数值模拟试验在客运专线路基工后沉降预测中的应用

摘 要：通过对郑西客运专线ZXZQ01标段水泥土挤密桩加固处理湿陷性黄土地基工后沉降的数值模拟试验，分析垫层模量、垫层厚度、桩长及桩体模量对路基工后沉降的影响，提出了一些参考数值，以期对今后同类工程项目提供一定的借鉴。

关键词：水泥土挤密桩；湿陷性黄土地基；工后沉降预测

近年来对高速铁路路基工后沉降控制的研究越来越受到人们的关注，路基的沉降观测和预测在工程中有着十分重要的意义，解决软基路堤沉降问题，是工程设计与施工的关键所在。在地基沉降计算方面，理论分析难于考虑路基在复杂工况下的实际受力特性，不易把握，实验研究具有一定的可靠真实性，但可能会受资金、时间、试验难度等条件的制约，实验难于实现。数值模拟分析具有可重复性及经济性的特点，与实验研究相互补充，是研究结果可靠，成本降低，成为了一种有效而可靠的研究手段。

1 工程概况

郑西客运专线ZXZQ01标段正线长42.278km，路基长17.408km，占线路全长的37.2%，大部分处于湿陷性黄土地区，采用水泥土挤密桩处理。桩径0.4～0.5m，间距0.9～1.1m，桩长4～15m，按正三角形布置，桩顶铺1.0m厚的三七灰土加筋垫层，筋材采用抗拉强度不小于80KN/m的土工格栅。基床底层及其以下路基本体采用5%石灰改良土填筑，基床表层以下及路桥过渡段采用5%石灰稳定级配碎石填筑。郑西客运专线是我国湿陷性黄土地区修建的第一条高标准铁路客运专线，设计对路基工后沉降有明确和严格的规定，必须对黄土地基的湿陷性变形量或压缩变形量进行控制，合理确定湿陷性黄土地基的设计原则和处理措施，提出可靠的地基加固设计方案、方法、参数和检验指标，确保工后沉降满足铺轨和行车的要求。

2 水泥土挤密桩加固处理湿陷性黄土地基工后沉降数值模拟分析计算

本文借助有限元分析软件ANSYS对水泥土挤密桩加固处理湿陷性黄土地基工后沉降进行数值模拟分析。

2.1 本构模型的选取

2.1.1 土的线弹性模型

线弹性模型为最基本的本构模型， 其本构关系符合广义虎克定律， 模型只涉及两个独立参数： 弹性模量E和泊松比， 可以通过实验或借助以往经验选取， 目前在工程中广泛使用。

2.1.2 土的弹塑性模型

对于岩土材料而言，目前应用最广的弹塑性模型就是Drucker- Prager模型 （简称DP）。

则DP准则的屈服面不随材料的屈服而改变，因此没有强化准则， 其本构模型采用理想弹塑性，流动法则可以采用关联流动法则或非关联流动法则。该准则的屈服强度随着侧限压力的增加而增加，考虑了由于屈服而引起的体积膨胀，但不考虑温度变化的影响。采用DP理想弹塑性模型比线弹性模型更能模拟土体的弹塑性性质。

2.2 基本假定

2.2.1 各种材料为均质、连续的各向同性体。

2.2.2 桩体和路基表面的级配碎石（即路基表层）刚度较大，一般未达到屈服状态，故按线弹性材料考虑，符合广义胡克定律。

2.2.3 地基土视为弹塑性体。

2.3 有限元模型的建立

为使问题简化处理，本文拟取15×20群桩复合地基进行分析讨论。采用的有限元计算模型与郑西客运专线实际工程的条件保持一致，基床表层采用A组填料填筑，路基采用5%石灰改良土填筑，本体和基床部分压实系数分别要求达到0.92和0.95，桩孔直径为500mm。计算参数位置和各材料的参数图见表1。

为减少剖分单元，减少运算时间，按等面积替换的原则将桩截面形状以正方形代替圆形。考虑到对称性，取半结构进行计算。选取的计算区域为：选取右半幅路基，黄土地基竖向尺寸取30m，横向分析程度取地基处理宽度以外20m，横向20排桩，桩间距为0.607m；纵向长度取13.185m，纵向15排桩，桩间距为0.467m。左右侧边界（X向）采用X向约束支座，前后侧边界（Z向）采用Z向约束支座；下边界（Y向）采用固定约束，即X向，Y和Z向都不发生位移；上边界为自由边界。荷载分5级进行加载，每级加载值分别为30KPa、60KPa、90KPa、120KPa和170KPa。

本文采用空间8结点等参单元，共剖分105720个单元，109800个结点（网格剖分示意图见图1）

2.4 计算结果分析

本文共计算4中工况，20组方案，各计算方案地基土的弹性模量保持不变，改变桩长，填筑高度，垫层厚度，刚度和桩体刚度值，实现桩体，基础与地基土弹性模量的变化。由于该模型中挤密桩较多，故只取纵向第8排桩的第3根桩进行分析。

