铁路客运专线CFG桩复合地基路基稳定性分析

黄大春

1 工程概述

水泥粉煤灰碎石桩(CFG)是在素混凝土桩工艺上发展起来的新型桩体,桩体的材料主要由碎石、砂、粉煤灰与适量水泥和水拌制而成。桩体与桩间土体共同作用,组成CFG桩复合地基[1]。由于该桩体具有施工简单、加固效果好、节省材料等优点,被广泛的应用在已经通车运营的京津城际铁路、武广客运专线和正在建设中的京沪高速铁路、津秦铁路客运专线等工程的路基基地处理中。根据我国《客运专线无砟轨道铁路设计指南》的规定,路基工后沉降一般不应超过扣件允许的沉降调高量15 mm[2],我国现有的客运专线和高速铁路规范由于岩土材料性质的复杂性和变异性,岩土工程边界条件的不确定性及影响因素的众多,到目前为止还没有适合于复合地基设计和计算工后沉降的准确方法。本文将通过数值分析技术分析这些因素对复合地基路基沉降影响的程度和规律。

2 CFG桩复合地基对路基稳定性的作用机理

1)桩体作用。由于复合地基中桩体的刚度比周围土体的刚度大,在刚性基础下桩土竖向等量变形时,地基中应力按材料的模量进行分配。因此,桩体上产生应力集中现象,大部分荷载将由桩体承担,桩间土承担的荷载减小,其应力也相应减小,这就使得复合地基承载力较原地基有所提高,沉降有所减少,随着桩体刚度增加,其桩体作用更为明显。2)垫层作用。桩与桩间土复合形成的复合地基,在加固深度范围内形成复合层,它可起到类似垫层的换土效应,均匀地基应力和增大应力扩散角等作用,在桩体没有贯穿整个软弱土层的地基中,垫层的作用尤其明显。3)加速固结作用。水泥土类和混凝土类桩在某种程度上也可加速地基固结,因为地基固结不但与地基土的排水性能有关,还与地基土的变形特性有关,虽然水泥土类桩会降低地基土的渗透系数,但它同样会减小地基土的压缩系数,而且通常后者的减小幅度要较前者大。因此,使加固后水泥土的固结系数大于加固前原地基土的固结系数,同样可起到加速固结的作用,而且增大桩与桩间土模量对加速地基固结也是有利的。4)加筋作用。复合地基不但提高地基的承载力,而且可用来提高土体的抗剪强度,因而可提高土坡的抗滑能力。这种人工复合的土体可增加地基的稳定性。

3 数值计算分析CFG桩复合地基路基稳定性

3.1 桩长对路基稳定性的影响

3.1.1 桩长对路基侧向位移的影响

图1是在保证其他基本工况不变,分别对桩长为6 m,9 m,10 m,15 m的路基侧向位移计算后所绘制的曲线变化图。

从图1中可以看出,侧向位移最大值出现在距离路基中心线处6 m左右,随着桩长的增大,这一位置略靠近路基中心线处。随着桩体长度的增大,路基侧向位移呈减小趋势。

3.1.2 桩长对路基沉降的影响

图2是在保证其他基本工况不变,分别对桩长为6 m,9 m,10 m,15 m的路基竖向位移计算后所绘制的曲线变化图。

从图2中可以看出,随着桩体长度的增大,路基竖向位移呈减小趋势,其拟合曲线为:

其中,S为路基竖向位移;l为桩体长度;R2为拟合优度,其值越大说明拟合效果越好,越接近真值。

3.2 桩间距对路基稳定性的影响

3.2.1 桩间距对路基侧向位移的影响

图3是在保证其他基本工况不变,对桩长为8 m,桩间距分别为1.2 m,1.6 m,2.0 m,2.4 m的路基侧向位移计算后所绘制的曲线变化图。

从图3中可以看出,侧向位移最大值出现在距离路基中心线处6 m左右。随着桩间距的增大,路基侧向位移呈增加趋势。

3.2.2 桩间距对路基沉降的影响

图4～图6分别是在保证其他基本工况不变,对桩长为8 m,桩间距分别为1.2 m,1.6 m,2.0 m,2.4 m的路基竖向位移计算后所绘制的路基顶面沉降曲线变化图、桩顶顶面沉降曲线图及桩间距与竖向沉降的关系图。

从图4～图6中可以看出,随着桩体间距的增大,路基顶面竖向位移呈增大趋势,其拟合关系式为:

其中,D为桩体间距;S为竖向沉降。

不同桩体间距时桩体都出现上刺入和下刺入现象,桩体间距越小,上下刺入现象越显著,沉降量越大。

4 结语

1)随着桩体长度的增大,桩顶附加应力略有增大趋势,而桩底处附加应力增大较明显,竖向位移呈线性减小趋势;沿横断面方向不同桩体随着远离路基中心线距离的增大,桩顶应力略呈减小趋势,侧向位移在距路基中心线6 m处达到最大值。2)随着桩体间距的增大,桩体附加应力呈明显增大趋势,而桩体附加应力改变不明显,平均桩土应力比呈增大趋势;随着桩体间距的减小,桩体的刺入现象变得比较显著,竖向位移呈线性减小趋势。

[1]杜永昌.高速与客运专线铁路施工工艺手册[M].北京:科学技术文献出版社,2006.

[2]韩自力.新建时速300-350公里客运专线设计暂行规定[M].北京:中国铁道出版社,2008.

[3]张兆锋,裴富稳.浅谈CFG桩复合地基施工与组织[J].山西建筑,2009,35(10):73-74.