高速铁路CFG桩网复合结构设计参数分析

2010-03-06宫全美王炳龙

华东交通大学学报 2010年6期

王漾,周萌,宫全美,王炳龙

（同济大学道路与交通工程教育部重点实验室,上海 201804）

随着我国高速铁路的飞速发展,高速铁路的高平顺性等要求对铁路地基的变形要求越来越严格,但我国拟建和在建的线路在许多地区都必须穿越软土地基,由于工程性质较差,天然软土地基往往不能满足高速铁路建设的要求,必须对地基进行处理。地基处理的方法很多,CFG桩复合地基因其费用低、施工方便、承载力高和适应性强等优点而得到广泛的推广和应用。

国内学者针对CFG桩复合地基做了大量的研究。阎明礼等[1]研究了复合地基的承载和变形特性、设计计算方法、施工工艺和施工质量控制。谢志英等[2-4]从垫层厚度、垫层模量、桩土模量比与沉降的关系分析了复合地基的沉降规律。李少和等[5]探讨了垫层厚度和模量对桩土应力比、桩侧摩阻力、沉降变形、承载力的影响,并得出一些规律。元翔等[6]将轨道列车荷载简化为换算土柱分析了不同地基处理方案如水泥土、桩帽网、和桩板方案对沉降规律和桩土应力比的影响.杨龙才等[7]研究了低路堤CFG桩不同垫层结构形式的动力响应。国内外学者对CFG桩复合地基性状虽有了一定的研究,但由于其受力、变形机理的复杂性,尚无形成一套较合适的设计理论。因此CFG桩设计参数研究还有待于进一步的深入,以在保证列车长期运营安全的基础上,控制工程造价。

本文针对京沪高速铁路软土地区徐沪段的CFG桩复合地基,以动力有限元数值模拟为主要研究手段,就有无桩帽、不同桩长、不同桩间距下的CFG桩复合地基的动应力、动位移等沿地基面的变化和桩土分担比的变化进行研究,以期为高速铁路CFG桩复合地基的设计提供理论依据。

1 计算断面及计算方案

京沪线徐沪段地层岩性如下:①黏土,硬塑,σ0=180 kPa;①1淤泥质黏土,流塑,σ0=80 kPa;①2黏土,软塑,σ0=120 kPa;②1 角闪岩,全风化,σ0=250 kPa;②2 角闪岩 ,强风化 ,节理裂隙发育,岩体破碎,σ0=500 kPa;②3角闪岩,弱风化,节理裂隙发育,岩体破碎,σ0=800 kPa。

计算断面取自京沪线徐沪段DK849+570.000,见图1。线路为板式轨道,地基处理方式为桩网结构,路基高度4.15 m,其中基床表层0.4 m,碎石垫层厚0.6 m,垫层内铺设一层土工格栅。桩为端承桩,桩径0.5 m,桩间距1.8 m,持力层为强风化角闪岩。地层分布从上而下依次为①黏土（6 m）,和②2强风化角闪岩。

图1 DK849+570横断面设计图

为了比较不同垫层形式、不同桩间距、不同桩长等对地基动力特性的影响,根据DK849+570.000的设计参数组合了8种计算方案,见表1。8种计算方案中桩径均为0.5m,桩帽直径为1 m,桩帽厚度为0.4 m。

表1 不同计算方案

2 计算理论及计算参数

式中:Esp—桩墙的弹性模量;Ep—桩体弹性模量;Es—土体弹性模量;l—桩间距;D—直径。

2.1 模型及边界条件

因路基横断面沿路基中心是对称的,有限元模型按半断面建立。地基土的计算宽度为半路基底部宽度的3倍,深度为最大桩长的2倍。

地基土体、路基填土、垫层和结构（如桩、桩帽、钢筋混凝土板）本构模型为理想弹性模型,均采用4节点实体单元进行模拟。

模型上表面为自由边界,左右两侧水平位移约束,底部为全约束。动荷载以点激振的形式施加在轨道板上两股钢轨位置处。

2.2 计算参数

根据勘察资料及相关经验,确定该断面的动力计算参数见表2。此外,将土工格栅视为弹性模量提高

采用ADINA有限元计算软件,按平面应变问题考虑。在平面应变计算中,将桩简化成桩墙,同时对桩墙模量按（1）式进行折减。为临近碎石垫层的1.4倍弹性模量的均质实体单元,并改变泊松比以模拟土工格栅对侧向变形的影响[5]。