2.4.1 垫层模量对桩顶位移的影响

垫层刚度分别取10、30、50、80、100MPa进行计算，以探讨垫层模量的改变对半刚性桩复合地基的影响规律。由图2看出：随着垫层模量的逐渐增加，桩顶位移越来越小，但是该位移变化曲线的斜率在10～50MPa之间的最大，在50～80MPa之间越来越小，大于80MPa时曲线的斜率趋于零。这就说明在此种工况时选择50～80MPa的垫层刚度是比较合适的，而仅依靠继续增加垫层模量来降低桩顶位移的方法是不可取的。

2.4.2 垫层厚度对沉降量的影响

垫层厚度分别取0（很小）m、0.5m、1.0m和1.65m进行计算分析。由图3看出：当垫层厚度<1.0m时，桩体的沉降值随着垫层厚度的增加迅速减小，在桩顶处垫层厚度由0m增至0.5m和由0.5m增至1.0m时，桩顶的沉降幅度分别为7.17mm/m、6.05mm/m；而由1.0m增至1.65m时的值仅为0.33mm/m。通过以上分析可知，在垫层厚度由1m增至1.65m的区间内，随着垫层厚度的增加，桩体的沉降值越来越小，但是减小的幅度很不明显，因此，在垫层厚度达到某一值（本文取1.0m）后，单纯地依靠增加垫层厚度来降低沉降方法是不可取的。复合地基实际上存在一个最佳垫层厚度。垫层厚度设置的合理与否，直接影响到垫层对复合地基沉降值的变化。若设置的垫层厚度过大，那么就增加了垫层的压缩量，从而增加了上部结构的沉降量，同时也要避免垫层设计过薄，以保证桩体向上相对刺入的深度和垫层的合理流动。

2.4.3 桩长对沉降量的影响

夯实水泥土桩复合地基承载力随桩长径比的增大而提高。桩长对承载力的影响表现为达到一定长度后，增加桩长对承载力的影响降低。由图4看出：与刚性桩不同，水泥土挤密桩复合地基桩长与沉降的关系曲线较为平缓。随着桩长的逐渐变大，桩体的沉降值逐渐减小，减小的幅度在桩长为8～14m之间较大，在14～16m之间幅度较小，甚至不变。这说明桩长达到某一长度后，增加桩长对工后沉降值的影响微乎其微了，即存在一临界值桩长（约14m），这表明增加桩长不能显著减小复合地基的沉降量。因此，在达到临界桩长后，不能单纯依靠增加桩长的办法来降低复合地基的沉降量。对该模型的水泥土挤密桩，临界桩长在12～14m较为理想。

2.4.4 桩体模量的影响

本文分析桩体模量对沉降变形的影响时，桩体模量分别取50、100、150、200MPa，则其对应的桩土模量比3.73、7.52、11.28和15.04。桩体模量与沉降之间的关系直接决定着复合地基的承载力，由图5可以看出桩体模量影响复合地基的沉降规律：随着桩体模量的增大，桩体的沉降量逐渐减小；但在桩体模量达到某一值（150MPa）时，再继续增加桩体模量，桩体沉降值减小的幅度越来越不明显，这说明在桩体模量为150MPa时，桩体发挥的作用最为理想。可见桩体模量有一个合适的范围，对水泥土挤密桩来说，桩体模量的采用150～200MPa较为合适。

3 结束语

通过对郑西客运专线ZXZQ01标段湿陷性黄土地基的数值模拟试验分析，可以看出沉降量预测对路基工后沉降的有效控制具有重要的意义，并得出以下结论：

3.1 褥垫层的模量和厚度对水泥土挤密桩复合地基变形特性有重要影响。垫层模量及厚度在一合适范围内越大，则调整桩土协调变形的能力越大；本文垫层模量50～80MPa之间选取比较合适，垫层的最佳厚度在1.0m左右。

3.2 增加桩长可以在一定程度上提高复合地基的承载力，降低沉降量，但当桩长增加到一定程度时，随着桩长的增加，地基的承载力增加的效果很弱，采用合理的桩长即满足上部荷载的需要，又达到经济的目的，水泥土挤密桩复合地基有效桩长取12～14m之间。

3.3 在一定范围内增加桩体的模量可以提高地基的承载力，降低沉降量，但当模量增加到一定程度时，随着模量的增加，沉降减小的效果很微弱，因此一味地依靠增加桩体模量来降低复合地基的沉降是不可取的，建议水泥土挤密桩复合地基的桩体模量取值在150～200MPa之间。

参考文献

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作者简介：高海英（1980-），女，河南南阳人，中铁七局集团有限公司工程师，研究方向：岩土工程。