列車荷載作用下的高壓旋噴樁的樁身模量對復(fù)合地基的動力響應(yīng)影響分析

趙南陸 曹宏 梁永恒

以唐曹鐵路的典型斷面為例，利用FLAC3D軟件對高壓旋噴樁復(fù)合地基在列車荷載作用下的動力響應(yīng)進行了數(shù)值模擬研究。通過改變樁身模量大小研究其對于高壓旋噴樁復(fù)合地基的動應(yīng)力、動加速度和動位移的影響。

列車荷載； 高壓旋噴樁復(fù)合地基； 樁身模量； 動力響應(yīng)； FLAC3D

TU473.1+2 A

［定稿日期］2022-03-22

［作者簡介］趙南陸（1994—），男，碩士，從事巖土工程領(lǐng)域的技術(shù)研究工作。

高壓旋噴樁是一種以靜壓力注漿的方法為基礎(chǔ)，同時將其與高壓水射流切割技術(shù)相結(jié)合而得到的一種地基加固裝置［1-3］。其成樁機理是，利用高壓噴射裝置，讓水泥土以較高的速度從該裝置的噴槍中噴出，使得噴出的水泥土對其下部的地基土達到高速擠壓以及切割的效果，最終形成樁體。高射旋噴樁施工技術(shù)通過改變原地層的結(jié)構(gòu)和組成，同時灌入泥漿或復(fù)合漿形成凝結(jié)體，從而達到加固地基和防滲的目的，該技術(shù)可廣泛用于淤泥質(zhì)土、黏土、粉質(zhì)黏土、粉土、砂土和人工填土等多種土層。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，對高壓旋噴樁的施工提出了更多的要求。20世紀(jì)70年代中期，Ruben通過研究得到了一種新的工作法，即JSG工法又叫二重管法，至20世紀(jì)80年代，日本又相繼研究出了三重管以及多重管法旋噴注漿法［4］。近年，日本學(xué)者又將高壓噴射注漿和深層水泥液攪拌兩者方法結(jié)合起來，形成了目前常用的深層噴射攪拌混合法［5］。

1 工程概況

唐曹鐵路，是一條連接河北省唐山市豐南區(qū)和曹妃甸區(qū)的國鐵Ⅰ級雙線電氣客貨共線鐵路，全長76.3 km，設(shè)計時速160 km/h，是北京—秦皇島城際鐵路的重要組成部分。曹妃甸區(qū)地處環(huán)渤海中心地帶，該區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，經(jīng)過了幾個階段的滄海桑田的更迭之后，形成了以黏土為主的濱海地貌，且進行了大面積的填海造陸，因此非常適合利用吹填技術(shù)將曹妃甸地區(qū)的地質(zhì)條件加以改造。該地區(qū)吹填土按照其工程特性可分：①距離吹填完成時間較短的砂土，吹填土表現(xiàn)為軟塑-流塑狀；②吹填完成后經(jīng)過一段時間固結(jié)沉降的土體；③吹填完成后經(jīng)過地基處理后的土體。其中，工程性質(zhì)最好的為第3種，其孔隙比、含水率以及壓縮模量等性質(zhì)同另外2種吹填土相比，均得到了很大程度的提高。

由于該地區(qū)總體上的吹填土的孔隙比高、強度低等性質(zhì)，使得在這種特殊地基上修建鐵路會導(dǎo)致地基的變形大、承載能力不夠，還會導(dǎo)致地基內(nèi)長期存在超孔隙水壓力這樣類似的技術(shù)難點，如果不加以解決，工程將會存在相當(dāng)大的安全隱患。因此，利用高壓旋噴樁施工技術(shù)對該地區(qū)的地基進行加固以提高整體承載力是比較合適的。本文將基于FLAC3D軟件對唐曹鐵路DK33+440.52～DK44+205路段中的DK37+700斷面進行建模，并模擬其在列車動荷載作用下不同樁身模量的動力響應(yīng)。

2 模型參數(shù)

2.1 幾何參數(shù)

以唐曹鐵路DK33+440.52～DK44+205路段中的DK37+700斷面為實際工程背景，模型高30 m，其中包括5 m高的路基和地下25 m的地基，寬100 m，填筑路堤的設(shè)計坡度為1∶1.5。根據(jù)網(wǎng)格劃分的原則，并結(jié)合唐曹鐵路實際工程斷面DK37+700，對數(shù)值模擬的模型網(wǎng)格尺寸進行劃分，為減輕計算難度，沿y軸方向，劃分15個網(wǎng)格單元，單元長度為2 m；沿x軸，中間復(fù)合地基加固部分，每個網(wǎng)格采用與樁徑相等的尺寸即為0.5 m；沿z方向，隨深度增加，動力荷載的影響可以忽略，故上部取較小網(wǎng)格尺寸，約為0.5～0.8 m，距地面6 m及以下部分網(wǎng)格尺寸約為2～3 m。模型網(wǎng)格劃分結(jié)果見圖1。

