引起鄰近高鐵路基變形的堆載因素辨識(shí)及控制

葉佩文

(1.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043; 2.中國鐵建BIM工程實(shí)驗(yàn)室(中鐵一院),西安 710043)

引言

高速鐵路對(duì)線下工程沉降變形要求極為嚴(yán)格,鑒于此,大量高速鐵路線路不得不采取“以橋代路”的形式進(jìn)行修建,橋梁所占比例大,高架長橋多。但即便如此,仍有部分路基結(jié)構(gòu),其面臨變形控制這一難題。此外,既有高速鐵路沿線工程活動(dòng)日益頻繁,這必然對(duì)既有高速鐵路尤其是路基段的運(yùn)營安全造成影響。尤其在我國沿海軟土地區(qū),路網(wǎng)密集,此情況更為普遍。例如,鄰近鐵路堆載引起滬杭客運(yùn)專線松江段某處樁基最大橫向變形61.4 mm,導(dǎo)致線路限速60 km/h進(jìn)行糾偏處理[1-2]。

由此可見,軟土地區(qū)鄰近堆載將對(duì)既有高鐵路基產(chǎn)生不利影響,尤其是新建路基填筑這類大規(guī)模的堆載,產(chǎn)生的不利影響更不容小覷,需引起工程技術(shù)人員的充分重視。

HEYMAN[3](1961)通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究了路基填筑對(duì)鄰近既有結(jié)構(gòu)物樁基變形的影響,得出了路堤荷載的最大影響距離;楊敏等[4](2003)采用改進(jìn)彈性地基梁法對(duì)堆載鄰近的樁基進(jìn)行了理論分析,提出了堆載大小和樁基變位的控制標(biāo)準(zhǔn);李忠誠[5-6](2007)對(duì)地面超載條件下自由場(chǎng)土體的側(cè)向位移模式進(jìn)行了探討,得出了土體側(cè)向變形規(guī)律;RUJIKIATKAMJORN C[7](2008)采用三維和二維數(shù)值模擬分析了某堆場(chǎng)真空-堆載預(yù)壓過程中鄰近地層沉降、孔隙水壓力和側(cè)向位移變化,得出堆載期間應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)鄰近地層橫向運(yùn)動(dòng),以避免對(duì)相鄰結(jié)構(gòu)造成損壞的結(jié)論;代恒軍等[8](2010)分別研究了鄰近堆載作用下淺層土體彈性模量和樁身剛度對(duì)各排樁基側(cè)向變形的影響,并將有限元計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較;趙曉波[9](2013)研究了堆載作用大小、作用距離、建筑物自重、土層模量、CFG樁樁身模量等因素對(duì)鄰近復(fù)合CFG樁地基力學(xué)性狀的影響;黃玨鑫[10](2014)采用控制變量法,分析了不同堆載寬度、堆載間距、堆載高度情況下樁身彎矩與墩頂位移的變化規(guī)律;張燕[11](2015)分析了不同堆載高度、不同堆載間距以及堆載分級(jí)級(jí)數(shù)對(duì)既有路基變形的影響;丁任盛[12](2015)開展堆載對(duì)鄰近樁基影響的1∶1原位現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),探討了深厚軟土地區(qū)堆載高度、堆載與樁基距離對(duì)樁身內(nèi)力、位移、樁基和堆載間土體深層位移的影響規(guī)律;陳柯星[13](2015)考慮了快速堆載(即土體不排水情況)和慢速堆載(即考慮土體排水固結(jié))兩種工況,研究了固結(jié)時(shí)間對(duì)樁身變形和受力的影響;王毅[14](2018)通過土工離心模型試驗(yàn)研究了加載距離、加載量、加載寬度對(duì)鄰近樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)路基水平變形的影響規(guī)律。