表2 动力计算参数

2.3 列车荷载

根据CRH3型动车轴重15 t,速度300 km◦h-1,冲击系数1.2,构造列车轮轨冲击荷载,以移动荷载的形式施加在板式轨道模型[8]钢轨上（如图2）。轨下胶垫静刚度值取60 MN◦m-1,垂向阻尼系数取75 kN◦s◦m-1。道床刚度取120 MN◦m-1,阻尼取60 kN◦s◦m-1。计算得扣件支点力,如图3所示。

图2 板式轨道模型

图3 扣件支点力

3 计算结果与分析

8种方案计算结果见表3,比较有无桩帽、不同桩长、不同桩间距下的地基面沉降和应力变化,得到不同设计参数下的CFG桩复合地基的动应力、动位移等沿地基面的变化和桩土分担比的变化规律。

表3 不同方案计算结果

3.1 有无桩帽比较

针对方案2,4,对桩径为0.5 m,桩间距1.8 m,桩长6.5 m的有桩帽和无桩帽的桩网结构进行计算分析。

图4为有无桩帽地基面的动位移沿地基宽度的分布,可以看出不同垫层结构的地基面动位移有明显的差别。地基面桩的动位移小于桩间土的。最大动位移在地基中心处,无桩帽的桩网结构地基面动位移较大,较有桩帽的桩网结构大7.8%。

图5为有无桩帽地基面动应力的分布,可以看出有无桩帽对地基面的动应力有明显影响。桩网结构有桩帽下的地基面动应力较小,桩网无桩帽结构下的地基动应力较大,这是由于无桩帽桩网结构在地基面上桩的表面积较有桩帽桩网结构小,因此易承担更大的应力。桩网无桩帽的地基面桩土承担的动应力比较有桩帽大。桩土动应力比越大,地基面桩、桩间土处的动位移越大。

图4 有无桩帽最大竖向动位移地基分布

图5 有无桩帽最大竖向动应力地基分布

3.2 不同桩长比较

针对方案1,4,7,8,对桩径为0.5 m,桩间距1.8 m,桩长分别为5,6.5,8.5,11 m,持力层都是②2强风化角闪岩的有桩帽的桩网结构进行计算分析。

图6为不同桩长最大竖向动位移沿地基面的分布,可以看出桩间土和桩的差异沉降。如图7所示,桩长为6.5 m地基面最大动位移较桩长5 m减小了10.4%;桩长为8.5 m最大动位移较桩长5 m减小了19.6%,桩长为11 m最大动位移较桩长5m减小了25.9%。

图8为不同桩长最大竖向动应力地基分布,在持力层相同的情况下,不同桩长在地基面的动应力没有明显变化,最大动应力在14 kPa左右。

桩长5,6.5,8.5,11m的地基面桩土承担的应力比依次减小,地基面桩、桩间土处的动位移越小。

图6 不同桩长最大竖向动位移地基分布

图7 不同桩长最大动位移值

3.3 不同桩间距比较

针对方案3,4,5,6,对桩径0.5 m,桩长6.5 m,桩间距分别为1.5,1.8,2,2.5m的有桩帽的桩网结构进行计算分析。

图9为不同桩间距最大竖向动位移沿地基面的分布,桩间距对地基面的动位移影响较大,随着桩间距的增大,最大动位移呈线性增大,最大动位移皆出现在路基线路中心处。如图 10所示,桩间距为1.8 m地基面最大动位移较桩间距1.5 m增加了8.0%;桩间距为2 m地基面最大动位移较桩间距1.5 m增加了12.4%.;桩间距为2.5 m地基面最大动位移较桩间距1.5 m增加了23.4%。

图8 不同桩长最大竖向动应力地基分布

图10为不同桩间距下地基面动应力的分布,可以看出桩间距对动应力有明显影响。桩间距越大,在相同地基面范围内,桩的表面积越小,因此承担越大的动应力。如图12所示,桩间距为1.8 m最大动应力较桩间距1.5 m增加了15.1%;桩间距为2 m最大动应力较桩间距1.5 m增加了20.5%;桩间距为2.5 m最大动位移较桩间距1.5 m增加了38.5%。

桩间距1.5,1.8,2,2.5 m的地基面桩土承担的应力比依次增加,地基面桩、桩间土的动位移增大。