水泥土挤密桩加固既有线路基数值模拟研究

赵秀绍 郑 伟 庄锦彬 邹远航

(华东交通大学土木建筑学院， 南昌 330013)

水泥土挤密桩加固既有线路基数值模拟研究

赵秀绍 郑 伟 庄锦彬 邹远航

(华东交通大学土木建筑学院， 南昌 330013)

水泥土挤密桩加固既有路基的施工工法在实践中已经得到广泛应用。根据路基内应力分布特点，等长桩加固的工法费时耗材，进行长短桩布置能够省时省料。本文采用有限元分析软件建立了长短水泥土挤密桩加固路基模型，分析了不同的长短桩路基加固方案对沉降变形的影响。模拟结果表明，水泥土挤密桩能够对路基起到较好的加固效果，且钢轨正下方两侧的加固桩对路基的加固效果有重要作用，不可减短，线路中心及钢轨外侧的加固桩可适当减短。通过对模拟结果的分析，以期优化后的方案能够对工程实践起到指导性作用。

路基加固； 水泥土挤密桩； 数值模拟； 长短桩； 优化设计

随着客运铁路的提速，按照原时速设计的路基已经不能满足提速后的承载力要求，对既有路基进行加固，使其承载力满足要求至关重要。水泥土挤密桩加固路基工法得到了较为广泛的应用。水泥土挤密桩对路基起到加固作用主要表现在两个方面，一方面水泥土强度较高，相较于所置换的路基填土具有较高的强度。另一方面，挤密桩能够对桩周土体起到挤密作用，使原路基填土得到进一步压实，从而提高复合地基的承载力。目前使用该工法处理既有路基均为等长桩，单线铁路横截面使用六根桩进行处理的工法。根据文献[1]可知，在列车荷载作用下，路基内动应力分布呈现出马鞍形，其特点为线路中心处及线路两侧的应力较小，轨道正下方的应力较大。在此应力分布情况下，使用等长桩不仅会延长工期，亦会造成大量材料的浪费。本文通过数值模拟的手段，对等长桩加固效果和长短桩加固的效果进行了比较，得到了使用水泥土挤密桩加固路基的优化方案。

1 长短桩计算方案

计算方案结合现场较常使用的六桩布置法，另外根据轨道及轨枕的空间位置关系设计五桩布置法。在此两种布置方法的基础上设置长短桩。

(1)六桩布置方案：以线路中心线为对称轴，横向布置6根挤密桩，如图1所示。编号为1～6号桩，桩间距从左至右依次为0.5 m、0.7 m、0.6 m、0.7 m、0.5 m，桩长2.5 m。长短桩设置6种方案，分别为1号、6号桩缩短至1.5 m、1.0 m、0 m或2号、5号桩缩短至1.5 m、1.0 m、0 m。

图1 六桩布置方案(m)

(2)五桩布置方案：以单线铁路线路中心线为对称轴，横向布置5根挤密桩，如图2所示。编号为1～5号桩，桩间距0.5 m，桩长2.5 m。长短桩设计6种方案，分别为2号、4号桩缩短至1.5 m、1.0 m、0 m或3号桩缩短至1.5 m、1.0 m、0 m。

图2 五桩布置方案(m)

2 计算假定及计算参数

数值模拟采用ABAQUS有限元软件。

2.1 计算假定

(1)桩体、地基、路基土体本构模型为理想弹塑性模型，屈服准则采用M-C准则，道床采用线弹性模型模拟。

(2)列车静载

线路纵向荷载考虑一对车轮作用下5根轨枕分布荷载，按1∶2∶4∶2∶1的比例承担列车轴重。线路横向荷载根据道床顶面应力分布施加，横断面加载如图3所示。

图3 列车静载横断面加载示意图

最大荷载：

maxσb=m·σb=m·Rd/b·e′

(1)

