拉伊鐵路運營期軟土路基沉降分析

陳濤

摘要：運營期的鐵路沉降分析是鐵路建設中控制成本的重點考慮因素，針對拉伊鐵路軟土地區橋臺路基運營期沉降分析，通過動荷載加載400次、800次、1200次進行變形計算，研究運營期拉伊鐵路的軟土區橋臺路基變形。結果表明：當持力層較深時，軟土地區鐵路橋梁可根據計算采用摩擦樁，運營期的沉降在列車運行400次內，其變形較大，在400～800次存在一定的變形，1200次后橋臺路基沉降基本上趨于穩定，且其工后沉降滿足鐵路變形控制要求。

關鍵詞：鐵路工程；運營期；沉降計算；軟土地區；摩擦樁

0? ?引言

軟土路基對于工程的施工及使用均存在不利的影響。當軟土路基土層處于流、軟塑狀況時，對于大跨度橋梁樁基需要較大的樁徑，軟土導致工程樁基施工的側壁難以成型，需采用強度較高的泥漿護壁，必要情況下需采用鋼護筒進行跟進施工。

鐵路軟土路基的工后沉降對鐵路運營影響較大，需進行路基處理，才能保證鐵路路基的安全，避免發生不利于鐵路運行的路基沉降等問題。運營期鐵路的沉降，通常是由于循環動荷載作用下塑性應變不斷積累和下臥層土體不斷固結產生的。

目前，國內軟土地基的研究已成為熱點問題。如雷華陽[1]等針對排水板易淤堵、加固效果欠佳等問題，提出一種新型交替式預壓技術，可有效防止淤堵泥層的加劇，使得土體加固效果提升。王連俊等[2]針對云南某高速公路河谷區復雜沉積環境多層軟土地基，采用強夯墊層法處理的加固效果與沉降變形進行觀測研究，在地基處理及路基填筑期間，通過不同觀測斷面的監測數據，分析了不同類型軟土地基的土體變形、應力和孔隙水壓力等數據隨時間的變化規律。周洺漢[3]等針對鐵路運營期路基沉降進行研究，通過一系列的方式手段對運營期鐵路路基沉降進行綜合治理，研究一種解決鐵路運營路基期沉降的方法。

中國鐵路技術在國際舞臺不斷進步、標準化進程不斷發展，使得中國標準鐵路在國際上占據了較大的市場份額。同時在不同的地區因其環境及地質情況的不同，給我國鐵路的設計建造帶來了較大的挑戰。本次研究以拉伊鐵路為背景，對軟土路基段處理措施、軟土區橋臺路基處置措施和軟土區橋梁樁基選型進行了介紹，并對軟土地區段橋臺處路基運營期在列車動荷載作用下固結沉降問題進行研究[4]，分析其動荷載對軟土區橋臺路基處的沉降影響。

1? ?工程概況

拉伊鐵路正線總長度156.075km，位于尼日利亞國西南部，南起尼日利亞最大的港口城市Lagos市，向東北經Abeokuta、Ibadan城市。線路所經地區地形呈波狀起伏，地勢北高南低，地面高程海拔10～650m，相對高差100m以上，從南至北為南部海積平原區、低山丘陵區、侵蝕平原及剝蝕殘丘區。

拉伊鐵路里程DK0+000～DK23+500段為濱海海積平原，地勢平坦，區間分布許多瀉湖，最為出名的為拉各斯瀉湖。根據地質情況可知，鐵路沿線地質情況較差，部分路基段位于軟弱土層，軟土地區對工程建設及鐵路運營均存在較大的不利影響，同時工程地勢地面高程為5～250m。

拉伊鐵路沿線地下水埋藏于濱海及海積平原區及各大河谷中的第四系沖積層中，埋深2～5m，水量豐富，主要受地表水及大氣降水雙重補給，水質受自然環境影響較大，其中濱海海積平原區的孔隙潛水水質較差。

拉伊鐵路軌道路基段正線采用ⅢB型混凝土軌枕+彈條Ⅲ型扣件，橋面段采用新Ⅲ型橋枕+Ⅱ型扣件；正線軌道上道岔采用P60-12和P60-9道岔，側線采用P50-9道岔。正線與側線采用有砟軌道無縫線路鋪設，軌道示意圖如圖1所示。

