樁板結構在拉伊鐵路軟土地基過渡段加固應用

摘要：為解決軟土路基過渡段沉降問題，通過數值模擬對該段軟土路基進行研究，以樁間距、樁徑以及混凝土板厚為變量參數，研究路基差異沉降影響。結果表明：樁間距變化對差異沉降影響較為明顯，但以260cm為臨界值，小于該值差異沉降量無明顯變化；樁徑的影響不如樁間距，樁徑為40cm左右時，可視為模型差異沉降影響的臨界，板厚為50cm時可視為模型的臨界值；在實際工況中，樁間距應控制在160～260cm之間，樁徑控制在40cm左右，混凝土板厚應該控制在50cm左右。

關鍵詞：鐵路工程；軟土路基；樁板結構；過渡段；數值模擬

0" "引言

軟土路基一直都是工程建設的攻堅難題，在地質情況復雜條件下，處理好軟土路基可以直接提升鐵路安全系數，降低風險，為能夠更好進行加固處理，許多專家學者針對該問題開展相關研究。

姜廣州[1]為減少軟土路基沉降量，通過室內試驗改變樁間距和板厚以及樁本身布置情況，研究樁板結構對該路基影響，得出板厚、樁間距以及布置情況與沉降量的變化規律。秦旗[2]基于數值模擬對橋梁連接過渡段進行數值計算，并將其與傳統研究進行對比，以此研究不同過渡段設計方案的可行性和參考價值。司劍鋒等人[3]為研究橋梁的穩定性，對現階段橋墩進行穩定分析，并研究其既有樁板結構，比較其經濟性和技術性，為橋墩樁板加固提供合理方案。王凱等人[4]為研究支護結構穩定性，提出新型約束樁板結構，并測試該結構約束能力，分析土體損傷情況，以此判斷安全工作狀態。

本文通過數值模擬，并結合實際工況，研究不同加固方案在鐵路軟土地基過渡段加固作用，分析樁板結構不同參數與差異沉降的變化規律，為實際工況提供參考。

1" "工程概況

尼日利亞鐵路現代化項目拉各斯至伊巴丹段工程，為連接尼日利亞港口城市拉各斯至西南工業重鎮伊巴丹的一條客貨共運雙線鐵路，通過單線鐵路可連接至阿帕帕港口，實現港鐵聯運。該鐵路線全長157km，支線長度達到7km，屬于標準化現代鐵路，其設計速度達到150km/h。

鐵路施工段ADK3+685～+790段為軟土路基，該路段路基無法滿足鐵路通車要求，為滿足沉降要求，需要對該路段路基樁板加固。

ADK3+685～+790段土壤結構厚度超過0.6m，現通過樁板對其進行加固。樁身使用C35鋼筋混凝土，樁徑為1m，間距為5.0m，板厚0.8m，長和寬分別為10m和8m。該路段軟土路基地層主要由換填土、雜填土、軟塑粉土、細砂等構成。

經工程勘察得知，該鐵路段地層路基物理力學性能較差，由于受到原始交通路線影響，對該路基需設過渡段，通過選用樁板結構，以此對軟基進行加固。

2" "模型建立

2.1" " 模型及參數

基于數值模擬對路基進行研究，分析其結構沉降變形規律。由于地層結構復雜，過渡段地層軟土厚度漸變，導致該區域應力變化較大。在模型建立過程中，由于過渡段結構的差異沉降情況復雜，因此模型只有側面有滑動支撐約束。

在實際工況中，路基容易受到雨水干擾，因此模型需要考慮該方面因素，結合地表非飽和滲流和飽和滲流作用，在相關定律基礎上定義模型參數。

2.2" " 荷載工況情況

為對軟土路基進行加固，采用兩種方案進行過渡段數值模擬，分別為樁板結構加固和攪拌樁加固。兩類模型荷載工況類似，分別為步驟1：樁板結構施做，平衡地應力；步驟2：制作混凝土板；步驟3：第一層填土；步驟4：第二層填土；步驟5：第三層填土；步驟6：堆載預壓；步驟7：固結排水。模型在模擬填筑過程中，以3層填土進行澆筑，二、三兩層填土堆載預壓通過外部加壓實現。為進一步探究兩種方案的差異性，現對兩種方案沉降量在過渡段的變化情況進行分析。