式中：m——应力分布不均匀系数，取m=1.6；b——轨枕底面的宽度，混凝土轨枕取平均宽度b=27.5cm；

e′——钢轨下的轨枕有效支撑长度，Ⅲ型枕取枕长的一半，e′=130 cm。

(3)挤密作用

在施加列车荷载之前，挤密桩将对桩周土体将产生挤密作用，根据室内模型试验中埋置于桩侧的土压力盒测试结果可知，桩体侧向挤密力为300 kPa左右，数值模拟时，施加于桩周土体侧壁，用以模拟桩体对土体侧部的挤密作用。

2.2 计算参数

根据现场取样试验及参考相关报告，确定的计算参数如表1所示。

表1 计算参数

2.3 有限元网格及边界条件

模型几何尺寸为：轨下道床厚度0.3 m，宽度3.3 m，路基顶面宽度6 m，底面宽度16 m，路堤高度为5.5 m，从路基顶面往下2.5 m范围为基床层，以下3 m范围为基底填土，在路基两侧分别取12 m的影响范围，深度方向取20 m的影响范围，纵向范围取10 m，水泥土挤密桩加固部分为模型纵向中部延伸两排桩(前后各0.9 m)的路基。

整个模型使用C3D8R单元对模型进行划分，局部进行加密。路基部分划分为边长0.2 m的单元，桩体划分为边长0.06 m的单元，地基部分划分为边长0.5 m的单元，划分完成后的模型网格如图4所示。

图4 模型网格图

3 路基加固处理方案对比分析

3.1 未加固路基的应力及沉降变形

路基在未加固条件下，受列车荷载作用后，基床表层应力及路基沉降变形，如图5所示。

图5 未加固路基横断面应力及沉降变形图

由图5(a)可知，在荷载作用下，路基基床表层应力呈马鞍形分布，轨道正下方应力较大，两侧及线路中心处应力较小，此荷载施加方式既符合实际情况，又符合加固处理的目的。由图5(b)可知，荷载作用下，未加固路基的轨道正下方沉降变形最大，最大变形为2.228 mm，两侧及线路中心线处沉降变形较小。

3.2 加固路基沉降变形控制效果

未加固、等长桩加固及长短桩加固后，路基最大沉降变形如表2所示。

表2 各工况下路基最大变沉降形

由表2可知，各加固方案对路基沉降变形的控制都起到了一定作用。

(1)六桩全长布置加固路基可以减小44.03%的沉降变形，五桩全长布置加固路基可以减小29.94%的沉降变形，对路基沉降变形控制能够起到较大的作用；

(2)六桩布置缩短1号、6号桩方案可以减小35.95%的沉降变形，且随着短桩的桩长减短，变形量变化不大。五桩布置缩短3号桩方案可以减小29.21%的沉降变形，且随着短桩的桩长减短，变形量变化不大；

(3)六桩布置缩短2号、5号桩方案随着桩长的减短，其对应沉降变形的减少量从33%变化到26%，影响较大。五桩布置缩短2号、4号桩方案随着桩长的减短，其对应沉降变形的减少量从27.8%变化到21.7%，影响也较大。

3.3 沉降变形规律

选取各工况下第三根轨枕下方路基横断面为参考面，加固前后路基表层沉降变形分布规律如图6所示。

图6 路基表层沉降沿横向的分布规律

由图6可以看出，两种布置方案下：

(1)加固后原路基沉降变形最大处(即轨道正下方)的沉降变形，得到了较好的控制，最大可减少44.03%的沉降变形，但加固后此处的沉降变形相对于横断面上的其他位置仍最大。