已有研究提出,影響鄰近樁基變形的堆載因素主要為堆載距離、堆載高度、軟土厚度及堆載速度。同時(shí),既有研究鄰近堆載引起既有結(jié)構(gòu)樁基變形的因素較為單一,且研究重點(diǎn)為一定堆載作用下既有結(jié)構(gòu)物變形機(jī)理及規(guī)律。對(duì)多堆載因素共同作用時(shí),引起鄰近結(jié)構(gòu)變形的主要因素尚不明確。因此,針對(duì)軟土地區(qū)引起鄰近高鐵路基變形的堆載因素進(jìn)行研究,明確了在眾多堆載因素共同作用下,新建路基引起鄰近高鐵路基變形的主要因素。

1 堆載作用下既有高鐵路基變形數(shù)值計(jì)算

1.1 計(jì)算模型建立

(1)基本假定:①土體中孔隙水的流動(dòng)符合達(dá)西定律;②土體完全飽和,滲透系數(shù)不隨時(shí)間變化;③不考慮新建路基逐級(jí)填筑模擬過程中地下水位的變化;④非線性地基視為層狀地基,各土層土體均勻,土層之間的位移完全耦合。

(2)計(jì)算區(qū)域確定:考慮土質(zhì)條件和影響范圍的對(duì)稱性,以新建路基中心為對(duì)稱軸,取地基土的一半進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析。既有路基模型參數(shù)按照現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)甬臺(tái)溫高鐵斷面參數(shù)取值。

(3)土層參數(shù):由現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果可知,新建樂清灣鐵路路基填筑施工期間,地基土的變形主要集中在淤泥層。數(shù)值模擬過程中,軟土層參數(shù)基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)反分析所得,其余土層參數(shù)采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)勘值。各土層參數(shù)取值如表1所示。

表1 數(shù)值計(jì)算土層參數(shù)匯總

(4)邊界條件:邊界條件包括位移邊界和孔壓邊界。數(shù)值模型位移邊界為模型左右邊界約束橫向位移,底部邊界約束橫、豎向位移,頂部邊界為自由邊界。同時(shí),由于涉及固結(jié)過程,模型的孔壓邊界條件為左右邊界,底部邊界為不透水邊界、頂部邊界為透水邊界且模型頂部孔壓為零。

1.2 數(shù)值計(jì)算可靠性分析

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)工況進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,此時(shí)相應(yīng)測(cè)點(diǎn)處地基土沉降量數(shù)值計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比如圖1所示,相應(yīng)測(cè)點(diǎn)處地基土水平位移數(shù)值計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比如圖2所示,相應(yīng)測(cè)點(diǎn)處新舊路基間地表水平位移數(shù)值計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比如圖3所示。由圖1～圖3可知,鄰近地層水平位移豎向先增大后減小,最大值發(fā)生在軟弱地層中;地表及軟土層底部水平位移約為最大位移的55%、20%;鄰近地層土體水平位移橫向呈指數(shù)關(guān)系遞減,新建路基坡腳外7,12,17 m處地表水平位移約為新建路基坡腳外2 m處水平位移的34%、17%、5%。數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果吻合度高,能夠準(zhǔn)確地反映實(shí)際施工現(xiàn)場(chǎng)工程變形問題。

圖1 新建路基地基中心沉降曲線

圖2 鄰近地層沿深度方向水平位移曲線

圖3 新舊路基間地表水平位移曲線

1.3 數(shù)值計(jì)算

以軟土厚度、堆載高度、新舊鐵路路基坡腳距離(堆載距離)、地基處理強(qiáng)度以及堆載速度作為引起鄰近高鐵路基變形的影響因素進(jìn)行分析。最終,數(shù)值計(jì)算中各因素及其取值如表2所示。

表2 各因素水平取值

其中,地基處理強(qiáng)度按軟土地區(qū)常見的地基處理方式,如水泥攪拌樁、鉆孔灌注樁、高壓旋噴樁處理強(qiáng)度取值,復(fù)合地基模量約為20Es、30Es及40Es,Es為軟土層壓縮模量,數(shù)值模擬過程中地基處理深度與軟土層厚度一致。路基填筑速度按實(shí)際施工過程中每天填筑1層、2層及3層考慮,即每天填筑0.2,0.4 m及0.6 m。

