褥垫层厚度对京沪高速铁路复合地基的影响及优化分析

牛慧敏

(中铁十二局集团有限公司，太原 030024)

1 概述

水泥粉煤灰碎石桩是由粉煤灰、碎石、水泥、砂或石屑加水拌和，在地基中利用各种成桩机械制成的强度等级为C5～C20的高粘结强度的桩，简称CFG桩(cement fly-ash gravel pile)［1］。褥垫层技术是 CFG 桩复合地基的关键性技术之一，褥垫层厚度的设计直接影响到CFG桩复合地基的承载力和沉降变形，所以，要优化设计CFG桩复合地基深入分析研究褥垫层技术是十分重要的［2－5］。

2 有限元的可靠度分析

参数可靠度分析是基于京沪高速铁路北段李窑试验段A区桩帽网结构的试验工况(原设计采用:桩径0.5 m，桩间距1.7 m，桩长24 m，桩帽直径1.0 m，桩帽高度0.4 m，褥垫层厚度0.6 m)。为了直观全面理解整个路基沉降和荷载分担变化特征，本文利用三维模拟，研究了路基沉降和荷载分担变化规律，模型计算宽度与深度分别取200 m与100 m;路基沿着路基中心向两侧方向延伸，所以长度取1倍桩间距，由桩间距确定具体取值，计算参数见表1、表2。

模型中，土体均为库仑模型，CFG桩是在先设置土体中替换单元材料属性实现，桩土间考虑了接触效果，单元替换过程中，自动激活接触单元。

表1 各土层参数

表2 路基、垫层、混凝土板和桩的物理及力学参数

柔性荷载下CFG桩复合地基模型计算的施工过程可以分为10个阶段:初始地应力平衡阶段→CFG桩、桩帽及碎石垫层施工阶段→填筑基床下1 m路堤→填筑基床下2.15 m路堤→填筑基床下4.15 m路堤→填筑基床底层5.15 m→填筑基床底层6.45 m路堤→预压→卸载→填筑基床表层7.15 m路堤→施工轨道板→运营期。预压过程是在路基面施加3.5 m土柱高度实现，即施加56 kPa荷载。

利用 MIDAS/GTS 对模型进行有限元分析［6－9］，列车荷载作用在CFG桩复合软土地基上，模型最终的沉降云图(等值线图)及桩、桩帽应力云图见图1、图2;桩间土、桩帽顶中心沉降与应力变化曲线见图3。

图1 复合地基的最终沉降云图

图2 桩帽、桩计算结果应力云图

图3 路基中心桩间土及桩帽顶中心沉降和应力变化曲线

西南交通大学课题组对京沪高速铁路李窑试验段A区进行了现场试验［10-13］，利用剖面管和液位沉降仪测试了CFG桩复合地基桩间土和桩帽顶的沉降变形，如表3所示，利用土压力盒测试了桩间土和碎石垫层下桩顶各点处的应力值，如表4所示。

表3 路基中心桩间土和桩帽顶的沉降量

表4 路基中心桩间土和桩帽顶的应力值

对比现场监测数据与数值模拟计算结果曲线可知，沉降和变形的变化趋势相类似，随荷载的增加，桩间土、桩帽的应力值和沉降量都增大。其中，数值模拟结果中，桩间土路堤填土完成后路基中心处桩帽的最终沉降量分别为51.4 mm和41.1 mm，应力分别为83.7 kPa和166.5 kPa，轨道荷载(换算土柱)作用后桩间土和桩帽顶最终沉降量分别为57.8 mm和47.5 mm，应力为96.0 kPa和191.8 kPa;然而现场测试的桩间土沉降量为54.09～66.31 mm，桩帽处的最终累积沉降量为44.55～55.51 mm，桩间土的应力测试值为72.5～95 kPa，桩帽顶的平均应力值为383 kPa。数值计算结果略小于现场监测结果的原因是因为现场路基面上的荷载是预压荷载(63 kPa，路基面上均匀分布)，然而模拟计算时路基上部荷载为列车和轨道荷载(59 kPa仅分布在左右线附近一定范围内)，其值与现场路基上部荷载相比较小，而且分布的方式也略有不同。

