斜向水泥土樁加固土質(zhì)路堤的模型試驗及機理研究

晏軍，黃啟友

斜向水泥土樁加固土質(zhì)路堤的模型試驗及機理研究

晏軍，黃啟友

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團公司，湖北 武漢 430063)

近年來，斜向水泥土樁技術(shù)在朔黃鐵路路基加固中開始逐漸應(yīng)用。根據(jù)路基沉降變形相似關(guān)系，確定路基模型比例，設(shè)計一套斜向水泥土樁加固路基的模型試驗系統(tǒng)。通過分析斜向水泥土樁加固路堤模型試驗監(jiān)測結(jié)果，系統(tǒng)研究斜向水泥土樁排數(shù)對路堤沉降、路堤邊坡變形的影響，解釋斜向水泥土樁加固土質(zhì)路堤的作用機理。研究結(jié)果表明：斜向水泥土樁的樁體明顯有減小頂面沉降的作用，隨著樁排數(shù)的增加，路基頂面的沉降量在顯著減小，荷載引起沉降的影響深度也在顯著減小；路堤經(jīng)斜向水泥土樁加固后，不僅頂面沉降得到有效控制，邊坡的豎向和水平變形也明顯減小。

加固機理；斜向水泥土樁；路基模型；路堤沉降；邊坡變形

目前常見的路基加固方法主要包括換填法、注漿法等，然而上述方法的運用存在影響行車、無法改善土質(zhì)或加固效果不理想等缺陷[1]。重載鐵路列車在大流量行車情況下容易產(chǎn)生較多的路基病害[2?4]，研究針對既有重載鐵路路基的工程加固措施具有重要的現(xiàn)實意義。近幾年來，斜向水泥土樁技術(shù)在我國鐵路路基加固等領(lǐng)域開始逐漸應(yīng)用，為解決重載鐵路工期緊迫、質(zhì)量要求高、施工條件約束大的問題，斜向水泥土樁處理技術(shù)具有優(yōu)良的實用性。目前國內(nèi)外已有部分學(xué)者進行了斜向樁基加固鐵路路基的機理與應(yīng)用研究。王定舉[5]介紹了斜向旋噴樁加固改良土體的機理，并提出采用該方法進行土體加固施工工藝和質(zhì)量控制措施。狄宏規(guī)等[6]結(jié)合重載鐵路路基加固前后試驗數(shù)據(jù)和斜向高壓旋噴樁加固機理，探討了斜向高壓旋噴樁技術(shù)對既有鐵路路基加固的綜合效果。金成軍[7]對旋噴式水泥土樁在鐵路路基病害整治工程中的應(yīng)用進行了詳細(xì)介紹，對傾斜旋噴式水泥土樁的加固原理及特點進行了分析，并由此提出傾斜旋噴式水泥土樁的加固方案。冷長明[8]報導(dǎo)了斜打水泥土樁整治某路橋過渡段的工程案例。呂平[9]介紹了斜向水泥土樁法的加固原理，探究了斜向水泥土樁法加固既有鐵路路基的施工技術(shù)流程。王鑄等[10]通過室內(nèi)模型試驗，研究斜向水泥土樁加固技術(shù)的工作機理，得出了路基頂面沉降、路基邊坡位移變形規(guī)律、路基土體內(nèi)部豎向應(yīng)力分布規(guī)律及水泥土樁體受力變形特征。賀文波[11]以滬通鐵路軟土地基加固工程為研究對象，采用有限元軟件計算地基的豎向位移，并與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行對比，分析旋噴樁加固效果。李勝杰[12]建立了加筋水泥土樁路基加固結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型，就路基中設(shè)置加筋水泥土樁和未設(shè)置加筋時加固效果進行了對比。李海超[13]通過室內(nèi)模型試驗和數(shù)值模擬等方法得出了路基沉降和邊坡變形隨樁排距之間對應(yīng)關(guān)系。宋緒國等[14]通過斜向水泥土樁加固機理，建立了斜向水泥土樁法的分析模型，結(jié)合地層沉降計算方法中的分層總和法，提出了確定斜向水泥土樁豎向排距、縱向間距的計算公式。王祥等[15]針對松軟巖溶地基，提出了以注漿和地基管樁加固為基礎(chǔ)的一種加固方式。劉晶磊等[16]通過數(shù)值模擬手段，明確了水泥土排樁對重載鐵路路基變形的控制作用、加固效果以及水泥土排樁加筋對加固重載鐵路路基的影響。綜上所述，目前有關(guān)樁基礎(chǔ)中路基承載和變形問題有關(guān)專家學(xué)者做了大量研究，然而像斜打水泥土樁這樣用來加固的斜樁，主要問題已不是斜樁本身的承載和變形，而是如何使路基頂部荷載合理向下傳遞，協(xié)調(diào)路基中的應(yīng)力分布，從而提高路基整體承載力和減小路基的不均勻沉降。本文系統(tǒng)研究并分析了斜向水泥土樁排數(shù)對路堤沉降、路堤邊坡變形的影響，解釋了斜向水泥土樁加固土質(zhì)路堤的作用機理。