2.2 物理力學(xué)參數(shù)

計算模型包括填筑路基、地基土層、水泥土攪拌樁、土工格柵褥墊層等組成部分。模型中忽略土工格柵的影響，其他各結(jié)構(gòu)層均通過實體單元進行模擬，實體單元與實體單元之間通過節(jié)點的相互連接來實現(xiàn)力的傳遞。沿線路方向?qū)扼w以及樁間土體進行簡化，采用其復(fù)合模量進行計算，高壓旋噴樁的平面布置見圖2。根據(jù)現(xiàn)場得到的該斷面的監(jiān)測數(shù)據(jù)，高壓旋噴樁的相關(guān)計算參數(shù)見表1。

本文采用FLAC3D中彈塑性本構(gòu)模型對地基以及路基土層進行模擬。需要提供土層參數(shù)中的體積模量K和切變模量G，體積模量K和切變模量G與彈性模量E存在關(guān)系：

K=E3（1-2μ）（1）

G=E2（1+μ）（2）

式中：K為體積模量；G為剪切模量；E為彈性模量；μ為泊松比。

選取唐曹鐵路中的DK37+700斷面為工程背景，建立有限差分模型，分析在動荷載下的動力響應(yīng)，斷面的土層參數(shù)見表2。

3 模型建立

按照圖1進行建模，模型四周設(shè)置自由場邊界，在模型底部施加靜止邊界。FLAC3D中的接觸面采用的是無厚度接觸面單元，其本構(gòu)模型為庫倫剪切模型。接觸面的接觸性體現(xiàn)在接觸面的節(jié)點上，且接觸力僅在節(jié)點上傳遞。接觸面參數(shù)與每個節(jié)點都有聯(lián)系，且每個節(jié)點也可以有自己獨立的參數(shù)。

根據(jù)工程實際，當(dāng)樁頂荷載增大時，樁側(cè)摩阻力的變化和樁端阻力的變化是不相同的，樁側(cè)接觸面和樁頂接觸面節(jié)點會發(fā)生分離，故在樁側(cè)和樁端采用不同ID號的接觸面，更能模擬樁的受力機理，得到更接近實際的結(jié)論。本文在樁側(cè)建立Interface1、樁端建立Interace2，以此反應(yīng)兩者不同的受力情況。對于列車荷載的模擬，筆者則考慮為2節(jié)車廂及其相鄰轉(zhuǎn)向架間的荷載疊加，在路堤頂部相應(yīng)節(jié)點處施加激勵荷載，得到相鄰車廂輪載疊加后動荷載［6］，如圖3所示。其中考慮2節(jié)車廂相鄰轉(zhuǎn)向架荷載時，動荷載作用時長為0.8 s，以分析路堤以及地基內(nèi)部的動力響應(yīng)，主要包括各土層中動應(yīng)力、動位移以及動加速度的變化規(guī)律。

4 結(jié)果分析

在列車移動荷載下，動力響應(yīng)發(fā)生最強烈的位置為模型的路堤頂面［7-8］。故取路堤頂面中心附近節(jié)點為研究對象，對模型相關(guān)參數(shù)的影響效果進行討論。除樁身模量外，數(shù)值計算的因素的取值恒定，采用樁身彈性模量為60 MPa，80 MPa，100 MPa 3種工況進行數(shù)值計算。

4.1 動應(yīng)力

如圖4所示，為不同樁體模量時的復(fù)合地基路堤頂部動應(yīng)力時程曲線，由圖4可知，樁體模量變化時，動應(yīng)力的變化規(guī)律基本一致，樁體模量的增加，對路基頂部動應(yīng)力幅值基本無較大影響。在路堤頂部表面中心位置，加之樁體模量設(shè)計值，按照樁體彈性模量從小到大的順序，即60 MPa、68.69 MPa、80 MPa、100 MPa，路堤頂部中心位置動應(yīng)力幅值分別為：9.96 kPa，9.95 kPa，10.07 kPa，9.98 kPa，見圖5。列車移動荷載下，高壓旋噴樁復(fù)合地基及其上部路基內(nèi)部的動應(yīng)力主要由列車移動所產(chǎn)生的周期性動荷載引起，與其下部路基以及地基本身的剛度沒有直接的關(guān)系，而由于列車移動荷載并未發(fā)生改變，故模型內(nèi)部動應(yīng)力變化較小，當(dāng)樁身模量增大時，動應(yīng)力時程曲線的形狀同其幅值均無較大變化。

4.2 動加速度

如圖6所示，為不同樁身模量時的路基頂部中心位置的動加速度時程曲線，由圖6可知，樁身模量增大時，動應(yīng)力的變化規(guī)律基本一致，隨著樁身模量的增大，路基頂部動應(yīng)力幅值基本恒定。

