沪通铁路软土地基旋喷桩加固效果分析

贺文波

(中国铁路总公司 工程质量监督管理局广州监督站，广东 广州 510000)

软土具有含水率高、压缩性高、渗透性低、固结时间长等特性，在特殊土研究领域引起学者的广泛关注。在软土上修筑路基极易引发沉降及承载力不足等问题，这对工程建设具有极大的危害[1]，因此需要对其进行加固处理。

旋喷桩处理软土地基是软土地基处理的常用方法之一，国内外学者对其进行了大量的研究。李小杰[2]对高压旋喷桩复合地基的承载力、沉降实测值与计算值进行了对比与分析。王庆国等[3]通过建立三维有限元模型，分析了旋喷桩加固对于控制既有铁路变形的效果。姚贤华等[4]借助ANSYS有限元软件，采用DP弹塑性材料模型和1/4对称模型，对高压旋喷桩进行优化设计，配置不同桩长、桩土模量比和桩间距，得到不同的承载特性。安关峰等[5]采用基于MIDAS/GTS的三维有限元分析技术，通过改变旋喷群桩的布置方式、桩弹性模量、桩长、桩径、桩距等设计参数及桩-土接触面等参数对旋喷群桩复合地基承载特性的影响进行了研究。研究表明：旋喷桩加固软土地基主要减小了地表至桩底深度范围内土体的沉降，对桩底下方的土体沉降基本无影响。狄宏规等[6]结合朔黄重载铁路路基加固前后检测数据和斜向高压旋喷桩的加固机理，对斜向高压旋喷桩技术加强既有线路基的综合效果进行了研究。研究表明，斜向高压旋喷桩能显著提高路基的强度、刚度、承载力及路基45°扩散线以内土体的密实度，是一种快速有效的既有线路基加固技术。冒千如等[7]基于两相多孔介质弹塑性本构模型对高压旋喷桩加固处理的软土地基沉降进行了数值分析，结果表明高压旋喷桩加固软基效果明显。

本文采用ABAQUS软件，计算地基上分别填筑砂垫层和A,B填料过程中，线路中心处与坡脚处的竖向位移，探讨软土路基沉降特征，对比软土地基在旋喷桩施工前后的沉降，分析其加固效果。为类似工程的建设提供参考。

1 工程概况

沪通铁路为长江冲积平原河口新三角洲平原区，局部为湖沼积平原区。全线地形平坦，地势开阔，海拔2.0～4.5 m。沿线河网密布，水塘星罗棋布。线路所经地区为长江冲积平原河口新三角洲平原区，地层成因主要为冲海积，局部为冲积及湖沼积，具有海陆相相互交替沉积的特点，岩性变化较大，基岩埋藏较深，约160～300 m。地层为第四系松散堆积层，软土地基在沿线广泛分布，一般厚5～15 m，最厚达25 m；Ⅶ度地震区地表以下15 m内粉土、粉砂多为可液化层。沿线工程地质条件普遍较差，需要经过地基处理后才能修筑路基[8]，且路堤填料缺乏。

2 旋喷桩施工工艺

旋喷桩施工前先做工艺试桩(2～3根)，明确桩径、强度，修正室内配方，确定旋喷工艺和参数。同时进行场地平整，挖好排浆沟[9]。接着钻机安放在孔位上，并保持垂直。将钻杆轴线对准钻孔中心位置，采用跳打法以防止孔间串浆。旋喷管插入地层预定的深度，钻孔后用砂袋塞住孔口，防止杂物掉入孔内。钻孔完毕后，拔出芯管，插入喷射注浆管至预定深度。在插管过程中，为防止泥砂堵塞喷嘴，可边射水、边插管，水压力一般不超过1 MPa。

当喷管插入预定深度后，由下而上进行喷射作业，检查浆液初凝时间、注浆流量、风量、压力、旋转提升速度等参数是否符合设计要求。喷射施工完毕后，把注浆管等机具设备冲洗干净，管机内不得残存水泥浆[10]。

