基于有限元的高鐵復(fù)合地基蠕變演變特征研究

張 宇 夏國(guó)正 王朋朋

(貴州宏信創(chuàng)達(dá)工程檢測(cè)咨詢有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550014)

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基于有限元的高鐵復(fù)合地基蠕變演變特征研究

張 宇 夏國(guó)正 王朋朋

(貴州宏信創(chuàng)達(dá)工程檢測(cè)咨詢有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550014)

基于有限元分析軟件及高鐵路基實(shí)際施工圖紙，建立了含CFG樁的復(fù)合地基計(jì)算模型，并采用可蛻化為廣義開(kāi)爾文模型的粘彈性蠕變模型開(kāi)展了蠕變計(jì)算研究，分析了高鐵路基在填筑完成后不同時(shí)期的蠕變變形分布特征，揭示了路基上不同部位特征點(diǎn)的蠕變變形演變規(guī)律。

高鐵，復(fù)合地基，CFG樁，有限元，蠕變變形

0 引言

目前，我國(guó)存在大量高速鐵路線路跨越軟土地區(qū)的現(xiàn)象[1]。由于高鐵運(yùn)營(yíng)要求較高(運(yùn)行速度達(dá)到300 km/h)，從而對(duì)其路基的沉降變形要求十分嚴(yán)格。

高鐵的軟土地基沉降無(wú)法滿足其控制要求時(shí)，需要對(duì)軟弱地基進(jìn)行處理或采用其他方法來(lái)滿足沉降穩(wěn)定要求。為控制軟土地基的沉降變形，國(guó)內(nèi)外工程人員一般采用復(fù)合地基的方法[2]，以達(dá)到加固軟土地基的效果。工程中復(fù)合地基的形式和種類較多[3-5]，常見(jiàn)的有水泥粉煤灰碎石樁復(fù)合地基(CFG樁復(fù)合地基)、干振碎石樁復(fù)合地基、土樁復(fù)合地基、攪拌水泥土樁復(fù)合地基等類型。

本文針對(duì)CFG樁這類常見(jiàn)的復(fù)合地基，基于有限元，結(jié)合高鐵路基施工圖紙，建立含CFG樁的復(fù)合地基實(shí)體模型，并采用可蛻化為廣義開(kāi)爾文模型的粘彈性蠕變模型開(kāi)展蠕變計(jì)算研究，弄清高鐵路基在填筑完成后不同時(shí)期的蠕變變形分布特征，并揭示路基上不同部位特征點(diǎn)的蠕變變形演變規(guī)律。

1 有限元蠕變計(jì)算方案研究

1.1 蠕變計(jì)算原理

ANSYS可模擬材料的蠕變特性，有兩種蠕變模型計(jì)算法則：隱式蠕變計(jì)算模型和顯式蠕變計(jì)算模型。式(1)中顯式蠕變是指應(yīng)用 Euler 向前法進(jìn)行蠕變應(yīng)變演化的計(jì)算。在每個(gè)時(shí)間步使用的蠕變應(yīng)變率與該時(shí)間步開(kāi)始時(shí)的速率一致，并假設(shè)在整個(gè)時(shí)間步 Δt 內(nèi)為常量，因此，需要很小的時(shí)間步以減小誤差。

(1)

式(2)中隱式蠕變應(yīng)用了Euler向后積分法求解蠕變應(yīng)變。該方法在數(shù)值上無(wú)條件穩(wěn)定，這意味著不必像顯式蠕變方法那樣，使用小的時(shí)間步，所以總體上會(huì)更快。因此，本文將采用隱式蠕變計(jì)算方法。

(2)

1.2 數(shù)值模型研究

1.2.1 實(shí)體模型

圖1是根據(jù)實(shí)際施工圖建立好的幾何實(shí)體模型。該模型從上至下分5種材料，分別為粉質(zhì)粘土路基填料、砂墊層、CFG樁、軟土地基層、較硬地基層。圖中A，B，C，D分別代表樁頂點(diǎn)、樁間點(diǎn)、墊層中心點(diǎn)、路基頂面中心點(diǎn)。各材料層的設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

1)路基：高3 m，分3層填筑，每層1 m，填筑進(jìn)度為10 d/m。2)褥墊層：厚度0.3 m。3)CFG樁：樁長(zhǎng)10 m，樁徑0.4 m，復(fù)合地基中置換率為8%。4)地基層：軟土地基層厚11 m，較硬地基層厚5 m。

1.2.2 計(jì)算模型

圖2是根據(jù)實(shí)體模型生成的計(jì)算模型，該模型共有2 906個(gè)單元，6 403個(gè)節(jié)點(diǎn)，計(jì)算模型中地基線以上為自由邊界，地基底部邊界約束豎直方向的位移，地基左右兩邊界限制水平位移。

1.3 本構(gòu)模型

本文將采用三單元模型中的K-H模型為基礎(chǔ)來(lái)分析路基填土層與地基層的蠕變變形演變特征。其物理元件描述如圖3所示。

其蠕變方程為：

(3)

對(duì)式(3)進(jìn)行時(shí)間求導(dǎo)，得到其對(duì)應(yīng)的用蠕變速率表示的隱式蠕變方程為：

(4)

1.4 計(jì)算參數(shù)

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘查資料，并根據(jù)《工程地質(zhì)手冊(cè)》[6]的經(jīng)驗(yàn)推薦，各參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 材料參數(shù)表

2 復(fù)合地基蠕變變形演變特征

2.1 蠕變變形分布特征

基于蠕變計(jì)算結(jié)果，分別得到復(fù)合地基在不同時(shí)期的沉降位移云圖，分別見(jiàn)圖4～圖9，以便對(duì)比研究復(fù)合地基在不同時(shí)期的蠕變變形特征。