在路堤頂部表面中心位置，加之樁體模量設(shè)計值，按照樁體彈性模量從小到大的順序，即60 MPa、68.69 MPa、80 MPa、100 MPa，路堤頂部中心位置動應(yīng)力幅值分別為：15.62 m/s2、15.60 m/s2、15.79 m/s2、15.65 m/s2，對比見圖7。

列車移動荷載下，高壓旋噴樁復(fù)合地基及其上部路基內(nèi)部的動加速度主要由列車移動在土體內(nèi)產(chǎn)生的動應(yīng)力引起，與其下部路基以及地基本身的剛度沒有直接的關(guān)系，而由于列車移動造成的土體內(nèi)動應(yīng)力并未發(fā)生改變，故模型內(nèi)部動應(yīng)力變化較小，當(dāng)樁身模量變大時，動加速度時程曲線的形狀及其幅值均無明顯的增減。

4.3 動位移

圖8為不同樁體模量時的復(fù)合地基路堤頂部動位移變化的時程曲線，有圖可知，當(dāng)樁身模量變大時，三者動位移時程曲線形狀基本一致，即動位移的變化規(guī)律基本保持一致，但動位移幅值有所不同，由于樁體模量的增大而致使路基頂部動位移的幅值趨向減小，同時動位移幅值的增量也趨于減小。在路堤頂部中心位置，加之樁體模量設(shè)計值，按照樁體彈性模量從小到大的順序，即60 MPa、68.69 MPa、80 MPa、100 MPa，其動位移幅值分別為：1.05 mm、0.93 mm、0.87 mm、0.83 mm。

列車移動荷載作用下，高壓旋噴樁復(fù)合地基上部路基表面的動位移主要由路基沉降及其下部高壓旋噴樁加固區(qū)動位移兩部分組成，因為旋噴樁模量的加大，故加固區(qū)整體模量增加，軟弱地基加固區(qū)的動位移減小。

當(dāng)樁身模量變大時，加固區(qū)模量增大，復(fù)合地基的整體動位移將逐漸減小，從而導(dǎo)致其上路基頂部動位移幅值減小；由于上部列車動荷載并未發(fā)生改變，傳到地基處時，土層內(nèi)部的動應(yīng)力也不發(fā)生變化，若樁體模量繼續(xù)增大，由下部地基所產(chǎn)生的位移增量將會逐漸減小，此時路基頂部動位移主要由路堤本身產(chǎn)生，由于路堤本身的性質(zhì)并未發(fā)生改變，因此其動位移幅值的增量將逐漸減小且趨于路堤總沉降。

5 結(jié)論

本文利用有限差分軟件FLAC3D模擬高壓旋噴樁復(fù)合地基的樁身模量對列車動荷載作用下路基表面動應(yīng)力、動位移以及動加速的影響，得出結(jié)論：

（1）樁體彈性模量對列車荷載下陸地表面中心位置的動應(yīng)力和動加速度影響較小，但對于其控制路基和地基動位移的作用比較明顯。

（2）當(dāng)樁體彈性模量增大到一定程度時，其控制動位移的效果將開始減弱，此時繼續(xù)增加樁體彈性模量以控制變形的意義不大。

（3）實際工程中，通過增減水泥的摻入量來控制高壓旋噴樁彈性模量，在充分利用樁體承載力的同時，應(yīng)充分發(fā)揮樁間土的承載特性，實現(xiàn)樁-土共同作用。

參考文獻

［1］ 蘇弦.高壓旋噴樁復(fù)合地基的設(shè)計與施工［C］//第二屆全國巖土與工程學(xué)術(shù)會論文集（下冊）， 2006.

［2］ 周建國.淺議高壓噴射注菜技術(shù)的應(yīng)用［J］.福建建材，2009 （3）：13-42.

［3］ 蔣炳亮.淺談高壓旋噴樁注漿法地基處理的施工［J］.山西建筑，2008 （7）：20-51.

［4］ 余暄平.國內(nèi)外高壓旋噴技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢［J］.成果應(yīng)用，2006 （4）：185-191.

［5］ 史佩棟.日本高壓與超高壓噴射注漿技術(shù)現(xiàn)狀［J］.地基基礎(chǔ)工程， 1996 （2）：15-19.

［6］ 陳果元.客運專線路橋過渡段動力特性的試驗研究與數(shù)值分析［D］.長沙： 中南大學(xué)， 2006.

［7］ 潘昌實， G.N. Pande.黃土隧道列車動荷載響應(yīng)初步數(shù)定分析研究［J］.土木工程學(xué)報， 1984，17（4）：18-28.

［8］ 陳震.高速鐵路路基動力響應(yīng)研究［D］.北京： 中國科學(xué)院：2006.