(2)各加固方案对路基沉降变形的控制不仅在桩位处有效，对桩周其他位置沉降变形的控制也起到了一定作用。

(3)五桩布置方案整体沉降变形的不均匀程度大于六桩布置方案，选择六桩布置方案对整治路基沉降变形更合适。

4 结论

综上所述，考虑到数值模拟的局限性，本文所探讨的内容限定于填筑路基较均匀的工况，通过模拟可以得出以下结论：

(1)使用水泥土挤密桩加固路基对控制沉降变形能够起到较大的作用。

(2)减短紧靠轨道两侧的桩长对沉降变形的影响相较于减短其他位置桩长对沉降变形的影响偏大，但对于路基整体变形规律影响不大。

(3)从防止路基不均匀沉降的角度考虑，使用六桩布置方案加固路基更合适。

(4)无论是五桩布置方案还是六桩布置方案，紧靠钢轨正下方两侧的加固桩桩长不宜减短，且线路中心位置及钢轨外侧且与钢轨距离较远处的桩长可根据情况适当减短或省去。

[1] 马伟斌，韩自力，朱忠林.高速铁路路桥过渡段振动特性试验研究[J].岩土工程学报，2009，31(1):124-128. MA Weibin，HAN Zili，ZHU Zhonglin. Experimental study on vibration characteristics of Luqiao transition section of high speed railway[J]. Journal of Geotechnical Engineering，2009，31(1):124-128.

[2] 张文学，杨有海.郑西客运专线水泥土特性与挤密桩承载力试验研究[J].路基工程，2012，30(2):108-110. ZHANG Wenxue，YANG Youhai. Experimental study on the characteristics of cement soil and the bearing capacity of compaction pile in ZhengXi Passenger Dedicated Line[J]. Subgrade engineering，2012，30(2):108-110.

[3] 董顺天.浅谈水泥土挤密桩加固既有铁路路基基床施工[J]. 黑龙江科技信息, 2015，19(13)：219-220. DONG Shuntian. Construction of Existing Railway Subgrade strengthening by Cement soil compaction pile [J]. Heilongjiang Science and Technology Information，2015，19(13)：219-220.

[4] 刘迎军.水泥土挤密桩在运营的新长铁路上治理路基下沉方面的应用[J].铁道标准设计, 2006，22(1):36-37. LIU Yingjun. Application of cement soil compaction pile in the treatment of subgrade settlement on the Xin Chang railway[J]. Railway Standard Design, 2006,22(1):36-37.

[5] Duncan J M, Chang C Y. Nonlinear Analysis of Stress and Strain in Soils [J].Journal of Soil Mechanics & Foundations Div, 1970, 96:1629-1653.

[6] 郭院成，张四化，李明宇.长短桩复合地基试验研究及数值模拟分析[J].岩土工程学报，2010，32(S2):232-235. GUO Yuancheng，ZHANG Sihua，LI Mingyu. Experimental study and numerical simulation analysis of composite foundation with long-short piles[J].Journal of Geotechnical Engineering，2010，32(S2):232-235.

[7] 易思蓉.铁道工程(第二版)[M].北京：中国铁道出版社，2011. YI Sirong. Railway Engineering (Second Edition)[M].Beijing:China Railway Publishing House， 2011.

[8] 郑颖人，龚晓南.岩土塑性力学基础[M].北京：中国建筑工业出版社，1989. ZHENG Yingren，GONG Xiaonan. Geotechnical Plastic Mechanics Foundation [M]. Beijing: China Building Industry Press，1989.

Numerical Simulation Study on Existing Line Subgrade Strengthening by Cement Soil Compaction Pile

ZHAO Xiushao ZHENG Wei ZHUANG Jinbin ZOU Yuanhang

(School of Civil Engineering and Architecture, East China Jiaotong University, Nanchang 330013,China)

The construction method of existing subgrade strengthening by cement soil compaction pile has been widely used in practice. According to the subgrade stress distribution characteristics, equilong pile strengthening method is time consuming and arrangement of long-short piles can save time and material. Based on finite element analysis software, the model of subgrade reinforced by long-short cement soil compaction pile is established and the influence of schemes of subgrade strengthening by different long-short piles on settlement is analyzed. Simulation results show that, cement soil compaction pile can play a good role in strengthening the subgrade and the reinforcing piles on both sides below the steel rail is important to the reinforcing effect of the subgrade, which can not be shortened, and the line center and the outside of the rail can be properly shortened. Through the analysis of the simulation results, the optimization scheme is expected to play a guiding role in engineering practice.

subgrade reinforcement; cement soil compaction pile; numerical simulation; long-short pile; optimization design

2016-04-22

赵秀绍(1978-)，男，副教授，博士。

1674—8247(2016)04—0032—04

U216.41+7

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