3 旋喷桩加固软土地基沉降数值分析

沪通铁路正线DK1422+150，旋喷桩为正方形布置，桩径0.5 m，桩间距1.0 m，改横断面桩长为11 m,共8根，如图1所示。利用ABAQUS软件分析软土地基在旋喷桩处理前后地基的沉降及工后沉降。

图1 旋喷桩设计

3.1 无处理措施时地基沉降

3.1.1 地应力平衡

为消除填筑路基前地基在自重作用下发生的前期变形，模拟天然地基的应力条件，需对模型作初始地应力平衡处理。在填筑之前，将模型中路基部分的质量、刚度矩阵设置为0，这些单元不参与计算[11]。地应力平衡完成之后，地基的位移几乎为0，存在地应力。计算土体力学参数见表1。

表1 计算土体力学参数

运用ABAQUS软件计算的地基竖向位移如图2所示。

图2 地基竖向位移(单位：m)

由图2(a)可知：未进行地应力平衡时，地基竖向位移最大为0.287 m。由图2(b)可知：地应力平衡后，地基土体竖向最大位移比初始位移小约102～103个数量级，最大为2.75 mm，因此可以忽略不计，认为模拟了地基土体的初始状态。

根据地质勘测报告，模型统一取地下水位于地基表面下1.5 m，地基竖向边界取30 m。经理论计算得出路基底面的孔隙水压力为285 kPa，与模型计算结果一致，验证了模型初始边界条件的正确。

路基沉降监测点布置如图3所示，主要监测A点的竖向位移和B点的水平位移[12]。

图3 路基沉降监测点布置示意

3.1.2 有限元模型建立及计算

不同路基填筑层数下，监测点的位移见图4。由图4(a)可知，随着路基的填筑，监测点A的竖向位移不断增大，最大位移为5.1 cm。由图4(b)可知，随着路基的填筑，监测点B的水平位移不断增大，最大位移为5 mm。

图4 监测点的位移

3.2 旋喷桩加固后地基沉降

采用无处理措施时的路基计算模型，只在地基中按照设计要求加入旋喷桩。旋喷桩力学参数见表2。

表2 旋喷桩力学参数

采用旋喷桩加固后，不同路基填筑层数下监测点A的位移见图5。可知：随着路基的填筑，监测点A的竖向位移不断增大，最大位移为1.42 cm。

图5 旋喷桩加固后监测点A的竖向位移

4 旋喷桩加固后地基沉降现场监测

采用自动沉降监测系统，对该铁路旋喷桩加固软土路基试验段进行沉降监测，以验证数值分析的沉降。

4.1 监测方案

试验段预埋监测元器件，监测路基填筑过程中地基顶面的竖向沉降。结合实际情况，在路基外侧埋设基准点。选择间距20 m的2个断面作为监测面，各埋设3个监测点，挖槽20 cm埋设元器件。具体布置方案见图6。

图6 自动监测方案布置示意(单位：m)

4.2 实际沉降观测

试验路段沉降监测从2016年3月8日至5月25日，累计监测78 d，其中路基填筑时间约50 d。数据采集中发现监测点数据S2无效，其余自动沉降监测点沉降结果见表3。

表3 2016年地基沉降监测结果 cm

由表3可知，位于路基中线的S6测点沉降最大，为2.975 cm。与有限元软件ABAQUS计算出的加固后监测点A竖向最大位移3 cm相比，相差0.83%。验证了有限元软件计算结果可靠，同时说明了旋喷桩加固软土路基能够控制其沉降。

5 结论

1)根据ABAQUS模型分析结果，对比软土地基在加固前后监测点A竖向位移，加固前竖向最大位移5.1 cm，加固后竖向最大位移3 cm，减小了41%，说明处理措施效果显著。

2)利用自动沉降监测系统监测旋喷桩加固软土路基实际沉降量，路基中线的S6测点沉降量最大为2.975 cm，与ABAQUS计算结果相差0.83%。验证了ABAQUS模型计算结果的可靠性，以及旋喷桩加固软土路基处理措施的有效性。