軟土地基處理中換填厚度的優(yōu)化研究

李 歡，陳 磊，安海平，趙振杰，呂曉杰

(1.天津城市建設(shè)學(xué)院 土木工程系，天津300384;2.中鐵六局集團(tuán)天津鐵路建設(shè)有限公司，天津300232)

為滿足高速鐵路的安全性、平穩(wěn)性、舒適性的要求，鋪設(shè)軌道的地基應(yīng)具有強(qiáng)度高、剛度大、穩(wěn)定性和耐久性好等特點(diǎn)。高速鐵路地基的設(shè)計(jì)比普通公路更嚴(yán)格，主要體現(xiàn)在沉降控制上。高速鐵路除滿足強(qiáng)度要求外，還要求嚴(yán)格控制地基的沉降，對(duì)于軟土地基而言，這點(diǎn)顯得尤為重要［1－7]。本文結(jié)合天津薊港鐵路北塘西至東大沽段工程，提出了一種新方法來控制軟地基的沉降，即換填泡沫輕質(zhì)土，并運(yùn)用大型有限元軟件ANSYS對(duì)換填泡沫輕質(zhì)土地基進(jìn)行模擬計(jì)算。首先建立了換填輕質(zhì)泡沫土復(fù)合地基的沉降模型，采用彈塑性土體本構(gòu)模型，使用有限單元法研究在列車荷載作用下?lián)Q填泡沫混凝土復(fù)合地基的位移沉降量，并用ANSYS模擬不同厚度泡沫輕質(zhì)土換填下的位移沉降量，通過比較，在符合國(guó)家規(guī)范的前提下，采用最經(jīng)濟(jì)合理的換填高度。

1 工程背景概況

天津薊港鐵路北塘西至東大沽擴(kuò)能改造工程位于渤海灣西岸天津港附近。路線所經(jīng)地區(qū)為沖海積平原，即為軟土地基，在與既有線并行增建二線地段，為減少既有線變形、確保運(yùn)營(yíng)安全，地基采用水泥攪拌樁。樁長(zhǎng)15 m，樁徑500 mm，樁間距1.2 m。圖1為樁的布置圖。

在中心里程DK62+488.87處下穿一條中航油輸油管道，管徑Φ329.9 mm，與新建線夾角60°，埋深約13 m(見圖1)。此處路基填高僅有1 m，原設(shè)計(jì)基底處理為采用1 m－4 m鋼筋混凝土蓋板箱涵，基礎(chǔ)為鉆孔樁基礎(chǔ)。為確保鉆孔樁施工不影響管線安全，施工前需準(zhǔn)確定位管線的位置。由于受周邊高壓線干擾，無法使用探測(cè)設(shè)備探測(cè)出管線準(zhǔn)確位置，因此我們采用換填方式加固地基基礎(chǔ)。本段路基基底淤泥質(zhì)土深厚，采用傳統(tǒng)換填方式后沉降很大，不能保證管線的安全，所以該工程決定采用新型材料泡沫輕質(zhì)土換填，利用泡沫輕質(zhì)土的輕質(zhì)性、高強(qiáng)性、高流動(dòng)性等特點(diǎn)來增加路基穩(wěn)定性，進(jìn)而保證中航油管道的安全。

2 有限元模型的建立

2.1 有限元分析的簡(jiǎn)化處理

為了在有限元分析中使問題簡(jiǎn)化又能反映問題的主要特征，做以下幾點(diǎn)假設(shè):(1)假設(shè)泡沫輕質(zhì)土是線彈性的，即符合廣義胡克定律。(2)假設(shè)土是理想彈塑的，彈塑性模型能較好地反映土的非線性特征。(3)假設(shè)土和泡沫輕質(zhì)土各項(xiàng)同性，都是均質(zhì)的。(4)不考慮土體的初始應(yīng)力狀態(tài)和施工所引起的初始位移場(chǎng)和初始應(yīng)力場(chǎng)［2]。

2.2 土體的本構(gòu)模型

土屬于顆粒狀材料，受剪時(shí)顆粒會(huì)膨脹，而且土體的受拉屈服強(qiáng)度遠(yuǎn)小于受壓屈服強(qiáng)度，所以，平時(shí)常用的VonMises屈服準(zhǔn)則已經(jīng)不適用了。土力學(xué)中常用的屈服準(zhǔn)則有Mahr－oculomb準(zhǔn)則和Durkcer－Prgaer屈服準(zhǔn)則。其中Durkcer－Prgaer屈服準(zhǔn)則能更準(zhǔn)確地描述土體，簡(jiǎn)稱為DP材料。本文采用基于彈塑性增量理論的本構(gòu)模型－Drucker－Prager模型來模擬土體。在土壤的有限元分析中，采用DP材料可得到較為精確的結(jié)果。