1 路基模型試驗介紹

1.1 模型試驗系統(tǒng)建立

加載系統(tǒng)通過壓力機完成。位移測量系統(tǒng)主要包括基準(zhǔn)梁、磁座、水平位移監(jiān)測百分表和垂直監(jiān)測百分表；應(yīng)力測量系統(tǒng)包括土壓力盒、應(yīng)變箱及電腦。

在加載系統(tǒng)和測量系統(tǒng)連接完畢后，檢查各部件是否能正常工作后，開始試驗。試驗過程如下：

1) 預(yù)加載，等待3 min后卸除荷載，然后繼續(xù)等待3 min，之后將下沉量儀表調(diào)至零位或讀取測表讀數(shù)作為初始下沉量讀數(shù)。

2) 施加荷載以油壓示數(shù)為準(zhǔn)，由于油壓表特殊性，施加首級荷載為2.2 MPa，而后以1 MPa為增量，逐級加載。由于應(yīng)變箱讀數(shù)不穩(wěn)定，每增加一級荷載，30 min后軟件讀一次數(shù)，然后每隔10 min讀數(shù)一次，連續(xù)讀3次，若4次讀數(shù)不變，則讀取應(yīng)變值和百分表示數(shù)。若示數(shù)有所變化，則繼續(xù)每隔10 min讀數(shù)一次，直到相鄰4次讀數(shù)不變?yōu)橹梗x取此時應(yīng)變值和百分表的示數(shù)。

然后添加下一級荷載，每級荷載的穩(wěn)定時間不得少于30 min。經(jīng)觀察在加載10 min后，應(yīng)變箱讀數(shù)均不再改變。

3) 最后一級荷載加載并讀數(shù)完畢后，清點并回收試驗器材，整理試驗數(shù)據(jù)。

1.2 數(shù)學(xué)模型

單因素方差分析只考慮樁排數(shù)對路基沉降的影響，取因素樁排數(shù)的4個水平0，1，2，3。由于本加固方法主要對應(yīng)沉降比較大的鐵路路基，所以以豎向位移監(jiān)測為主，水平位移為輔，百分表位置布置與各位移檢測點布置如圖1～2所示，可獲得服從正態(tài)分布的試驗指標(biāo)的數(shù)據(jù)。不同層次因素對檢驗指標(biāo)影響的差異可以歸因于檢驗假設(shè)0：12…=μ(為自然數(shù))。

從路肩點沿著邊坡面布置百分表1，2，3，4，5。1，2，3和4是對應(yīng)的邊坡面上自上而下的測點，1，2和3是輔助測點。

單位：m

單位：m

2 試驗測試結(jié)果分析

斜向水泥土樁加固土質(zhì)路堤模型試驗主要分析斜向水泥土樁排數(shù)的改變對路基沉降的影響，并比較在不同工況下，不設(shè)置樁以及不同排數(shù)水泥土樁時路基的受力特性，揭示水泥土樁的工作機理，確定最佳減沉效果的排數(shù)。

2.1 測試工況

為研究不同情況下水泥土樁對路基變形的影響，現(xiàn)設(shè)計4種工況，通過選擇合適填料，控制填方機具，分層壓實嚴(yán)格控制層厚等措施來控制填筑質(zhì)量。如表1所示。根據(jù)試驗結(jié)果，分析水泥土樁加固路基前后和增加樁排數(shù)后路基頂部的沉降和坡面水平變形情況。

表1 測試工況

2.2 路基受力變形特征分析

2.2.1 單因素方差分析法的基本原理

方差分析的本質(zhì)是借由分析數(shù)據(jù)的誤差來源來檢查多個總體的均值是否相同。根據(jù)自變量的數(shù)量，方差分析分為單因素方差分析和雙因素方差分析[17]。