擬采用正交原理對(duì)引起鄰近高鐵路基變形的各堆載因素進(jìn)行辨識(shí),為5因素3水平正交問題,選用L18(37)正交表[15-20],最終確定的各數(shù)值模擬計(jì)算工況如表3所示。

表3 數(shù)值計(jì)算工況

1.4 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

建立與表3各工況對(duì)應(yīng)的數(shù)值模型進(jìn)行計(jì)算分析,獲得各影響因素不同水平搭配下既有高速鐵路路基變形。選取工況1、工況2、工況3新建路基堆載作用下鄰近地層位移變化分別如圖4～圖6所示。

圖4 工況1堆載作用下鄰近地層位移場(chǎng)(單位:mm)

圖5 工況2堆載作用下鄰近地層位移場(chǎng)(單位:mm)

圖6 工況3堆載作用下鄰近地層位移場(chǎng)(單位:mm)

地基固結(jié)450 d后各計(jì)算工況下,新建路基地基中心沉降及新舊路基之間土層地表水平位移分別如圖7、圖8所示。由圖4～圖8可以看出,不同堆載工況下新建路基地基中心沉降變形及新舊路基間地基土地表水平位移變化規(guī)律基本一致。填筑施工期內(nèi),地基中心沉降顯著增大,施工完成后,隨著地基固結(jié)時(shí)間增加,新建路基地基中心沉降趨于穩(wěn)定。同時(shí),隨著距新建路基坡腳水平距離增大,鄰近地層地表水平位移逐漸減小。

圖7 各計(jì)算工況下新建路基地基中心沉降曲線

圖8 各計(jì)算工況下新舊路基間地表水平位移曲線

2 堆載因素分析

2.1 堆載作用下既有路基變形

堆載作用下,各計(jì)算工況既有高速鐵路路基坡腳水平位移、路基中心豎向位移及水平位移如表4所示。

表4 各計(jì)算工況下既有路基變形

2.2 極差分析

以既有高速鐵路路基坡腳水平位移、路基中心豎向位移及路基中心水平位移為考察指標(biāo),以堆載對(duì)鄰近高鐵路基變形影響最小為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),即既有路基坡腳水平位移、路基中心豎向位移及路基中心水平位移均越小越好。根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn),各評(píng)價(jià)指標(biāo)同等重要即指標(biāo)的權(quán)重分相等。采用綜合評(píng)分法進(jìn)行正交分析計(jì)算。

通過試驗(yàn)指標(biāo)的直觀分析可得:各影響因素的極差R分別為0.21、0.30、0.42、0.18、0.13,即堆載距離和堆載高度為新建路基堆載作用下鄰近鐵路路基變形的主要因素;其次為軟弱土層的厚度和地基處理強(qiáng)度;路基填筑速度對(duì)既有路基坡腳水平位移和路基中心位移的影響較小。

2.3 顯著性檢驗(yàn)

極差分析不能將試驗(yàn)中由于試驗(yàn)條件改變引起的數(shù)據(jù)波動(dòng)同試驗(yàn)誤差引起的數(shù)據(jù)波動(dòng)區(qū)分開來,也就是說,不能區(qū)分因素各水平間對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果的差異究竟是由于因素水平不同引起的,還是由于試驗(yàn)誤差引起的,無法估計(jì)試驗(yàn)誤差的大小。此外,各因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響大小無法給以精確的數(shù)量估計(jì),不能提出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來判斷所考察因素作用是否顯著。為彌補(bǔ)極差分析的缺陷,對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行方差分析,如表5所示。

表5 既有路基變形影響因素方差分析

查檢驗(yàn)臨界值表得F0.05(2,7)=4.74,F0.01(2,7)=9.55。對(duì)于給定顯著性水平α=0.05,由于FC>FB>FA>F0.01(2,7)>FD>F0.05(2,7)=4.74,則可判斷出堆載距離和堆載高度對(duì)鄰近高鐵路基變形影響顯著;軟弱土層厚度和地基處理強(qiáng)度對(duì)鄰近高鐵路基變形影響較顯著。FE