2.3" " 兩種方案過渡段效果情況分析

基于數值模擬對兩種方案在過渡段沉降情況進行分析，過渡段情況主要由差異沉降量情況進行判定。對該模型頂面中心和路肩處取監測點，分析其總沉降量、10年后沉降情況、橫斷面路肩差異沉降量以及變形量與里程的變化關系，得出兩種方案的差異沉降控制效果。總沉降量計算結果如圖1所示。

由圖1可知，相較于攪拌樁模型，樁板結構模型的總沉降量發生變化，其總沉降量最大值低于0.15m。而攪拌樁模型的總沉降量最大值接近0.4m，是樁結構的1倍多。由此說明，樁板結構可以有效提升軟土路基的穩定性。另一方面攪拌樁模型的沉降起伏較大，由此說明攪拌樁模型相較于樁板結構模型更加不穩定。為了進一步探究兩種方案的差異性，對10年后沉降情況進行分析，具體情況如圖2所示。

由圖2可知，對比10年后沉降情況不難發現，樁板結構的差異沉降量一直穩定在0.05m以下，其中當里程到達150m時，樁板結構差異沉降量發生改變，但總體變化不大。相較于樁板結構，攪拌樁模型的沉降在10年后依然出現較大沉降量，無論在過渡段還是一般段都呈現穩定上升趨勢。對橫斷面路肩差異沉降量進行對比分析，具體情況如圖3所示。

由圖3可知，樁板結構的差異沉降量最大值低于0.005m，由此說明，橫斷面路肩樁板結構可以有效提升該路段沉降變化。而攪拌樁方案在過渡段的差異沉降量波動范圍較大，其最大值是樁板結構最大值的3倍，由此說明攪拌樁方案對橫斷面路肩的加固作用較差。

橫斷面路肩的總水平變形量變化如圖4所示。由圖4可知，路肩總水平變形量依然維持上述水平，樁板結構的變形量遠小于攪拌樁方案，且其波動幅度也小于攪拌樁方案。通過一般段和過渡段進行對比不難發現，攪拌樁方案一般段的變形控制效果較好，但過渡效果較差。

綜上所述，鐵路軟土路基過渡段應采用樁板結構處理，該方法可使樁長得到控制。樁長漸變可以保證樁板結構的穩定性，并提高差異沉降控制效果。模型該結構設計可以調節樁結構參數，包括間距、樁體半徑、板厚等。

3" "試驗結果分析

3.1" " 樁間距分析

為深入研究樁結構參數對過渡段差異沉降的影響，首先研究不同樁間距在過渡段差異沉降量的變化。其中為了更好的控制變量，該模型的樁徑和板厚分別為40cm和50cm。工況1的樁間距為160cm，工況2的樁間距為260cm，工況3的樁間距為360cm。不同樁間距與差異沉降量影響結果如圖5所示。

由圖5可知，樁板結構在對軟土路基進行加固過程中，樁間距的影響較為明顯。其中：當樁間距為360cm時，差異沉降量最大值可超過0.006m。而當樁間距為260cm時，其差異沉降量減小了一倍，由此可知減少樁間距，可以明顯減少差異沉降的影響。但當樁間距為160cm時，差異沉降量并沒有發生大幅度下降變化，說明當樁間距達到一定值時，可為其差異沉降影響的臨界值。超過該值差異沉降影響較大，低于該值差異沉降影響大體相同。

對于過渡段和一般段而言，過渡段前半段差異沉降量未有明顯變化。當里程超過150m時，差異沉降量才發生變化，在里程175m時達到最高值，并在之后持續下降。差異沉降變化越大，在一般段的差異沉降影響越明顯。因此在實際工況中，應該控制樁間距在160～260cm之間，并在過渡段重點加固。