3 褥垫层厚度对复合地基受力与沉降影响规律研究

考虑褥垫层厚度对复合地基的影响时，其模型尺寸分别为:桩径0.5 m，桩长度24 m，桩间距1.8 m，桩帽直径 1.0 m，桩帽厚度0.4 m，分别取0、0.2、0.4、0.6和0.8 m为褥垫层的厚度，其他参数同基本工况。

(1)褥垫层厚度对CFG桩复合地基的沉降影响

图4和图5分别是桩帽中心处和桩间土(两桩中心)在不同厚度的褥垫层下的沉降变化曲线。

图4 不同厚度褥垫层桩帽顶中心沉降变化曲线

图5 不同厚度褥垫层CFG桩桩间土沉降变化曲线

由图4、图5不同厚度褥垫层CFG桩桩间土、桩帽顶中心沉降变化可知:①取褥垫层厚度分别为0、0.2、0.4、0.6 m和0.8 m时，桩间土和桩帽顶中心沉降变化趋势相类似，路基中心位置大，沿两侧路肩方向逐渐减小，呈“U”形;②桩间土沉降量小于桩帽顶中心处沉降量，差值最大约为10 mm，即路基中心桩间土沉降量为55～60 mm，两侧路肩为35 mm左右;路基中心桩帽顶中心处沉降量为45～50 mm，两侧路肩位置为27 mm左右;③不同厚度桩帽的桩间土处与桩帽顶中心的沉降特征类似，表现为:S0.8m＜S0.6m≈S0.2m≈S0.3m≈S0.4m，说明桩帽直径对调节CFG桩复合地基的沉降作用非常明显，但不是桩帽的直径越大其调节作用越明显。

(2)CFG桩复合地基受力与褥垫层厚度的关系

图6是不同褥垫层厚度CFG桩桩帽、桩顶中心应力值变化曲线;图7是不同褥垫层厚度CFG桩桩间土(两桩中心)应力值曲线;图8是不同厚度褥垫层CFG桩应力与沉降对比曲线。

图6 不同褥垫层厚度CFG桩桩帽顶中心应力值变化曲线

图7 不同褥垫层厚度CFG桩复合地基桩间土应力值变化曲线

图8 不同褥垫层厚度CFG桩复合地基应力与沉降对比曲线

由图6～图8不同褥垫层厚度CFG桩复合地基桩间距与桩帽顶中心处应力变化曲线可知:①取褥垫层厚度分别为0、0.2、0.4、0.6 m 和0.8 m 时，CFG 桩复合地基桩间土与桩帽、顶中心应力值变化不相同;②桩间土应力小于桩帽顶中心处应力，最大差值约为90 kPa，即路基中心桩间土应力值在110 kPa左右，路基中心桩帽顶中心处应力值在200 kPa左右;③在桩帽顶中心处的不同褥垫层厚度的应力值关系为:P0.8m≈P0.6m≈P0.4m＞P0.2m≫P0m，且不同厚度褥垫层的复合地基在桩帽顶中心处的最大应力比值关系是:P0m∶P0.2m∶P0.4m∶P0.6m∶P0.8m=1∶3.56∶6.13∶4.46∶5.58;④在桩间土处的不同厚度褥垫层的复合地基应力值大小关系是:P0.4m≈P0.6m≈P0.8m≫P0.2m≫P0m，且在桩间土处的不同厚度褥垫层的复合地基最大应力比值关系是P0m∶P0.2m∶P0.4m∶P0.6m∶P0.8m=1∶1.78∶2.56∶2.94∶2.92。

