膨胀土条件下高速铁路复合结构路基沉降控制技术研究

2021-08-26邓洪权

工程技术研究 2021年12期

邓洪权

中铁二十局集团第一工程有限公司，江苏苏州 215151

1 工程概况

郑万铁路平顶山西站位于平顶山市宝丰县，车站为地面站，站场规模为3台（侧式站台1座、岛式站台2座）7线（预留1条），地处中～强膨胀土地段，路堤高度而6.28～8.1m。该标段下部地质岩性按其成因和时代分类为第四系上更新统冲洪积层黏性土和第三系中新统泥质砂岩，岩性主要为粉质黏土、黏土、粗圆砾土、姜石土。

膨胀土是郑万铁路河南段典型的特殊岩土类型，蒙脱石含量为3.65%～39.99%，阳离子交换量CEC（NH+）为40～428.78mmol/kg，外表呈网纹、蠕虫状，硬塑或坚硬状，富含铁锰及钙质结核、姜石。

2 有限元模拟分析

2.1 膨胀变形模拟理论

如何有效模拟外部作用下（如大气环境和降雨作用）因膨胀土体含水量变化所引起的应力场和位移场是解决问题的关键。文章采用FLAC 3D软件，借鉴郑俊杰等[1]和房以河[2]的方法，膨胀变形采用温度场热传导问题的热膨胀特性来进行模拟分析。

根据相关文献，将外部环境影响（大气及降雨等）导致的湿度场等效转换成温度场，并认为由两者变化引起的应变增量是相等的，从而实现利用热传导膨胀模拟增湿膨胀，表达式如下：

式中：α为热膨胀系数；β为膨胀土的线膨胀系数；∆ω为含水率变化量；∆T为温度变化量。

2.2 数值模型建立

结合工程实际，建立一个纵向4根桩、横向14根桩的桩板结构的路基设计模型，数值模型结构从上至下可分为四层：第一层为路堤结构，第二层为大气环境影响深度内的膨胀土层，第三层为大气环境影响深度下的膨胀土层，第四层为非膨胀土层[3]。

在FLAC 3D中采用桩（Pile）单元模拟桩，筏板选用壳（shell）单元模拟，其余部分均采用实体单元。承载板和桩是刚性连接的，其接触面在模型中采用接触面单元模拟；采用面面接触单元模拟桩和土的接触作用，将桩筏结构和路基视为理想线弹性材料，膨胀土为弹塑性材料，遵循摩尔-库伦屈服准则。模型设定上，一是将底部三个方向的位移进行约束，二是将线路前后及左右侧位移进行约束，将模型顶部视为自由面。结合平顶山当地气象情况，考虑膨胀土的影响深度为筏板底面下3m，水平范围为从路肩至计算边界，该范围内的地基膨胀变形用热-力耦合方法模拟。

3 计算结果分析

3.1 桩间距影响分析

为研究桩间距对膨胀土地区深埋式桩板结构路基承载与变形特性的影响，保持其他条件不变，分别进行常规桩间距（s=3.5d、4.0d，s为桩中心距，d为桩的直径）、较大桩间距（s=5d、6d、7d）时的桩板结构路基数值模拟分析。

根据数值分析结果，为研究膨胀土对筏板结构路基的影响，分别提取膨胀土变形前后筏板沿横向各节点的沉降值。填筑高度等于4m时，考虑膨胀土变形特征前后不同桩间距下对应筏板的顶面沉降沿横向分布曲线如图1所示。

图1 膨胀土对筏板结构路基的影响示意图

填筑高度为4m时，桩间距为3.5d～7d的桩板结构筏板沉降沿路基横向呈中心大而两侧小的趋势，表现出整体弯曲变形的特征，在桩间位置没有出现局部弯曲，说明厚度为0.6m的板承载特性仍处于线性变形阶段。

桩间距对沉降值产生近似呈线性增加的变化影响。间距为3.5d和7d时，不考虑膨胀，平均沉降分别为18.2mm和24.0mm，增幅为5.8mm；当加入膨胀性影响后对应平均沉降为17.8mm和24.2mm，增幅为6.4mm；桩间距从3.5d增大到7d时，膨胀后差异沉降从9.5mm增加至13.3mm，整体倾斜度由0.9‰增大至1.3‰。

综上，可以得出该结构对路堤沉降变形和差异沉降变形有很好的控制作用。

3.2 路堤高度影响分析

无砟轨道下基床层厚度最小一般为3m，为研究上部荷载对膨胀土地区桩板结构变形特性的影响，保持其他条件不变，分别设定不同高度填筑路堤。从路堤高度3m开始，依次在路基面上施加0kPa、10kPa、20kPa、30kPa和40kPa的均布荷载，来等效3m、4m、5m、6m和7m的路堤高度。

由此可知，不同荷载下筏板沉降变形基本呈现中心处大、边缘处小的趋势，沿横向主要呈现整体弯曲变形，并且考虑膨胀变形前后两者沉降变形基本一致，即使在筏板边缘膨胀变形严重处也没有出现很大的差异（考虑膨胀影响深度3m，筏板边缘向中心延伸5m范围区域）。

另外，随着试验设定的路堤填筑高度的增加，可以明显看到平均沉降、最大沉降及差异沉降的加大趋势；而桩板结构的差异沉降在考虑膨胀变形前后差值基本维持在0.2mm，基本可以忽略。故可得到结论，通过桩板刚性连接，可有效降低路基的差异沉降[4]。

4 施工控制措施

膨胀土质受天气影响大，需充分考虑施工过程中外界大气情况对膨胀土的影响，且桩板复合结构涉及各工艺间的衔接和特殊施工工艺，因此需建立良好的复合结构路基施工工艺及质量控制要求，才能有效控制基础变形。结合该项目现场施工情况，对膨胀土地段采用桩板结构路基的施工要点总结如下。

（1）地基处理。提前对地质条件进行检查，发现实际地质条件与设计不相符时应及时通知有关方面调整设计。同时，现场周围应准备好截排水设施，并按设计要求进行地基处理（如强夯或冲击碾压)。

（2）桩基施工。在桩基施工前，要先进行试桩，以确保地质情况、设备配置、设计施工工艺的可行性。钻孔时，钻头的起落速度要均匀，不应该突然变速，导致碰撞孔壁。灌注桩浇筑时应做好拌和站、试验室与现场工作的衔接，保证混凝土灌注的连续性，不得中途停顿。连续灌注施工中要做好泥浆池的防渗处理，防止泥浆渗入路基引起变形上隆。

（3）托梁施工。桩身经无损检测合格后方可绑扎托梁钢筋，然后立模浇筑，托梁拆模后要尽早进行基坑分层密实填筑。雨季施工时，应采取措施防止地表水渗入基坑，软化地层，降低地层强度指标[5]。

（4）路基填筑。施工中应加强监测填筑过程中和填筑后的沉降，及时整理观测资料，进行分析、总结及判定，指导下步施工。

（5）施工组织。膨胀土地区的土石方工程应做好施工组织与策划，在一个旱季施工完成，尽量避免雨季施工，加强边坡变形监测，根据监测结果安排施工进度。若工程在一个旱季不能完成，则应在雨天来临前做好加固与防护工程，密切注意天气预报，做好边坡坡面的临时防护工作，如在坡面铺设防水塑料薄膜和修建临时排水沟，以防止地表水冲刷坡面和下渗。