為使觀測結(jié)果具有代表性，篩選數(shù)據(jù)后，本次試驗結(jié)果分別取10.3，45.9和75.6 kPa荷載下各個測點的沉降觀測值進行單因素方差分析。

試驗指標(biāo)對中心位置變化的總度量S為：

每觀測數(shù)據(jù)與組內(nèi)平均值的離差平方和，各誤差引起的試驗指標(biāo)變化的總度量，即誤差平方和S為：

測量樣本組中心點位置與全體樣本的中心點位置距離的總離散程度S表達式為：

整理10.3，45.9和75.6 kPa 3組荷載下方差分析數(shù)據(jù)如表2所示。

一般情況下，因素的不同水平歸結(jié)為檢驗 假設(shè)：

0：12…=μ(μ表示組內(nèi)數(shù)據(jù)的理論均值，4組水平分別對路基沉降無顯著差異)；

1：1，2，…μ不全相等(4組水平分別對路基沉降無顯著差異)。

分別在10.3，45.9和75.6 kPa下各個測點的單因素方差分析數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表，通過計算得到方差分析表如表2所示。在分布表中查的分位數(shù)值0.95(3,44)=2.22，而分別在10.3，45.9和75.6 kPa荷載下，計算整理得=2.94，14.66和9.783，值均大于0.95(3,44)=2.22，所以可認(rèn)為樁排數(shù)的不同對地基沉降量的影響是顯著的。

表2 方差分析

2.2.2 定量分析路基頂面沉降變化規(guī)律

路基頂面沉降與荷載應(yīng)力、排數(shù)的關(guān)系曲線見圖3，從圖3可以看出，隨著加樁深度的增加，即排數(shù)的增加，相同荷載下，沉降值越來越小。

圖3 模型試驗樁排數(shù)對路基沉降對比分析

由表2可以看出，純土加最后一級75.6 kPa荷載后，最終路基頂面沉降為3.12 mm；加第1，2，3排斜打水泥土樁后，加最后一級75.6 kPa荷載后，最終沉降值分別為1.69，0.78和0.54 mm；由此可得，當(dāng)設(shè)置一排斜向水泥土樁時，路基頂面最大沉降值降低至1.69 mm，比路基未加固時降低了45.8%；當(dāng)設(shè)置2排水泥土樁時，路基頂面最大沉降量降低為0.78 mm，比未進行加固處理時降低了75%；當(dāng)設(shè)置3排水泥土樁時，路基頂面最大沉降值降低為0.54 mm，比未進行地基加固處理時降低了82.7%。由此可知，加1, 2排斜打水泥土樁時，減沉效果比較明顯，加第3排樁時減沉效果降低，即伴隨著樁排數(shù)的增加，路基頂面的沉降量在顯著降低，由荷載引起的沉降影響深度也在顯著降低。進一步說明了斜向水泥土樁的樁體明顯有減小沉降的作用。

從圖3可以看出，在豎向、縱向間距一定的條件下，隨著樁排數(shù)的增多，路堤頂面沉降最大值迅速減小，但在樁加到第3排時，路基頂面沉降曲線相近，由此對比可知，斜向水泥土樁加固后能顯著提高路堤整體的承載力，而一定加樁排數(shù)之后，隨著排數(shù)增加，加固效果不明顯，建議經(jīng)濟合理的加樁排數(shù)為2排。

2.3 斜向水泥土樁排數(shù)對路堤邊坡變形的影響分析

根據(jù)試驗設(shè)計方案分別布置豎直和垂直于地面的百分表，用于測試路堤邊坡豎向和水平位移變化。各排樁按次序從路肩點沿著邊坡面設(shè)于2，3，4和5，分別距離路肩點25，65，105和130 cm，式中1，2，3和4是對應(yīng)的邊坡面上自上而下的測點，1，2和3是輔助測點。

2.3.1 豎向變形結(jié)果分析

邊坡測點采用的方式為百分表讀數(shù)，豎向、水平位移隨樁數(shù)變化如圖4所示。

取最后一級75.6 kPa的荷載下各邊坡測點的位移進行分析，邊坡各主要測點豎向位移如圖5所示。

從圖4和圖5可以明顯看出，未經(jīng)加固的路基，邊坡上部豎向位移(沉降)大，下部較?。贿吰碌呢Q向位移接近線性變形。設(shè)置3排斜向水泥土樁加固后，路堤邊坡豎向變形得到了很好的控制效果，變形在0.1~0.43 mm之間，所有測點的豎向位移均減小，且邊坡上部豎向位移減小幅度最大，說明斜向水泥土樁可以較好的控制路堤邊坡的豎向位移，且在邊坡下邊4處，一定荷載下，樁排數(shù)的增加對邊坡下部減沉效果不明顯，即邊坡變形有向下部發(fā)展的趨勢。