據(jù)圖4～圖9可知，路基底部和地基頂面區(qū)域的沉降量最大；沿路基高度遞增，沉降變形量逐漸遞減。在高鐵路基的影響下，地基層中心區(qū)域沉降變形最大，并沿兩側(cè)遞減，且隨地基層深度的遞增，地基中附加沉降變形遞減，呈典型的沉降盆分布特征。

據(jù)圖4可知，當(dāng)路基填筑完成時(shí)，路基中最大沉降位移點(diǎn)出現(xiàn)在地基表面及路基底部(黑色區(qū)域)，路基頂面及地基下一定深度的沉降位移近似為零(淺灰色區(qū)域)，臨近路基的地表產(chǎn)生微小的隆起(深灰色區(qū)域)；據(jù)圖5～圖7可知，地基表面與路基本體都有較大的沉降增幅，路基頂面沉降增幅最大，臨近路基的地表隆起趨勢(shì)仍在發(fā)展；據(jù)圖8，圖9可知，地基表面與路基本體的變形基本趨于穩(wěn)定。

根據(jù)Bjerrum蠕變理論[7]，土體變形分為加載時(shí)的固結(jié)沉降與恒載時(shí)的蠕變變形。對(duì)比分析不同時(shí)期路基沉降位移云圖，路基本體在填筑完成后6個(gè)月內(nèi)的發(fā)展速率最快，沉降增幅最大；對(duì)比圖6和圖9可知，路基本體在填筑完成后1年時(shí)的沉降量已超過(guò)總沉降的95%，表明路基填筑完成靜置1年時(shí)沉降變形基本發(fā)展完成；對(duì)比圖7和圖9可知，路基填筑完成靜置3年時(shí)的沉降變形基本達(dá)到最大值。

2.2 蠕變變形演變規(guī)律

基于數(shù)值計(jì)算的結(jié)果，圖10，圖11分別是復(fù)合地基、路基中不同部位特征點(diǎn)的蠕變變形演變曲線。

據(jù)圖10，圖11可知，在高鐵路基分層填筑施工期間(10 d/m)，路堤填筑荷載保持不變，復(fù)合地基主要產(chǎn)生平緩微小的蠕變變形，產(chǎn)生類似階梯狀的沉降規(guī)律，期間地基層主要產(chǎn)生固結(jié)沉降；路基填筑完成后，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降量隨時(shí)間逐漸遞增，沉降速率逐漸減小，期間主要以蠕變變形為主，且1年后，沉降完成95%，2年后，沉降基本穩(wěn)定；樁頂點(diǎn)沉降和沉降速率最小，樁間點(diǎn)和墊層中心點(diǎn)的沉降量相差不大，這主要是由于樁頂模量較高，沉降便較小，墊層較薄，因此導(dǎo)致樁間點(diǎn)和墊層中心點(diǎn)的差異較小。

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)高鐵CFG樁復(fù)合地基，開(kāi)展了有限元計(jì)算，弄清了CFG樁復(fù)合地基的蠕變變形分布，揭示了各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的蠕變變形演變規(guī)律。主要結(jié)論如下：1)地基層沉降變形呈典型的沉降盆分布特征。2)高鐵路基填筑完成后的沉降主要是蠕變變形。3)路基本體在填筑完成后6個(gè)月內(nèi)的發(fā)展速率最快，沉降增幅最大；路基填筑完成靜置1年時(shí)沉降變形基本發(fā)展完成；路基填筑完成靜置3年時(shí)的沉降變形基本達(dá)到最大值。4)路基分層填筑施工期間，主要產(chǎn)生固結(jié)沉降；填筑完成后，以蠕變變形為主；樁頂點(diǎn)沉降和沉降速率最小，樁間點(diǎn)和墊層中心點(diǎn)的沉降量相差不大。

[1] 潘 霄，李建國(guó)，肖 利.高速鐵路軟基處理方法及應(yīng)用現(xiàn)狀研究[J].水利水電快報(bào)，2010，31(1):23-25.

[2] 龔曉南.廣義復(fù)合地基理論及工程應(yīng)用[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2007，29(1):1-13.

[3] 陳宏偉，徐林榮.高速鐵路CFG樁筏復(fù)合地基現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試研究[J].土木建筑與環(huán)境工程，2014，36(6)：60-66.

[4] 荊志東，郭永春，邱恩喜，等.新型樁板結(jié)構(gòu)對(duì)高速鐵路軟基沉降控制作用離心試驗(yàn)[J].巖土力學(xué)，2010，31(8)：2530-2565.

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[6] 《工程地質(zhì)手冊(cè)》編寫(xiě)委員會(huì).工程地質(zhì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1992.

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Research on creep deformation evolution characteristics of high speed railway based on ANSYS finite element

Zhang Yu Xia Guozheng Wang Pengpeng

(GuizhouHongxinChuangdaEngineeringDetection&ConsultationCo.,Ltd,Guiyang550014,China)

The calculation model of composite foundation with CFG piles is set up, based on the finite element method and combined with the actual construction drawings of the roadbed. The numerical calculation is carried out by using the creep model. The settlement and deformation of the foundation is clarified in different periods after the completion of filling. And the settlement change law of the characteristic points on different parts of the subgrade is revealed.

high speed railway, composite foundation, CFG pile, finite element, creep deformation

1009-6825(2016)26-0112-03

2016-07-06

張 宇(1987- )，男，博士，工程師

TU433

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