膨脹土條件下高速鐵路復合結構路基沉降控制技術研究

鄧洪權

中鐵二十局集團第一工程有限公司，江蘇 蘇州 215151

1 工程概況

鄭萬鐵路平頂山西站位于平頂山市寶豐縣，車站為地面站，站場規模為3臺（側式站臺1座、島式站臺2座）7線（預留1條），地處中～強膨脹土地段，路堤高度而6.28～8.1m。該標段下部地質巖性按其成因和時代分類為第四系上更新統沖洪積層黏性土和第三系中新統泥質砂巖，巖性主要為粉質黏土、黏土、粗圓礫土、姜石土。

膨脹土是鄭萬鐵路河南段典型的特殊巖土類型，蒙脫石含量為3.65%～39.99%，陽離子交換量CEC（NH+）為40～428.78mmol/kg，外表呈網紋、蠕蟲狀，硬塑或堅硬狀，富含鐵錳及鈣質結核、姜石。

2 有限元模擬分析

2.1 膨脹變形模擬理論

如何有效模擬外部作用下（如大氣環境和降雨作用）因膨脹土體含水量變化所引起的應力場和位移場是解決問題的關鍵。文章采用FLAC 3D軟件，借鑒鄭俊杰等[1]和房以河[2]的方法，膨脹變形采用溫度場熱傳導問題的熱膨脹特性來進行模擬分析。

根據相關文獻，將外部環境影響（大氣及降雨等）導致的濕度場等效轉換成溫度場，并認為由兩者變化引起的應變增量是相等的，從而實現利用熱傳導膨脹模擬增濕膨脹，表達式如下：

式中：α為熱膨脹系數；β為膨脹土的線膨脹系數；?ω為含水率變化量；?T為溫度變化量。

2.2 數值模型建立

結合工程實際，建立一個縱向4根樁、橫向14根樁的樁板結構的路基設計模型，數值模型結構從上至下可分為四層：第一層為路堤結構，第二層為大氣環境影響深度內的膨脹土層，第三層為大氣環境影響深度下的膨脹土層，第四層為非膨脹土層[3]。

在FLAC 3D中采用樁（Pile）單元模擬樁，筏板選用殼（shell）單元模擬，其余部分均采用實體單元。承載板和樁是剛性連接的，其接觸面在模型中采用接觸面單元模擬；采用面面接觸單元模擬樁和土的接觸作用，將樁筏結構和路基視為理想線彈性材料，膨脹土為彈塑性材料，遵循摩爾-庫倫屈服準則。模型設定上，一是將底部三個方向的位移進行約束，二是將線路前后及左右側位移進行約束，將模型頂部視為自由面。結合平頂山當地氣象情況，考慮膨脹土的影響深度為筏板底面下3m，水平范圍為從路肩至計算邊界，該范圍內的地基膨脹變形用熱-力耦合方法模擬。

3 計算結果分析

3.1 樁間距影響分析

為研究樁間距對膨脹土地區深埋式樁板結構路基承載與變形特性的影響，保持其他條件不變，分別進行常規樁間距（s=3.5d、4.0d，s為樁中心距，d為樁的直徑）、較大樁間距（s=5d、6d、7d）時的樁板結構路基數值模擬分析。

根據數值分析結果，為研究膨脹土對筏板結構路基的影響，分別提取膨脹土變形前后筏板沿橫向各節點的沉降值。填筑高度等于4m時，考慮膨脹土變形特征前后不同樁間距下對應筏板的頂面沉降沿橫向分布曲線如圖1所示。

圖1 膨脹土對筏板結構路基的影響示意圖

填筑高度為4m時，樁間距為3.5d～7d的樁板結構筏板沉降沿路基橫向呈中心大而兩側小的趨勢，表現出整體彎曲變形的特征，在樁間位置沒有出現局部彎曲，說明厚度為0.6m的板承載特性仍處于線性變形階段。

樁間距對沉降值產生近似呈線性增加的變化影響。間距為3.5d和7d時，不考慮膨脹，平均沉降分別為18.2mm和24.0mm，增幅為5.8mm；當加入膨脹性影響后對應平均沉降為17.8mm和24.2mm，增幅為6.4mm；樁間距從3.5d增大到7d時，膨脹后差異沉降從9.5mm增加至13.3mm，整體傾斜度由0.9‰增大至1.3‰。