圖4 測點B1?B4的邊坡豎向位移曲線

圖5 測點C1?C3的邊坡豎向位移曲線

2.3.2 水平變形結(jié)果分析

本次斜向水泥土樁模型試驗在2，3和4處設(shè)置監(jiān)測路堤邊坡水平位移的百分表，其路基坡面水平變形曲線如圖6所示。

圖6為主測點邊坡水平位移曲線，可以看出，斜向水泥土樁加固路堤后邊坡水平位移也減小，邊坡變形得到有效控制。

圖6 邊坡水平位移曲線

路堤經(jīng)斜向水泥土樁加固后，不僅僅頂面沉降量可有效降低，邊坡的豎向和水平向變形也顯著降低。由此分析可得，斜向水泥土樁加固路堤后，同時將應(yīng)力向下傳遞，使斜向水泥土樁起到加筋作用，提高路堤整體剛度，有效控制邊坡的水平和豎向變形，尤其是邊坡上部變形。

3 結(jié)論

1) 斜向水泥土樁的樁體明顯有減小頂面沉降的作用。加1，2和3排斜打水泥土樁時，路基頂面最大沉降值分別比路基未加固時降低了45.8%，75%和82.7%，說明加1, 2排樁時減沉效果比較明顯，加第3排樁時，減沉效果降低。即伴隨著樁排數(shù)量的上升，路基頂面的沉降值在大幅降低，荷載引起沉降的影響深度也有了顯著的降低趨勢。

2) 路堤經(jīng)斜向水泥土樁加固后，不僅頂面沉降得到有效控制，邊坡的豎向和水平變形也明顯減小，即將應(yīng)力向下傳遞，提高路堤整體剛度，有效控制邊坡的水平和豎向變形，尤其是邊坡上部 變形。

[1] Arulrajah A, Abdullah A, Bo M W, et al. Ground improvement techniques for railway embankments[J]. Ground Improvement, 2009, 162(13): 3?7.

[2] Yokoyama H, Mitao S, Yamamoto S, et al. High strengthbainitic steel rails for heavy haul railways with superiordamage resistance[R]. Tokyo: NKKCorporation, 2000:17?23.

[3] Tatsuya Ishilcawa, Seiichi Miura, Etsuo Selcine. Simple plastic deformation analysis of ballasted track under repeated moving-wheel loads by cumulative damage model[J]. Transportation Geotechnics, 2014(1): 157?170.

[4] Andre P, Eduardo F, Rui C. Transition zones to railway bridges: Track measurements and numerical modelling [J]. Engineering Structures, 2014(80): 435?443.

[5] 王定舉. 用斜向單管高壓旋噴樁整治朔黃鐵路路基病害[J]. 鐵道建筑, 2006(9): 55?57.WANG Dingju. Using oblique single-pipe high-pressure spray piles to repair roadbed diseases on Shuohuang Railway[J]. Railway Engineering, 2006(9): 55?57.

[6] 狄宏規(guī), 冷伍明, 周順華, 等. 朔黃重載鐵路路基斜向高壓旋噴樁加固效果[J]. 同濟大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2013, 41(12): 1818?1823.DI Honggui, LENG Wuming, ZHOU Shunhua, et al. Reinforcement effect of oblique high pressure spew pile on Suhuang heavy railway subgrade[J]. Journal of Tongji University (Natural Science), 2013, 41(12): 1818? 1823.

[7] 金成軍. 旋噴樁在鐵路路基病害整治工程中的應(yīng)用[J]. 山西建筑, 2011, 35(4): 289?290.JIN Chengjun. Application of spraying pile in disease control project of railway subgrade[J]. Shanxi Architecture, 2011, 35(4): 289?290.

[8] 冷長明. 某線路橋過渡段下沉成因分析及整治措施研究[J]. 中國水運, 2008, 8(9): 217?219.LENG Changming. Analysis on the cause of subversion in transition section of a line bridge and its remediation measures[J]. Chinese Water Transport, 2008, 8(9): 217? 219.

[9] 呂平. 斜向水泥土樁法加固既有鐵路路基施工技術(shù)探索[J]. 河南建材, 2018(3): 54?55.Lü Ping. Exploration on construction technology of inclined cement-soil pile reinforcement for existing railway subgrade[J]. Henan Building Materials, 2018(3): 54?55.

