朔黃鐵路路基下沉段斜向高壓旋噴樁加固效果數(shù)值分析

歐陽志

摘要：朔黃鐵路路橋（涵）過渡段沉降變形問題顯著，多采用斜向高壓旋噴樁進(jìn)行路基加固。為分析加固的效果，結(jié)合朔黃鐵路K65+490～K65+770段加固工程，運(yùn)用PLAXIS非線性有限元計(jì)算軟件，建立計(jì)算模型，選取5種不同鐵路荷載組合情形，對比分析加固前后在不同荷載組合條件下的路基頂面沉降變化。研究表明采用斜向高壓旋噴樁進(jìn)行鐵路路基加固有較好的實(shí)際效果，該種加固方法對其他類似工程有借鑒意義。

關(guān)鍵詞：朔黃鐵路；高壓旋噴樁；加固效果

1 工程概況

朔黃鐵路肅寧至黃驊港段位于華北平原東北部，長165.645 km，屬Ⅰ級重載單線鐵路，均為填方路基，填土高度2～6 m。伴隨著運(yùn)營時(shí)間的增加，朔黃鐵路路橋（涵） 過渡段存在廣泛而嚴(yán)重病害，在K65+490～K65+770段路基發(fā)生嚴(yán)重下沉，累計(jì)沉降在0.3～0.5m左右，不僅影響行車速度和安全，而且給線路維修增加難度。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，該工點(diǎn)路堤采用斜打高壓旋噴樁對其進(jìn)行加固處理，以提高地基承載力，阻止路基繼續(xù)下沉。

2 計(jì)算條件

為了分析高壓旋噴樁加固重載鐵路路基的效果，運(yùn)用PLAXIS非線性有限元計(jì)算軟件對加固路基進(jìn)行靜力分析，主要從加固前后路基頂面沉降變形沉降變化進(jìn)行了對比，說明高壓旋噴樁的加固效果。

2.1 有限元網(wǎng)格及邊界條件

路基斷面近似認(rèn)為無限延伸，故可將路基模型處理為二維平面應(yīng)變問題，選取的1個(gè)典型斷面，頂面寬為27.2m，高度分別11.0m，路基本體加固深度為8m，邊坡坡率為1：1.5，路基填土為砂粘土。基底土第一層為砂粘土（7m）、風(fēng)化巖（20m）。路基頂面荷載按照規(guī)范計(jì)算，分布5條線路。

有限元網(wǎng)格劃分及節(jié)點(diǎn)分布如圖1，劃分為平面15結(jié)點(diǎn)三角形單元。坐標(biāo)：軸向右為正，向右取100m；軸與高程一致，計(jì)算范圍取值，底部地基深度取50m，坐標(biāo)原點(diǎn)（0，0）設(shè)在幾何模型左下角角點(diǎn)；應(yīng)力表示為拉正壓負(fù)。約束條件：底部和側(cè)向均設(shè)為法向約束。

2.2 計(jì)算工況

考慮到路基實(shí)際的運(yùn)營情況和最不利條件，將加載過程分步模擬，5條線路荷載加載先從左側(cè)開始，編號依次1#～5#，應(yīng)力初始化，僅考慮形成地基和路基。以后每步增加線路荷載，加載分步設(shè)置見表1。

2.3 計(jì)算荷載

對路基結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性有限元分析，模型采用列車荷載換算土柱高度的靜載加載方式，路基面作用荷載計(jì)算如下。路基面承受列車豎向活載和上部結(jié)構(gòu)自重靜載兩種荷載。將作用在路基面上的列車動荷載進(jìn)行換算，上部結(jié)構(gòu)自重靜載根據(jù)采用的軌道類型和道床的標(biāo)準(zhǔn)形式尺寸進(jìn)行計(jì)算。列車豎向活載采用軸重30t的貨運(yùn)重載列車荷載。總荷載為231.8kN/m，按照分布寬度3.1m計(jì)算，荷載強(qiáng)度為74.8kPa。

3 路基加固前線路荷載作用下的路基頂面的沉降特征

計(jì)算模型如圖2所示，僅對線路荷載作用下路基頂面沉降變形計(jì)算特征以及基底沉降特征進(jìn)行分析。

通過計(jì)算各級荷載下的路基頂面沉降變形，5種工況變形計(jì)算結(jié)果所得，1#線荷載作用下沉降變形最大值為166.75mm，1#+3#線荷載作用下沉降變形最大值184.55mm，1#+3#+5#線荷載作用下沉降變形最大值卻減小至173.13mm，這是由于荷載分布平衡，同時(shí)也是填土壓實(shí)度過低，土質(zhì)松軟，荷載間距大，應(yīng)力疊加受到影響所致。1#～5#線滿布作用下沉降變形最大值為264.93mm。

4 路基加固后線路荷載作用下的路基頂面的沉降特征

路基加固后，高壓旋噴樁對路基填土的擠密效果不明顯，計(jì)算建模中故不考慮路基填土參數(shù)的提高，只在路基填土中加入高壓旋噴樁樁體材料，其它參數(shù)不變，計(jì)算模型如圖3所示。

通過計(jì)算路基頂面沉降變化曲線。1#線荷載作用下路基頂面沉降變形最大值為145.50mm，1#+3#線荷載作用下沉降變形最大值150.85mm，1#+3#+5#線荷載作用下沉降變形最大值為152.65mm，1#～5#線滿布作用下沉降變形最大值為173.00mm。

5 路基加固前后線路荷載作用下的路基頂面沉降變形對比分析

將加固前后路基頂面沉降進(jìn)行比較，見表2。加固后路基頂面沉降有所減小，隨著荷載的逐漸增大，沉降減小量從單線荷載的21.25mm至5線滿布荷載時(shí)的91.93mm。沉降減小比從12.7%增至34.7%。

通過對朔黃線重載鐵路路基試驗(yàn)段的非線性有限元靜力學(xué)分析，可以得到，加固范圍內(nèi)土體剛度的增加明顯減小了路基本體沉降，高壓旋噴樁作為既有線路基的加固方法，其加固效果明顯。

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