水泥粉煤灰碎石樁支護引道路堤對軟土地基橋臺樁的影響分析

董金燕

摘要：軟土地基中的橋臺樁可能會受到路堤荷載引起的垂直和水平土壤移動的影響。為了限制土體的運動，采用復(fù)合樁基，往往會改善引道路堤下的軟土地基，其目的是減輕高速列車通過橋梁引起的隆起。文章對水泥粉煤灰碎石樁與土工格柵聯(lián)合加固的粉質(zhì)黏土路基進行了一系列三維離心模型試驗，分析了地基置換率（m）對路堤荷載作用下橋臺樁響應(yīng)的影響。同時，對不同地基置換率的樁加固地基進行了數(shù)值研究。結(jié)果表明，采用CFG樁對引道路堤地基進行加固后，橋臺樁的受力性能明顯提高，置換率的臨界值在4.9%以上，CFG樁基礎(chǔ)的作用是有限的。這意味著，在將橋頭跳車風險降至最低的同時，優(yōu)化改良地基對于具有成本效益的設(shè)計至關(guān)重要。

關(guān)鍵詞：橋臺樁;軟土地基;粉煤灰

中圖分類號：U443.15文獻標識碼：ADOI：10.13282/j.cnk..wccst.2021.01.044

文章編號：1673-4874（2021）01-0162-04

0引言

在鐵路工程中，橋頭引道路堤（BAE）中所謂的“橋頭跳車”所帶來的工程問題已成為困擾鐵路長期運營安全和舒適性的難題。隆起主要是由軌道剛度突變引起的，這與結(jié)構(gòu)和地基的不連續(xù)性、回填的不均勻沉降等因素有關(guān)。除此之外，軟土地基上路堤的施工可能導(dǎo)致顯著的豎向和水平土體移動[1-2]。土的運動反過來又會引起鄰近橋臺樁的附加應(yīng)力和位移，使樁或橋梁結(jié)構(gòu)可能發(fā)生不可容忍的移動甚至結(jié)構(gòu)破壞。因此，研究橋臺樁在引道路堤引起的土體運動下的受力性能，具有十分重要的意義[3-4]。

本文介紹了一系列離心機模型試驗和三維數(shù)值模擬的結(jié)果，以了解橋臺樁在改變路堤下復(fù)合樁基的替代率（m）時的行為。重點分析了橋臺樁的軸向力、彎矩、接觸壓力和水平位移等，為優(yōu)化橋頭引道路堤的地基處理設(shè)計，保證高速鐵路軌道的長期穩(wěn)定提供了建議。

1離心機模型

1.1實驗裝置

在土工離心機上進行了4個離心模型試驗，采用100g最大離心機，加速度為200g，有效半徑為2.7m。用于離心模型試驗的模型容器由鋁合金制成，尺寸為800mm×600mm×600mm（長寬高）。所有離心模型試驗均以80g的徑向加速度進行，因此在離心模型試驗期間產(chǎn)生的垂直有效應(yīng)力分布將與尺寸>80倍的原型相同。離心模型試驗如圖1所示。

模型底面由一層100mm厚的軟粉質(zhì)黏土層組成，下面是一層250mm厚的超固結(jié)黏土層。橋臺包括三排樁，長為195mm，外徑為12mm。距樁排中心為37.5mm，樁排間距為40mm（見圖2）。

混凝土樁帽厚32mm，與擋土墻整體采用現(xiàn)澆連接，與樁相比，其設(shè)計為剛性彎曲。模型路堤的前坡和側(cè)坡的比例約為1.5：1?？紤]了復(fù)合樁基的4種置換率（m=2.2%、3.1%、4.9%和8.7%）。表1、表2總結(jié)了4個離心模型試驗中使用樁的參數(shù)，包括混凝土粉煤灰碎石（CFG）和橋臺樁，原型比例尺上的相應(yīng)值列在方括號中。