2? ?軟土區路基處理和橋梁樁基選型

2.1? ?海積平原路基處理措施

拉伊鐵路里程DK0+000～DK23+500段位于海積平原地區，場地存在深厚淤泥，作為鐵路路基結構段時路基沉降較大，不滿足鐵路沉降控制，為控制該路段的沉降值，可增加該路基上層土體的整體剛度，防止因局部沉降導致路基結構的破壞，一般路基段結構擬采用釘形水泥土雙向攪拌樁處理。其中：攪拌樁直徑為500mm，總樁長16m，擴大頭為800mm，長2m，樁基分布采用2m矩形布置。

施工期樁頂清表后，頂層設置砂礫褥墊層（500mm），內鋪土工格柵一層（雙向60kN）。道路上層結構上填礦渣，均勻分層夯實，回填至路基結構層下。

2.2? ?路基與橋梁銜接處措施

針對路基與橋臺結構不均勻沉降問題，臨近橋臺路基采用釘形水泥土雙向攪拌樁處理，直徑為500mm，擴大頭采用長2m、直徑800mm的結構，總樁長以12～18m變樁長控制，樁基分布采用1.3m矩形布置。

樁頂清表與路基段一致，臨近橋臺路基相接段采用泡沫混凝土填筑，路基上層填筑礦渣（橋臺后、涵洞后10m為級配砂礫），均勻分層夯實，回填至路基結構層下。

2.3? ?確定鐵路橋梁樁基結構

因大部分路段土層基巖較淺，巖層具有較大的承載力，為此該路段鐵路橋采用端承樁。濱海海積平原區段層深厚軟土層，采用端承樁時需設置較長的樁基，存在造價高等問題。對于濱海海積平原區，可通過沉降分析計算研究采用摩擦樁的可行性。

以軟濱海海積平原區12-15號墩臺為例，該橋梁正線橋面寬度為11m，墩臺的尺寸如圖2所示。其中：12、13號墩承臺長10.2m，寬6.9m，樁長38m；14號墩承臺長15m，寬8m，樁長39m；15號墩承臺長14.3m，寬10.4m，樁長40m。其中，12、13、14、15等墩臺的樁均采用摩擦樁，所處地層為①₀素填土、①₁黏土、②₁淤泥、④₁黏土、⑤₁黏土、⑤₂粉質黏土。

本工程濱海海積平原區土層較差，針對不同的路段其基礎結構均不一致，路基段處置方案主要是對上層軟土地層進行加固處理，加固深度總長可達18m。根據沉降分析可知，鐵路工后沉降變形可控。橋梁段可采用摩擦樁，同時需對橋梁段工后沉降進行變形計算。

3? ?橋梁段工后沉降分析

為驗證拉伊鐵路濱海海積平原區橋梁工后沉降問題，選取DK0+000～DK23+500段12-15號橋梁樁基進行研究，該段處于深厚淤泥地層，橋梁樁基采用摩擦樁。

軟土路基濱海海積平原區12-15號墩臺位置土層參數參考詳勘報告，土層物理力學參數如表1所示。

3.1? ?荷載分析

3.1.1? ?靜荷載

列車（活）荷載按相關規范選取，簡稱中-活載。活載的分布情況如圖3所示。活載主要通過軌道進行傳播，將下層結構作用于一個整體，鐵路的荷載直接作用在下層結構，為垂直受力。

根據相關規范，活載的作用須按最不利情況考慮。按運營過程中承受的最大的荷載作用，即最大軸重進行考慮。同時在有限差分模型中，可將集中力轉化為縱向均布的線荷載，其線荷載的值如下：

P_s=220/1.5=146.67kN/m（1）

3.1.2? ?動荷載

根據鋼軌的分布情況可知，在輪載力P作用下，根據碎石道床軌道結構基礎受力情況，一般認為列車輪載荷載主要由5～7根軌枕承擔，并通過道床傳遞給路基。

通過簡化計算，假定列車的荷載作用由5根軌枕分擔，其分擔到每根枕面上的支承力，假定分別為0.4P，0.2P及0.1P，如圖4所示。

輪載力P是按動荷載計算，具體如下：

P_d=P_s（1+αv/100）（2）

式中：P_d為動輪載，P_s為靜輪載，α為沖擊系數通過規范取值，采用無縫線路時，α=0.00；v為列車運行速度。

拉伊鐵路正線設計速度為150km/h，支線速度為80km/h，本次針對正線速度150km/h進行驗算。根據相關研究及參考規范，模擬車輛荷載對結構的影響，通過對軌道施加車輛荷載來模擬巖土體在荷載作用下的反應。運用正弦波荷載定義車輛荷載的表達式如下：

