水泥粉煤灰碎石樁支護引道路堤對軟土地基橋臺樁的影響分析

董金燕

摘要：軟土地基中的橋臺樁可能會受到路堤荷載引起的垂直和水平土壤移動的影響。為了限制土體的運動，采用復合樁基，往往會改善引道路堤下的軟土地基，其目的是減輕高速列車通過橋梁引起的隆起。文章對水泥粉煤灰碎石樁與土工格柵聯合加固的粉質黏土路基進行了一系列三維離心模型試驗，分析了地基置換率（m）對路堤荷載作用下橋臺樁響應的影響。同時，對不同地基置換率的樁加固地基進行了數值研究。結果表明，采用CFG樁對引道路堤地基進行加固后，橋臺樁的受力性能明顯提高，置換率的臨界值在4.9%以上，CFG樁基礎的作用是有限的。這意味著，在將橋頭跳車風險降至最低的同時，優化改良地基對于具有成本效益的設計至關重要。

關鍵詞：橋臺樁;軟土地基;粉煤灰

中圖分類號：U443.15文獻標識碼：ADOI：10.13282/j.cnk..wccst.2021.01.044

文章編號：1673-4874（2021）01-0162-04

0引言

在鐵路工程中，橋頭引道路堤（BAE）中所謂的“橋頭跳車”所帶來的工程問題已成為困擾鐵路長期運營安全和舒適性的難題。隆起主要是由軌道剛度突變引起的，這與結構和地基的不連續性、回填的不均勻沉降等因素有關。除此之外，軟土地基上路堤的施工可能導致顯著的豎向和水平土體移動[1-2]。土的運動反過來又會引起鄰近橋臺樁的附加應力和位移，使樁或橋梁結構可能發生不可容忍的移動甚至結構破壞。因此，研究橋臺樁在引道路堤引起的土體運動下的受力性能，具有十分重要的意義[3-4]。

本文介紹了一系列離心機模型試驗和三維數值模擬的結果，以了解橋臺樁在改變路堤下復合樁基的替代率（m）時的行為。重點分析了橋臺樁的軸向力、彎矩、接觸壓力和水平位移等，為優化橋頭引道路堤的地基處理設計，保證高速鐵路軌道的長期穩定提供了建議。

1離心機模型

1.1實驗裝置

在土工離心機上進行了4個離心模型試驗，采用100g最大離心機，加速度為200g，有效半徑為2.7m。用于離心模型試驗的模型容器由鋁合金制成，尺寸為800mm×600mm×600mm（長寬高）。所有離心模型試驗均以80g的徑向加速度進行，因此在離心模型試驗期間產生的垂直有效應力分布將與尺寸>80倍的原型相同。離心模型試驗如圖1所示。

模型底面由一層100mm厚的軟粉質黏土層組成，下面是一層250mm厚的超固結黏土層。橋臺包括三排樁，長為195mm，外徑為12mm。距樁排中心為37.5mm，樁排間距為40mm（見圖2）。

混凝土樁帽厚32mm，與擋土墻整體采用現澆連接，與樁相比，其設計為剛性彎曲。模型路堤的前坡和側坡的比例約為1.5：1。考慮了復合樁基的4種置換率（m=2.2%、3.1%、4.9%和8.7%）。表1、表2總結了4個離心模型試驗中使用樁的參數，包括混凝土粉煤灰碎石（CFG）和橋臺樁，原型比例尺上的相應值列在方括號中。

1.2土壤性質和樣品制備

離心模型試驗所用的土壤是從成都的一個現場試驗點取樣的，被稱為“成都黏土”，是成都平原典型的軟黏土。上部粉質黏土層由成都粉質黏土泥漿制備，下部黏土層由成都黏土泥漿制備。對于場地內粉質黏土和黏土性質相似的模型試驗，以密度和含水量為主要控制參數，其次為強度指標。從現場獲得的土壤樣品經過風干和機械粉碎，然后通過2mm篩。其后，用去火水將風干土粉與水混合，達到所需含水量，再進行機械攪拌。黏土泥漿在真空條件下至少脫氣24h。根據給定的土壤容重，可以預先確定試驗所需容器內每層土壤的重量。而后，將黏土漿水平分層放置，自下而上，高度為25cm，每層填料厚度為2cm。粉質黏土以相同的方式鋪設至35cm高。對重塑土樣進行了固結和快速直剪試驗，以確定其物理力學性質。

1.3試驗程序

整地完成后，將模型容器安裝在離心機平臺上，初始固結階段設置為2h，加速度為80g，以允許黏土層中多余孔隙水壓力的消散，從而保持土壤沉降。然后，暫停離心機，以便在設計位置安裝樁臺。首次采用與樁徑相同的鉆機在設計樁位鉆孔，直至達到設計深度，再利用液壓千斤頂將預制樁臺緩慢垂直安裝至理想深度。這意味著，在離心模型試驗中模擬的橋臺樁被視為“希望就位”，旨在模擬鉆孔樁。隨后，CFG模型樁以給定的置換率（見表1）安裝在黏土地基中，并在其上放置預制黏土路堤模型。最后，以80g的加速度運行離心機，并監測儀器化橋臺樁的響應。

2數值分析

采用ltasca（2005）開發的有限差分程序FLAC3D對CFG樁支護引道路堤對橋臺樁性狀的影響進行了數值分析。通過對離心模型試驗結果的驗證，對三維數值模型進行了驗證，并進行參數研究，揭示了影響橋臺樁基響應的關鍵因素，特別強調了樁基換填率的影響，并在離心模型試驗的基礎上進行了數值研究。

2.1數值模型與邊界條件

根據離心機模型原型的幾何結構，建立了全尺寸三維數值模型（如圖3所示），其中x、y和z分別表示橫向、縱向和垂直方向。在數值模型中，樁與周圍土的接觸單元可以實現樁土的接觸、滑移和離層。

模型采用的邊界條件如圖4所示。根據離心模型試驗結果驗證數值模型后，參數研究考慮了置換率（m）為8.7%、4.9%、3.1%和2.2%的四個值，以模擬不同程度的地基加固工況，分別對應CFG樁間距直徑比為3、4、5和6。橋臺樁被建模為厚度為2mm的樁單元。

2.2數值程序

每個數值分析遵循與離心模型試驗相同的程序：

（1）在原型尺度的基礎上建立地基模型的網格，將本構模型和材料特性賦予土層，建立初始邊界條件，然后在自重作用下建立兩層地基的初始應力狀態。

（2）設置初始邊界條件，然后在自重作用下，在兩層土壤剖面中建立初始應力狀態。