綜上，可以得出該結構對路堤沉降變形和差異沉降變形有很好的控制作用。

3.2 路堤高度影響分析

無砟軌道下基床層厚度最小一般為3m，為研究上部荷載對膨脹土地區樁板結構變形特性的影響，保持其他條件不變，分別設定不同高度填筑路堤。從路堤高度3m開始，依次在路基面上施加0kPa、10kPa、20kPa、30kPa和40kPa的均布荷載，來等效3m、4m、5m、6m和7m的路堤高度。

由此可知，不同荷載下筏板沉降變形基本呈現中心處大、邊緣處小的趨勢，沿橫向主要呈現整體彎曲變形，并且考慮膨脹變形前后兩者沉降變形基本一致，即使在筏板邊緣膨脹變形嚴重處也沒有出現很大的差異（考慮膨脹影響深度3m，筏板邊緣向中心延伸5m范圍區域）。

另外，隨著試驗設定的路堤填筑高度的增加，可以明顯看到平均沉降、最大沉降及差異沉降的加大趨勢；而樁板結構的差異沉降在考慮膨脹變形前后差值基本維持在0.2mm，基本可以忽略。故可得到結論，通過樁板剛性連接，可有效降低路基的差異沉降[4]。

4 施工控制措施

膨脹土質受天氣影響大，需充分考慮施工過程中外界大氣情況對膨脹土的影響，且樁板復合結構涉及各工藝間的銜接和特殊施工工藝，因此需建立良好的復合結構路基施工工藝及質量控制要求，才能有效控制基礎變形。結合該項目現場施工情況，對膨脹土地段采用樁板結構路基的施工要點總結如下。

（1）地基處理。提前對地質條件進行檢查，發現實際地質條件與設計不相符時應及時通知有關方面調整設計。同時，現場周圍應準備好截排水設施，并按設計要求進行地基處理（如強夯或沖擊碾壓)。

（2）樁基施工。在樁基施工前，要先進行試樁，以確保地質情況、設備配置、設計施工工藝的可行性。鉆孔時，鉆頭的起落速度要均勻，不應該突然變速，導致碰撞孔壁。灌注樁澆筑時應做好拌和站、試驗室與現場工作的銜接，保證混凝土灌注的連續性，不得中途停頓。連續灌注施工中要做好泥漿池的防滲處理，防止泥漿滲入路基引起變形上隆。

（3）托梁施工。樁身經無損檢測合格后方可綁扎托梁鋼筋，然后立模澆筑，托梁拆模后要盡早進行基坑分層密實填筑。雨季施工時，應采取措施防止地表水滲入基坑，軟化地層，降低地層強度指標[5]。

（4）路基填筑。施工中應加強監測填筑過程中和填筑后的沉降，及時整理觀測資料，進行分析、總結及判定，指導下步施工。

（5）施工組織。膨脹土地區的土石方工程應做好施工組織與策劃，在一個旱季施工完成，盡量避免雨季施工，加強邊坡變形監測，根據監測結果安排施工進度。若工程在一個旱季不能完成，則應在雨天來臨前做好加固與防護工程，密切注意天氣預報，做好邊坡坡面的臨時防護工作，如在坡面鋪設防水塑料薄膜和修建臨時排水溝，以防止地表水沖刷坡面和下滲。

5 結論

（1）在3.5d～7d樁間距區間，樁板結構最大沉降隨樁間距的增大近似呈線性增大趨勢，差異沉降有增大趨勢，整體傾斜度由0.9‰增大至1.3‰。因此，施工中應盡量選擇較小的樁徑和較小的樁間距，這樣可以起到更好的控制路基沉降變形和差異沉降變形的作用。

（2）樁板結構平均沉降、最大沉降及差異沉降隨路堤填筑高度的增加而增大，但樁板的差異沉降在分別考慮膨脹土變形特征前后的差值都在0.2mm以下，基本可以忽略。因此，復合樁板結構可以有效抵抗膨脹土變形，控制路基的差異沉降。

（3）復合樁板結構在靠近路基中心處產生的位移最大，在此后的設計中應考慮加強此處的構造措施，保證其強度可靠。施工中要嚴格執行國家行業標準、鐵路施工的現有規范、規程、規定的標準和要求，同時必須滿足客運專線路基設計文件對路基各部分提出的技術要求，確保路基的強度與變形符合要求。