從表5中F值也可以看出,影響因素的主次順序?yàn)槎演d距離、堆載高度、軟弱土層厚度、地基處理強(qiáng)度、新建路基填筑速度,與極差分析結(jié)果一致。為更加直觀地看出各影響因素對(duì)既有路基坡腳水平位移、既有路基中心豎向及水平位移的影響趨勢(shì)及影響程度,根據(jù)極差分析結(jié)果分別繪制圖9～圖11。

圖9 既有路基坡腳水平位移隨各影響因素變化

圖10 既有路基中心豎向位移隨各影響因素變化

圖11 既有路基中心水平位移隨各影響因素變化

由圖9～圖11中分析各變形指標(biāo)隨各影響因素變化可以得出:既有鐵路路基各變形指標(biāo)隨堆載距離、地基處理強(qiáng)度的增大而減小;隨路基填筑高度、軟土厚度及路基填筑速度的增大而增大。其中,堆載距離及路基填筑高度引起既有鐵路路基相應(yīng)位置位移變化幅度最大,影響最為顯著。堆載速度雖然對(duì)既有高鐵路基最終變形量影響不顯著,但對(duì)路基填筑期內(nèi)地基變形速率影響顯著,對(duì)新建路基填筑施工期內(nèi)地基穩(wěn)定性至關(guān)重要。

實(shí)際工程中,在明確各因素顯著性的基礎(chǔ)上須對(duì)各影響因素進(jìn)行先主后次的合理控制,以減小新建路基對(duì)鄰近高鐵路基變形的影響。針對(duì)前文分析的各影響因素,新建路基堆載作用下,對(duì)鄰近高鐵路基變形控制主要從兩方面出發(fā):堆載控制(堆載距離、堆載高度)及施工控制(地基處理強(qiáng)度、路基填筑速度)。

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

依托鄰近甬臺(tái)溫高速鐵路的新建樂清灣鐵路路基工程,建立數(shù)值模型計(jì)算得到了新建路基堆載作用下,新建鐵路地基及既有高鐵路基各部位變形量,利用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)驗(yàn)證其正確性后,對(duì)引起鄰近高鐵路基變形的影響因素進(jìn)行分析,主要結(jié)論如下。

(1)新建路基堆載作用下鄰近地層水平位移豎向先增大后減小,最大值發(fā)生在軟弱地層中。地表及軟土層底部土體水平位移約為最大位移的55%、20%。鄰近地層水平位移橫向呈指數(shù)關(guān)系遞減。

(2)影響既有高鐵路基各變形指標(biāo)的堆載因素主次順序?yàn)槎演d距離、堆載高度、軟弱土層厚度、地基處理強(qiáng)度、堆載速度;其中,堆載距離、堆載高度影響最顯著;堆載速度對(duì)地基最終變形量影響有限,對(duì)施工期內(nèi)地基土的變形速率影響顯著。

(3)新建路基填筑速度越小,填筑期內(nèi)地基沉降量占地基變形穩(wěn)定時(shí)沉降量的百分比越大,路基填筑完成后地基沉降變形越小。

(4)通過堆載控制(堆載距離、堆載高度)及施工控制(地基處理強(qiáng)度、路基填筑速度)可減小堆載對(duì)鄰近高鐵路基變形的影響。

3.2 建議

提出了影響既有高鐵路基各變形的堆載因素主次順序,須對(duì)各影響因素進(jìn)行先主后次的合理控制以減小新建路基填筑施工影響。同時(shí),可分別對(duì)各顯著影響因素做回歸分析,得到各影響因素與相應(yīng)變形控制指標(biāo)之間的回歸方程,建立的堆載因素與各變形控制指標(biāo)預(yù)測(cè)模型,可有效估算出新建路基堆載作用下,鄰近地層及既有高鐵路基各部位變形量。同時(shí),根據(jù)相應(yīng)變形量的規(guī)范值可估算出實(shí)際工程各堆載因素的控制值。