3.2" " 樁徑分析

研究不同樁徑在過渡段差異沉降量的變化，其中為了更好的控制變量，該模型的樁間距和板厚分別為260cm和50cm。工況1的樁徑為60cm，工況2的樁徑為40cm，工況3的樁徑為20cm。具有模擬結果如圖6所示。

由圖6可知，樁板結構在對軟土路基進行加固過程中，相較于樁間距，樁徑的影響不如樁間距。其中：當樁徑為20cm時，差異沉降量最大值可超過0.005m。而當樁徑為40cm時，其差異沉降沉降量為0.003m，相較于樁徑20cm，樁徑40cm的差異沉降量下降幅度較為明顯，由此可知，增加樁徑可以減少差異沉降的影響。當樁徑為60cm時，差異沉降量無太大變化，由此說明當樁徑在40cm左右時，可為其差異沉降影響的臨界值。

對于過渡段和一般段而言，與樁間距變化一樣，過渡段前半段差異沉降量未有明顯變化。當里程超過150m時，差異沉降量才發生變化，并在里程175m時達到最高值，并在之后持續下降。實際工況中，應該控制樁徑在40cm左右，并在過渡段重點加固。

3.3" " 混凝土板厚分析

為了更好的控制變量，將該模型的樁間距和樁徑分別設為260cm和40cm。工況1的混凝土板厚為70cm，工況2的混凝土板厚為50cm，工況3的混凝土板厚為30cm。不同板厚與差異沉降量影響結果如圖7所示。

由圖7可知，樁板結構在對軟土路基進行加固過程中，相較于樁間距和樁徑的影響，板厚影響較大。其中：當板厚為30cm時，差異沉降量最大值可超過0.009m。而當板厚為50cm時，其差異沉降量接近0.003m，相較于板厚為30cm，模型差異沉降量增加了約3倍，由此可知，增加板厚可以減少差異沉降的影響。當板厚為70cm時，差異沉降量無太大變化，差異沉降量接近0.002，由此說明板厚為50cm時可視為模型的臨界值。之所以板厚影響對遠大于樁間距和樁徑，是因為增加混凝土板厚可以增大樁板結構整體剛度，使板受到的豎向應力減小，變形量減小。

對于過渡段和一般段而言，過渡段前半段差異沉降量未有明顯變化。當里程超過150m時，差異沉降量才發生變化，并在里程175m時達到最高值，并在之后持續下降。實際工況中，應該控制混凝土板厚在50cm左右，并在過渡段重點加固。

4" "結論

本文通過數值模擬并結合實際工況，研究不同加固方案在鐵路軟土地基過渡段加固作用，并分析樁板結構不同參數與差異沉降的變化規律，得出以下結論：

樁間距變化對差異沉降影響較為明顯。樁間距360cm時，差異沉降量可超過0.006m。當樁間距小于260cm時，差異沉降量無明顯變化。

在實際工況中，樁間距應控制在160～260cm之間。樁徑的影響不如樁間距，樁徑為40cm左右時，可視為模型差異沉降影響的臨界值。

實際工況中，應該控制樁徑在40cm左右。板厚對差異沉降量的影響較大，其中當板厚為30cm時，差異沉降量超過0.009m，是板厚為50cm的模型差異沉降量的3倍。板厚為50cm時可視為模型的臨界值。

參考文獻

[1] 姜廣州.樁板結構在公路軟土地基處理中的應用研究[J].河北建筑工程學院學報，2021，39（4）：38-42.

[2] 秦旗.樁板結構路橋過渡段的動力學仿真分析研究[J].鐵道工程學報，2021，38（12）：40-44+49.

[3] 司劍鋒，龔愛軍.龍煙鐵路下穿藍煙特大橋橋墩防護方案研究[J].山西建筑，2021，47（7）：143-145.

[4] 王凱，唐俊逸，吳發源，等.樁前約束型樁板支護結構原理分析[J].地下空間與工程學報，2021，17（S2）：1028-1033+1060.