1.2土壤性質(zhì)和樣品制備

離心模型試驗所用的土壤是從成都的一個現(xiàn)場試驗點取樣的，被稱為“成都黏土”，是成都平原典型的軟黏土。上部粉質(zhì)黏土層由成都粉質(zhì)黏土泥漿制備，下部黏土層由成都黏土泥漿制備。對于場地內(nèi)粉質(zhì)黏土和黏土性質(zhì)相似的模型試驗，以密度和含水量為主要控制參數(shù)，其次為強度指標。從現(xiàn)場獲得的土壤樣品經(jīng)過風干和機械粉碎，然后通過2mm篩。其后，用去火水將風干土粉與水混合，達到所需含水量，再進行機械攪拌。黏土泥漿在真空條件下至少脫氣24h。根據(jù)給定的土壤容重，可以預(yù)先確定試驗所需容器內(nèi)每層土壤的重量。而后，將黏土漿水平分層放置，自下而上，高度為25cm，每層填料厚度為2cm。粉質(zhì)黏土以相同的方式鋪設(shè)至35cm高。對重塑土樣進行了固結(jié)和快速直剪試驗，以確定其物理力學性質(zhì)。

1.3試驗程序

整地完成后，將模型容器安裝在離心機平臺上，初始固結(jié)階段設(shè)置為2h，加速度為80g，以允許黏土層中多余孔隙水壓力的消散，從而保持土壤沉降。然后，暫停離心機，以便在設(shè)計位置安裝樁臺。首次采用與樁徑相同的鉆機在設(shè)計樁位鉆孔，直至達到設(shè)計深度，再利用液壓千斤頂將預(yù)制樁臺緩慢垂直安裝至理想深度。這意味著，在離心模型試驗中模擬的橋臺樁被視為“希望就位”，旨在模擬鉆孔樁。隨后，CFG模型樁以給定的置換率（見表1）安裝在黏土地基中，并在其上放置預(yù)制黏土路堤模型。最后，以80g的加速度運行離心機，并監(jiān)測儀器化橋臺樁的響應(yīng)。

2數(shù)值分析

采用ltasca（2005）開發(fā)的有限差分程序FLAC3D對CFG樁支護引道路堤對橋臺樁性狀的影響進行了數(shù)值分析。通過對離心模型試驗結(jié)果的驗證，對三維數(shù)值模型進行了驗證，并進行參數(shù)研究，揭示了影響橋臺樁基響應(yīng)的關(guān)鍵因素，特別強調(diào)了樁基換填率的影響，并在離心模型試驗的基礎(chǔ)上進行了數(shù)值研究。

2.1數(shù)值模型與邊界條件

根據(jù)離心機模型原型的幾何結(jié)構(gòu)，建立了全尺寸三維數(shù)值模型（如圖3所示），其中x、y和z分別表示橫向、縱向和垂直方向。在數(shù)值模型中，樁與周圍土的接觸單元可以實現(xiàn)樁土的接觸、滑移和離層。

模型采用的邊界條件如圖4所示。根據(jù)離心模型試驗結(jié)果驗證數(shù)值模型后，參數(shù)研究考慮了置換率（m）為8.7%、4.9%、3.1%和2.2%的四個值，以模擬不同程度的地基加固工況，分別對應(yīng)CFG樁間距直徑比為3、4、5和6。橋臺樁被建模為厚度為2mm的樁單元。

2.2數(shù)值程序

每個數(shù)值分析遵循與離心模型試驗相同的程序：

（1）在原型尺度的基礎(chǔ)上建立地基模型的網(wǎng)格，將本構(gòu)模型和材料特性賦予土層，建立初始邊界條件，然后在自重作用下建立兩層地基的初始應(yīng)力狀態(tài)。

（2）設(shè)置初始邊界條件，然后在自重作用下，在兩層土壤剖面中建立初始應(yīng)力狀態(tài)。