D－P模型是在考慮靜水壓力的廣義Mises屈服準(zhǔn)則或D－P屈服準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上建立起來的，因此也稱廣義Mises模型。它是對(duì)Mahr－coulomb準(zhǔn)則的近似，用來修正VonMises屈服準(zhǔn)則。它的屈服面并不隨材料的屈服而改變，因而沒有強(qiáng)化準(zhǔn)則，但它的屈服強(qiáng)度卻隨著側(cè)限壓力(靜水壓力)的增加而相應(yīng)增加，其塑性行為被假定為理想彈塑性。在ANSYS軟件DP材料選項(xiàng)的數(shù)據(jù)表中，要輸入3個(gè)值:粘聚力C、內(nèi)摩擦角Ф、膨脹角，其中膨脹角是用來控制體積膨脹大小的。如果膨脹角為0，則不會(huì)發(fā)生體積膨脹;如果膨脹角等于內(nèi)摩擦角，在材料中則會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的體積膨脹［2]。土體的屈服準(zhǔn)則采用D－P屈服準(zhǔn)則，它的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

最后屈服準(zhǔn)則的表達(dá)式為

對(duì)于DP材料，當(dāng)材料參數(shù)β和σy給定后，屈服面為一圓錐面，次圓錐面是六角形的摩爾－庫侖屈服面的外切錐面。

2.3 材料的選擇及所用參數(shù)

第一層:粉質(zhì)粘土，黃褐色，軟塑;第二層:黏土，黃褐色，軟塑;第三層:淤泥粉質(zhì)粘土，褐灰色，流塑;第四層:粉土，灰色，潮濕，中密;第五層:淤泥粉質(zhì)粘土，褐灰色，流塑;第六層:粉土，灰色，潮濕，中密。表1給出了不同土層的材料參數(shù)。

泡沫輕質(zhì)土:根據(jù)實(shí)驗(yàn)的泡沫混凝土試件(100×100×100)在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)得到的抗壓強(qiáng)度值是1.8 N/mm2，根據(jù)相關(guān)公式可得泡沫混凝土的彈性模量E=4.45 GP。列車荷載:采用鐵路中荷載，將荷載轉(zhuǎn)化為面荷載加在模型上。

表1 不同土層的材料參數(shù)Tab.1 Table of material parameters of the different soil horizon

2.4 建立模型

土體和泡沫混凝土都用SOLID45實(shí)體單元模擬，此單元用于仿真3D實(shí)體結(jié)構(gòu)，該單元由8個(gè)節(jié)點(diǎn)組合而成，具有塑性、膨脹、應(yīng)力強(qiáng)化、大變形和大應(yīng)變的特征，單元變形滿足幾何連續(xù)性。網(wǎng)格劃分時(shí)在應(yīng)力相對(duì)集中的地方相對(duì)劃的較細(xì)，在靠近邊界的地方網(wǎng)格劃得相對(duì)較粗，形成單元?jiǎng)澐钟杉?xì)到粗過度的網(wǎng)格形狀。除了上表面外，其它的幾個(gè)邊界面都要約束:下表面為固定約束，周圍四個(gè)面要約束水平面上兩個(gè)方向的位移，使其可以上下移動(dòng)，即在周邊取豎向滑動(dòng)支座。模型及網(wǎng)格劃分見圖2。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

在列車荷載作用下，為了研究換填泡沫輕質(zhì)土復(fù)合地基在不同的換填高度下位移沉降量的變化情況，對(duì)不同換填高度的計(jì)算模型進(jìn)行了有限元計(jì)算。圖3－圖10表示復(fù)合地基在0.5 m、1 m、2 m、2.5 m、3 m、4 m、5 m、7 m 共8 種不同換填高度下的位移沉降變化曲線。

從圖3－圖10可以看出:當(dāng)泡沫混凝土的換填高度為 0.5、1、2、3 時(shí)，位移沉降量從 2.113 cm下降到1.370 cm，沉降變化很大，而當(dāng)換填高度大于3 m時(shí)(從3m－7m)，位移沉降量幾乎保持不變，都約為1.3 cm，即泡沫混凝土的高度增加4 m，位移沉降只減少了0.05 cm。從經(jīng)濟(jì)角度考慮，泡沫混凝土的換填高度取3 m即可。

4 結(jié)論

1)天津薊港鐵路泡沫混凝土換填高度取3m的地基沉降是滿足國(guó)家規(guī)范的，換填高度為3m時(shí)位移沉降已基本穩(wěn)定，所以，從經(jīng)濟(jì)角度考慮，取3m也是最合適的。

2)借助有限元理論，用ANSYS軟件可以計(jì)算高速鐵路地基的沉降量，并能得到比較精確的符合工程實(shí)際結(jié)果，這說明用ANSYS軟件計(jì)算高速鐵路地基的沉降量完全可行。

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