置見圖3。第一組樁樁頂中心到路堤表面垂直距離為0.25 m，樁中心間距0.3 m，與水平面夾角為20°；第二組樁樁頂中心到路堤表面垂直距離為0.1 m，樁中心間距0.3 m，與水平面夾角為5°；第三組樁樁頂中心到路堤表面垂直距離為0.35 m，樁中心間距0.6 m，與水平面夾角為15°。

圖3 位移測點(diǎn)及水泥土樁布置(單位：m)

加載方式采用分級維持荷載沉降相對穩(wěn)定法，每級荷載施加后，間隔5、5、10、10、15、15 min測讀一次沉降值，當(dāng)連續(xù)兩小時(shí)每小時(shí)沉降小于等于0.1 mm時(shí)，可認(rèn)為沉降已達(dá)到相對穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，荷載穩(wěn)定后記錄各位移測點(diǎn)的百分表讀數(shù)和應(yīng)變儀讀數(shù)，然后施加下一級荷載。試驗(yàn)中施加了比設(shè)計(jì)荷載高的荷載，并在第四組試驗(yàn)(三排樁加固路堤)中加載至路堤破壞，測試路堤的極限承載力。

2 路堤變形特征

2.1 路堤頂面沉降變化規(guī)律

4組模型加載試驗(yàn)中由A1位移測點(diǎn)測得的路堤頂面沉降與荷載的關(guān)系曲線見圖4。由圖4可知，各組試驗(yàn)中路堤頂面沉降隨著荷載增加而增加，荷載在20 kPa以下沉降較小，大于20 kPa時(shí)沉降明顯增大。隨著水泥土樁排數(shù)的增加，相同荷載下，路堤頂面沉降顯著減小。

此外，在最大一級荷載為75.6 kPa時(shí)，純土路堤最終頂面沉降為3.12 mm；加第一、二、三排斜向水泥土樁后，最終頂面沉降分別為1.69、0.78、0.54 mm；將加樁后與純土路堤的路堤頂面最終沉降相比，加一排樁后最終沉降減少1.43 mm，加兩排樁后最終沉降減少2.34 mm，沉降控制效果顯著，而加三排樁時(shí)最終沉降減少2.58 mm，與加兩排樁后的最終沉降量相比只增加了0.24 mm，此時(shí)沉降控制效果不明顯。

由上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可得，斜向水泥土樁加固土質(zhì)路堤可以有效控制路堤沉降，且隨著斜向水泥土樁排數(shù)的增加，路堤總沉降減小量越大，但沉降控制效果也越來越不明顯，建議經(jīng)濟(jì)合理加樁排數(shù)為兩排。

圖4 路堤頂面沉降曲線

路堤加設(shè)三排斜向水泥土樁后，路堤頂面施加的荷載不斷增大直至路堤破壞，其頂面沉降與極限荷載關(guān)系曲線見圖5。由圖5可知，未加樁時(shí)，荷載加到83.0 kPa時(shí)，路堤頂面沉降與上一級荷載沉降量相比明顯增加至4.82 mm；而加設(shè)三排水泥土樁之后，荷載加到186.9 kPa時(shí)，路堤沉降僅為4.03 mm。由此對比可知，斜向水泥土樁加固后路堤整體的承載力得到顯著提高。

斜向水泥土樁由鉆機(jī)成孔和高壓噴射兩個(gè)階段形成，成樁過程對周圍土體產(chǎn)生擠密壓實(shí)作用；部分漿液進(jìn)入土?？障吨g，起到類似注漿的效果；成樁之后，更高強(qiáng)度的水泥土替換了原來的黏土，起到置換作用，因而加固后路堤整體的剛度和承載力大大提高，沉降相應(yīng)也減小。同時(shí)路堤在上部壓力作用下，斜樁承受的壓力比周圍土體大，壓力向樁體集中，樁間土承受的壓力減小，沉降也因此相應(yīng)減小。

圖5 極限荷載作用下路堤頂面沉降曲線

2.2 路堤邊坡變形規(guī)律

在荷載為75.6 kPa時(shí)，A、B、C三組位移測點(diǎn)測得的路堤邊坡豎向變形值見表2，三組測點(diǎn)得到的數(shù)據(jù)規(guī)律基本一致，選取具有代表性的B組數(shù)據(jù)繪制曲線見圖6(a)。

