重载铁路路基斜向注浆挤密桩加强效果研究＊

李晓建，牛建东，，，王连俊，薛继连，邱亮

(1．朔黄铁路发展有限责任公司，河北肃宁062350;2．北京交通大学土木建筑工程学院，北京100044;3．中南大学土木工程学院湖南长沙410075)

货运重载化是当前世界铁路发展的趋势之一，其对解决长距离、大宗量货物的运输问题有显著效果。我国日益增长的运能需求及铁路重载技术的快速发展也加快了既有货运铁路扩能改造的步伐，但大轴重、高密度行车必然加剧轨道、路基的破坏，特别是既有线路路基由于受修建时技术和经济条件的限制，填筑压实标准往往较低，这就容易致使铁路产生翻浆冒泥、下沉和外挤等各种病害。故为减小路基段轮轨动力作用，提高行车安全性，有必要对路基提出合理的加固措施，严格控制路基下沉和降低路基动力效应。但由于货运铁路任务繁重，中断运营损失巨大，故如何在不中断运营的前提下对路基薄弱环节进行加强成为了既有线扩能改造的关键。本文在此背景下，以重载铁路路基为研究对象，针对路基斜向注浆挤密桩加强前后的静动力效果变化，运用有限元模拟软件Plaxis中的塑性分析计算模块和动力分析模块对其进行数值模拟分析研究。

1 计算原理

对重载铁路路基加强前后的静动力分析过程中，需要用到塑性分析隐式积分法、动力学中的Newmark隐式时间积分法及其相应的边界条件确定方法，以准确来模拟路基在静动力荷载情况下的变形情况及动力响应值。其中，Newmark隐式时间积分法中时间Δt+t的位移解答满足时间Δt+t的运动方程:

而得到的。式中:M为质量矩阵;u为位移矢量;C为阻尼矩阵;K为刚度矩阵;F为荷载矢量;u，和为别为位移、速度和加速度。

2 计算模型

2．1 计算参数选取

为分析路基在加强情况下的变形情况，以现场调研数据为依据。道床高0．6 m，坡率为1:1．75，路基高度6 m，坡率为1:1．5，基床表层宽12．1 m，厚度为0．7 m，基床底层厚2．3 m，路基本体厚3 m，地基厚度取20 m。模型考虑到路基为对称结构，故取模型的一半进行计算。

模型数值分析时作为平面应变问题进行分析，为了将问题简化又能反映问题的主要特点，在有限元模型建立的过程中进行了如下假设和设定:

(1)土的本构模型采用摩尔－库仑本构模型。

(2)桩体采用板单元进行模拟，采用线弹性本构模型，按EI和EA等效。

(3)根据加强桩的特点，考虑了桩体周边土的挤密效果，挤密半径为0．75 m，挤密程度通过挤密土体刚度来考虑，并通过挤密土体按面积将环状的挤密土换算成板旁的土层厚进行计算。

(4)桩土界面因注浆效果有所加强，故不考虑界面折减情况。

(5)静动力分析模型单元网格划分时采用软件默认的三角形单元，默认网格疏密度为中等;同时，对路基边坡线和加固桩区域进行网格二次加密，保证结果的准确性。

(6)静力特性分析模型的边界条件采用了标准设置，即左右两侧水平固定，竖向自由，底部水平与竖向固定。

(7)动力分析中的加强路基模型在静力分析模型的基础上，增设标准吸收边界，调整材料参数，增加瑞利阻尼系数，以使动力分析结果准确。

(8)静动力分析初始应力设置中，均在起始步中进行了土体与挤密桩的自重加载，并在后面分析步重置位移为0，故本文分析所得位移均为附加列车荷载作用下的变形。

(9)动力分析时荷载加载频率为10 Hz，故选定动力加载时间为1 s，分析10个加载过程中的动力响应情况。

(10)模型中所选取的路基参数来自于“重载铁路桥梁和路基检测与强化技术研究”863计划课题。

在计算过程中，道床、土体及桩体参数见表1。

2．2 加固桩布置形式

加固桩在路基两侧按一定角度布置，一侧桩体均只延伸到另一侧道床坡脚以下1∶1坡率线位置，竖直方向上桩体从基床表层下1 m加固到路基本体下1 m位置，竖直间距按2 m布置，线路方向间距按2 m考虑。具体桩体布置图形式如图1所示。