[10] 王鑄, 宋緒國. 斜向水泥土樁加固路基室內(nèi)模型試驗研究[J]. 鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計, 2013(9): 22?26.WANG Zhu, SONG Xuguo. Study on laboratory model test of inclined cement-soil pile reinforcement subgrade [J]. Railway Standard Design, 2013(9): 22?26.

[11] 賀文波. 滬通鐵路軟土地基旋噴樁加固效果分析[J]. 鐵道建筑, 2018, 58(9): 76?79.HE Wenbo. Reinforcement effect analysis of soft soil foundation of Hutong railway with rotary jet pile[J]. Railway Architecture, 2018, 58(9): 76?79.

[12] 李勝杰. 水泥土樁加固重載鐵路路基機理的研究[D].天津: 河北工業(yè)大學(xué), 2014. LI Shengjie. Study on the mechanism of cement-soil pile reinforcement for heavy railway subgrade[D]. Tianjin: Hebei University of Technology, 2014.

[13] 李海超. 斜向旋噴樁加固既有線路基初步試驗研究[D]. 石家莊: 石家莊鐵道大學(xué), 2013. LI Haichao. Preliminary experimental study of inclined rotary grouting pile reinforcement for existing railway roadbed[D]. Shijiazhuang: Shijiazhuang Railway University, 2013.

[14] 宋緒國, 王鑄. 斜向水泥土樁加固路基設(shè)計計算方法探討[J]. 鐵道工程學(xué)報, 2013(8): 40?44.SONG Xuguo, WANG Zhu. Discussion on design and calculation method of inclined cement-soil pile to reinforce subgrade[J]. Journal of Railway Engineering, 2013(8): 40?44.

[15] 王祥, 晏軍, 顧湘生, 等. 松軟土巖溶路基加固結(jié)構(gòu):中國, ZL 2015 2 1131630.9[P]. 2016?08?17.WANG Xiang, YAN Jun, GU Xiangsheng, et al. Reinforcement structure of Karst subgrade in soft soil: China, ZL2015 2 1131630.9[P]. 2016?08?17.

[16] 劉晶磊, 宋緒國, 董捷, 等. 水泥土排樁加固重載鐵路路基的數(shù)值分析[J]. 鐵道工程學(xué)報, 2014(6): 18?23.LIU Jinglei, SONG Xuguo, DONG Jie, et al. Numerical analysis of soil-cement pile reinforcement for heavy railway subgrade[J]. Journal of Railway Engineering, 2014(6): 18?23.

[17] 賈俊平, 何曉群，金勇進. 統(tǒng)計學(xué)[M]. 4版. 北京: 中國人民大學(xué)出版社, 2009.JIA Junping, HE Xiaoqun, JIN Yongjin. Statistics[M]. 4th ed. Beijing: China Renmin University Press, 2009.

Model test and mechanism study of inclined soil-cement pile to reinforce soil embankment

YAN Jun, HUANG Qiyou

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co., Ltd., Wuhan 430063 China)

In recent years, inclined cement-soil pile technology has been gradually applied in the reinforcement of the railway subgrade in Shuohuang. Based on the similar relation of subgrade settlement and deformation, this paper determined the proportion of subgrade model, and designed a set of model test system for the subgrade strengthened by inclined cement-soil pile. Based on the analysis of the monitoring results of the model test, the influence of the row number of inclined cement-soil piles on the settlement of the embankment and the deformation of the slope of the embankment were systematically studied, and the action mechanism of the inclined cement-soil piles on the reinforcement of the embankment was explained. The main conclusions are as follows: The pile body of inclined cement-soil pile obviously reduces the settlement of top surface; with the increase of pile row number, the settlement amount of top surface of subgrade decreases significantly, and the influence depth of settlement caused by load also decreases significantly; After the embankment is strengthened by inclined cement-soil piles, not only the settlement of the top surface is effectively controlled, but also the vertical and horizontal deformation of the slope is significantly reduced.

reinforcing mechanism; inclined soil-cement pile; model of pure soil subgrade; settlement of embankment; the deformation of slope

D560.4510

A

1672 ? 7029(2020)10 ? 2526 ? 06

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20191171

2019?12?26

國家自然科學(xué)基金資助項目(51408613)

晏軍(1971?)，男，黑龍江龍江人，高級工程師，從事鐵路地質(zhì)勘察與路基設(shè)計工作；E?mail：354592934@qq.com

(編輯 涂鵬)