表2 荷載為75.6 kPa時(shí)邊坡各測點(diǎn)豎向位移 mm

圖6 邊坡位移曲線

未加樁的路堤在荷載作用下，邊坡上部豎向位移(沉降)大，下部較??；斜向水泥土樁加固后，所有測點(diǎn)的豎向位移均減小，且邊坡上部豎向位移減小幅度最大。A2、A3、A4測點(diǎn)測得的邊坡水平位移見圖6(b)，由圖6(b)可知，斜向水泥土樁加固路堤后邊坡水平位移也減小，邊坡變形得到有效控制。

斜向水泥土樁加固路堤后，整體剛度和承載力的提高使邊坡豎向位移(沉降)明顯減?。欢睒杜c周圍土體之間存在摩擦剪切作用，能夠有效約束路基邊坡側(cè)向變形。

3 路堤內(nèi)部豎向應(yīng)力分布規(guī)律

為研究加樁前后路堤內(nèi)部豎向應(yīng)力分布規(guī)律，在路堤模型中心橫剖面埋設(shè)19個(gè)土壓力盒，其埋設(shè)位置見圖2，T6—T12是從左至右依次位于同一水平高度的土壓力盒，通過這組測點(diǎn)得到的數(shù)據(jù)分析路堤內(nèi)部豎向應(yīng)力分布規(guī)律，其他組測點(diǎn)也有相似規(guī)律，這里不做詳述。

不同荷載和不同工況下路堤內(nèi)部豎向應(yīng)力分布曲線見圖7，荷載較小時(shí)(23.6 kPa)，加樁前后路堤內(nèi)部豎向應(yīng)力變化不明顯。但荷載達(dá)到45.9 kPa及以上時(shí)，未加樁的路堤在荷載作用下，內(nèi)部豎向應(yīng)力呈現(xiàn)中間大、兩側(cè)小的對稱分布特征，這與隋孝民等[16]研究的結(jié)果一致；而加樁后，路堤內(nèi)部豎向應(yīng)力分布發(fā)生變化，且隨著加樁排數(shù)增加，豎向應(yīng)力分布逐漸均勻化。

斜向水泥土樁加固路堤后，斜樁與周圍土體之間的界面存在摩擦阻力，有效約束路基邊坡側(cè)向變形，使土體的應(yīng)變場和應(yīng)力場發(fā)生改變，起到類似加筋作用[17]，從而豎向應(yīng)力均勻擴(kuò)散，可以有效控制路堤的不均勻沉降。這一結(jié)論也與文獻(xiàn)[11]在加筋路基處治不均勻沉降中的研究結(jié)果一致。

圖7 不同荷載時(shí)豎向應(yīng)力分布曲線

4 結(jié)論

通過對模型試驗(yàn)得到的路堤頂面沉降、邊坡變形以及豎向應(yīng)力分布數(shù)據(jù)的整理分析，得到以下結(jié)論：

(1)斜向水泥土樁加固土質(zhì)路堤能夠有效減小路堤頂面沉降，控制邊坡豎向和水平變形，是一種快速有效的既有鐵路路堤加固方法。

(2)斜向水泥土樁的加固效果與樁排數(shù)有關(guān)，一定加樁排數(shù)之后，隨著排數(shù)增加，加固效果不明顯，建議經(jīng)濟(jì)合理的加樁排數(shù)為兩排。

(3)斜向水泥土樁加固路堤時(shí)，由于樁對土體的擠密壓實(shí)、注漿和置換作用，能有效提高路堤整體的剛度和承載力，從而有效控制路堤整體的沉降。

(4)未加樁的路堤在荷載作用下，路堤內(nèi)部豎向應(yīng)力為中間大兩側(cè)小的對稱分布，而斜向水泥土樁加固后，由于樁與土體界面的摩擦阻力，能有效約束邊坡的水平變形，從而使得豎向應(yīng)力趨向均勻分布，起到加筋作用，可以起到有效控制路堤不均勻沉降的效果。