4 褥垫层厚度对复合地基设计优化的影响

《高速铁路设计规范》(TB10621—2009)明确指出:在铺轨工程完成以后，基础设施产生的沉降量为无砟轨道路基的工后沉降，其中对路基工后沉降量的规定为:无砟轨道地段路基在无砟轨道铺设完成后的工后沉降必须满足扣件调整和线路竖曲线圆顺的要求，工后沉降不应超过扣件允许的沉降调高量(即15 mm)。上述工后沉降是指无砟轨道铺设完成后路基面上继续发生的沉降量，即图9中A点(辅轨完成)以后发生的沉降量 ΔS［14-15］。

图9 无砟轨道路基工后沉降简图

在试验现场已经通过单桩竖向荷载试验测试了桩间土的极限承载力，通过平板荷载试验测试了桩帽的极限承载力，测得复合地基中的桩间土的承载力特征值为112 kPa、天然土的承载力特征值为107 kPa;当桩帽直径为1.0 m时，褥垫层厚度为0.3 m时的极限承载力达270 kN，褥垫层厚度取0.4 m时的极限承载力为540 kN。

下面根据桩帽、桩间土的承载力发挥系数及路基的工后沉降对柔性荷载下CFG桩复合地基设计进行优化分析［15］。

在CFG桩复合地基中，桩的荷载发挥系数是指桩体实际承担荷载与单桩载荷试验测得的单桩承载力特征值的比值，而桩间土荷载发挥系数则指桩体实际分担荷载与载荷试验得到的承载力特征值的比值。

(1)褥垫层厚度对路基工后沉降的影响

不同厚度的褥垫层，路基工后沉降曲线见图10。

图10 不同褥垫层厚度路基工后沉降曲线

由图10可知，不同厚度的褥垫层CFG桩地基工后沉降的关系为:S0.4m≈S0.6m≈S0.8m＜S0.2m＜S0m，当褥垫层厚度大于0.2 m时，工后沉降量小于15 mm，满足规范要求。

(2)桩帽、桩间土承载力发挥与褥垫层厚度的关系

不同厚度的褥垫层路基中桩帽顶中心与桩间土的承载力的发挥系数见表5。

由表5可知，复合地基桩帽与桩间土的承载力发挥系数将随褥垫层厚度增加先逐渐增大后减小;当不设置褥垫层时，桩间土与桩帽的承载力发挥系数均很小，桩帽几乎没有发挥作用;当褥垫层的厚度为0.2 m时，桩间土承载力发挥系数达到了0.62，桩帽承载力发挥系数为0.34，说明两者的强度没有充分利用;当褥垫层的厚度＞0.4 m时，桩间土的承载力发挥系数＞0.88，桩帽的承载力发挥系数＞0.54，两者的强度均得到了充分的利用。

表5 不同褥垫层厚度路基桩、桩帽承载力及发挥系数

综上所述二者结果，认为当褥垫层厚度大于0.4 m时的CFG桩复合地基，桩间土的承载力的发挥系数在0.88～0.98，且可以满足设计要求的工后沉降(＜15 mm)，桩帽的承载力发挥系数大于0.54，表明二者都得到了很好的利用。

5 结论

(1)在不同褥垫层厚度的复合地基中，CFG桩桩间土与桩帽顶中心沉降量变化关系为:两者沉降量大小关系一致，均为S0.8m＜S0.6m≈S0.2m≈S0.3m≈S0.4m，表明桩帽直径对调节复合地基沉降的作用非常明显，但并不是桩帽的直径越大调节作用就越明显;

(2)在桩帽顶中心处不同厚度褥垫层的复合地基的应力值大小关系为:P0.8m≈P0.6m≈P0.4m＞P0.2m≫P0m，在桩间土处的应力值大小关系:P0.4m≈P0.6m≈P0.8m≫P0.2m≫P0m;

(3)当褥垫层厚度大于0.4 m时的CFG桩复合地基，桩间土的承载力的发挥系数在0.88～0.98，且可以满足设计要求的工后沉降(＜15 mm)，桩帽的承载力发挥系数大于0.54，二者得到了充分利用。

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