F₀=P_s+P_dsin（wt）（3）

式中：P_d為動輪載，P_s為靜輪載。

3.1.3? ?不同動荷載作用下

列車荷載為采用不同的次數進行分析計算，考慮列車的行駛速度為150km/h，荷載加載次數分別為400次、800次、1200次，加載時間設為0.25s。

3.2? ?模型建立及變形計算

3.2.1? ?建模

模型計算根據工程的情況選取，本次模型計算采用有限元進行分析，模型采用簡化模型，模型的取值范圍為170m×27m×108m（長×寬×高），模擬該范圍內的地應力巖土結構分析。

本次有限元分析主要針對列車動荷載應用過程，模型鉆孔樁、土層及橋跨結構均采用實體單元進行建模。模型整體三維結構共47562個單元，56789個結構節點。

有限元模型根據結構模型分為橋梁結構單元、土層結構單元，其中橋梁等混凝土結構采用彈性本構模型，土層單元本構模型采用M-C彈塑性模型。

模型邊界條件主要為有約束的邊界，根據模型結構X、Y、Z的三個方向，X、Y側邊界約束采用水平法向約束，模型低部采用固定約束，頂面不施加約束。橋梁樁位于土層中模型如圖5所示。

3.2.2? ?變形計算

模型的受力分為兩步進行，第一步為模型的自重應力，模型通過施加自重應力后，即可進行地應力平衡，待平衡后再施加動荷載。動荷載可通過靜荷載在模型中進行施加，動荷載加載為不斷重復過程，并通過接口程序不斷的運行，然后記錄加載400次、800次、1200次結果。

通過計算分析可知，其最終加載1200次的應變結果如圖6所示。同時其軌道中心線工后沉降如圖7所示。不同荷載次數的變形位移如表2所示。

根據計算結果可知：動荷載在加載400次內，其結果變化較大，為變形高速發展過程；動荷載在加載400～800次，發生一定的變形，該過程為發展期；動荷載在加載800～1200次，變形基本趨向穩定，變形較少，為穩定收斂期。

運營期最大沉降位于12-15橋臺間，考慮到結構的塑性變形的不利因素，其最大沉降為4.21mm，滿足鐵路變形的控制要求，同時給軌道扣件預留了變形空間。

4? ?結束語

運營期的鐵路沉降分析是鐵路建設中控制成本的重點考慮因素。本文針對拉伊鐵路軟土地區路基沉降問題，提出了軟土地區路基段處置措施、軟土區臨近橋臺路基處置措施和軟土區橋梁段樁基措施。

針對拉伊鐵路軟土地區橋臺路基運營期沉降分析，通過動荷載加載400次、800次、1200次進行變形計算，研究運營期拉伊鐵路的軟土區橋臺路基變形。得出以下結論：

拉伊鐵路軟土區路基采用釘形水泥土雙向攪拌樁處理措施，頂層設置500mm厚砂礫褥墊層，內鋪土工格柵一層。路基和橋臺銜接處采用釘形水泥土雙向攪拌樁處理，橋臺路基相接段填筑泡沫混凝土，軟土區橋梁采用摩擦樁形式，即能夠滿足施工要求。

橋梁段運營期最大沉降位于12-15橋臺間，其最大沉降量為4.21mm，滿足鐵路橋的安全控制要求。

橋梁段動荷載的影響過程分為高速發展期、發展期、穩定收斂期等3個過程，拉伊鐵路軟土路基運營期在動荷載0～400次為高速發展期，400～800次為發展期，800～1200為穩定收斂期。

參考文獻

[1] 雷華陽，劉安儀，劉景錦，等.超軟土地基交替式真空預壓法加固效果影響因素分析[J].巖石力學與工程學報，2022，?41（2）：12.

[2] 王連俊，楊天琪，帥宇軒等.強夯墊層法對河谷區軟土地基加固效果研究[J].公路，2022，67（1）：46-52.

[3] 周洺漢，商擁輝，徐林榮，等.高鐵路基運營期沉降超限治理措施及效果評估[J].鐵道標準設計，2017，61（12）：28-34.DOI：10.13238/j.issn.1004-2954.2017.12.007.

[4] 徐明偉.高速鐵路運營期線橋結構沉降監測及安全評估[J].2014，40（4）：20-23.DOI：10.19630/j.cnki.tdkc.2014.04.007.