图1 加固桩布置图Fig．1 Layout of reinforcement pile

表1 土体及加固桩参数表Table 1 Soil and reinforcement parameters of pile

2．3 路基列车荷载

2．3．1 静力荷载

图2 列车活载Fig．2 Live load of train

路基面静力包括轨道结构荷载和列车活载，轨道结构荷载可根据轨道类型及尺寸等参数进行计算，列车活载可以根据朔黄铁路煤炭专用重载线路的特殊性质及万吨活载需求进行计算，本文采用如下推荐的活载形式，如图2所示。轨道结构荷载计算:钢轨质量为75 kg/m，轨枕1.84根/m，轨枕的质量为251 kg/根，扣件质量为3 kg/m。则P1=6．21 kN/m，列车静载P2=183.75 kN/m，总静载 P=P1+P2=189．96 kN/m

轨枕长度考虑2．5 m，即荷载分布宽度为2.5 m。则总均布荷载为q=P/2．5=76 kPa。

2．3．2 动力荷载

用正弦函数来模拟轨道的不平顺，然后将其叠加即为列车动荷载，其表达式如下:

P=P0+P1sin(2πωt)

式中:P0为车轮静载;P1为震动荷载幅值。

本文考虑的是重载线路列车荷载，根据上述公式计算得到车速100 km/h，轴重30 t的列车在路基面上的动荷载表达式为

3 模拟结果及分析

3．1 注浆挤密桩加强路基的静力特性分析

在计算加固桩对路基变形的影响时，考虑采用5°的布置角度来建立模型，并计算其竖向变形值以作分析。模型中桩的线路方向间距和竖向间距均按2 m考虑。

图3 有无加固桩情况下路基数值模型竖向变形计算结果Fig．3 With or without reinforcement pile vertical deformation of the roadbed numerical model calculations

表2 有无加固桩情况下情况下路基竖向变形量分析表Table 2 Numerical model of vertical deformation deformation analysis table with or without reinforcement pile embankment

从图3可以看出:竖向位移从线路中心线位置向路基边坡两侧呈减少趋势。加固后的路基相对原路基竖向位移有一定减少，减少幅度为22%左右;同时，竖向变形随着路基深度的增加，变形越来越小，位移最大扩散深度在地基下17．5 m左右。

3．2 斜向注浆挤密桩加强路基的动力特性分析

随着轴重的增加，路基动力响应也显著增加。为保证铁路运行正常，在轴重增加的基础上，有必有对铁路路基进行加强。下述内容就对采用注浆挤密桩加固的路基与无加固的路基在30 t轴重的情况下进行动力响应对比分析，验证加强路基的加强效果。

图4 加固前后路基动力响应对比图Fig．4 Dynamic responses comparison before and after reinforcement

表3 加固前后路基动力响应数值对比表Table 3 Before and after strengthening roadbed Dynamic numerical comparison table

从图4和表3可以得出:当对路基进行加强后，可有效抑制路基的动力作用，抑制率在30%左右。可见:采用注浆挤密桩加固后的路基在动力特性方面有较大的改善。

4 结论

(1)加强后的路基相对未加强路基竖向位移有一定的减少，减少幅度在22%左右。同时，竖向变形随着路基深度的增加，变形越来越小，位移最大扩散深度在地基下17．5 m左右。

(2)当对路基进行加强后，可有效抑制路基的动力作用，抑制率为30%左右。

(3)斜向注浆挤密桩对重载铁路路基的加强效果明显，可有效地减少路基的竖向变形并降低路基的动力响应。

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