无碴轨道复合路基墩式碎石注浆桩沉降研究

夏　曦　李　博

(1.中交第二公路勘察设计研究院有限公司　武汉　430056;　2.中国铁建十一局集团有限公司　武汉　430000)

无碴轨道复合路基墩式碎石注浆桩沉降研究

夏曦1李博2

(1.中交第二公路勘察设计研究院有限公司武汉430056;2.中国铁建十一局集团有限公司武汉430000)

摘要墩式碎石注浆桩是在柔性路堤载荷条件下对碎石注浆桩技术进一步改进的一种复合路基，在桩顶、桩底形成扩大头，改善桩土受力性能，减少复合地基沉降。无碴轨道路基工后沉降要求严格，文中对无碴轨道高铁路基墩式碎石注浆桩加固作用机理进行分析，用有限元 ABAQUS 程序对由无碴轨道板、碎石注浆桩等组成的复合路基的桩体荷载传递规律、桩体与土体变形特性进行了研究，结果表明墩式注浆桩可用于无碴轨道路基，对减少复合路基沉降具有明显效果。

关键词墩式碎石注浆桩无碴轨道复合路基沉降

在高速铁路中，无碴轨道以其整体性强，稳定性好，坚固耐用，轨道变形小，且变形累积缓慢等优点得到广泛应用[1]。但无碴轨道线路状态的调整只能通过扣件系统进行，对路基沉降控制非常严格，要求路基工后沉降一般不超过扣件允许的沉降调高量15 mm[2]。作为一种新型复合桩基技术，碎石注浆桩不仅具有一般刚性桩的桩体置

换作用，而且能改善桩周土的力学性质，从而可有效地提高复合地基的承载力及减小沉降变形[3]。本文通过对碎石注浆桩进行改进，结合复合地基荷载传递规律及变形特点，对墩式碎石注浆桩构造及施工进行了介绍，并采用ABAQUS程序,通过有限元方法分析由无碴轨道板、墩式碎石注浆桩等组成的复合路基的桩土沉降特性。

1墩式碎石注浆桩施工方法及特点

碎石注浆桩近年来有很大的发展，在高速公路的地基处理中已得到广泛应用，很好地发挥了它的优点。墩式碎石注浆桩，是对碎石注浆桩在构造上进行了改进，更有效地提高了复合地基的承载力及减小沉降变形。其主要构造及施工方法为：

(1) 在桩体下端投放高稠度微膨胀注浆液[4]，浆液对桩端土层和桩端附近的桩周土层起到渗透、填充、置换、劈裂、压密及固结或多种形式的组合作用，改变其物理力学性能。浆液压密松散土体并形成微扩大头，增加了桩端承压面积，从而提高桩的承载力[5]。

(2) 通过在桩顶沿45°斜面开挖，形成一个倒锥形的扩大墩头，因墩头的作用及土拱效应，桩身能承担更多的上部土体的荷载，提高了桩体的荷载分担比，同时防止桩体向上刺入，减弱桩顶应力集中。

2计算模型

为了解墩式碎石注浆桩复合结构在路堤等柔性荷载作用下的应力分布和沉降规律，结合某一典型的地层情况， 建立路堤半断面模型，分析地基中荷载传递情况及沉降规律。

2.1　几何模型

某客运专线设计时速高达350 km，路基结构要求采用多层结构系统，从上至下依次为混凝土支承层、级配碎石层、换填A、B填料层、碎石垫层和地基层。路基顶面宽13.6 m，线间距5 m，路堤边坡为1∶1.5。无渣轨道板选用CRTS II，轨道板采用C55混凝土，标准板长6.45 m，宽2.55 m，厚0.2 m，为预应力混凝土结构。混凝土支承

层顶面宽度为2.95 m，底面宽度为3.25 m，厚度为0.3 m。具体几何模型见图1。墩式碎石注浆桩桩径取0.5 m，桩长15 m。桩顶墩头顶面1.1 m，厚0.5 m。桩底扩大头假定为半球形，其半径一般取比浆液扩散区大0.2 m。地基层为简化的15 m厚淤泥质粘土层，其下为粉质粘土层。

图1　路基半断面示意图(尺寸单位：m)

因路基为条带状结构，横向尺寸与沿线路的纵向相比较小，因此建模时可考虑对称性。为了减少计算单元，在横向上取地基和路基结构的右半部分进行分析。地基计算考虑范围，在深度方向上取40 m，大于加固体高度的2倍，横向方向取30 m，超过路基底面宽度的2倍；边界约束条件为：在地基土的下部边界因远离桩体，荷载影响甚微，视为无位移的固定边界，中心对称面和侧面各节点限制水平位移。地基底部及两侧为不透水边界，地表设为透水边界。地下水位在地下2 m处。

2.2　本构关系

在计算中针对不同材料采用了不同本构模型，以反映材料应力应变响应的差异性。其中，轨道板、混凝土支承层及碎石注浆桩采用线弹性模型；路基土、级配碎石层及碎石垫层采用Mohr-Coulomb本构模型参数如表1所示；软土地基的粘土、淤泥及浆液加固土Drucker-Prager理想弹塑性模型参数见表1。

表1　模型参数

2.3　模型加载

在路堤、轨道结构及列车荷载产生的附加应力的作用下，软土地基呈现弱渗透性，其变形过程一般较长，表现为工后沉降或不均匀沉降过大。本文采用ABAQUS中的固结分析步来模拟整个模型在施工期与10年运营期的固结状况[6]。为模拟实际填筑及预压施工过程，在计算中考虑分级施加路堤和轨道结构荷载，采用ABAQUS中的时间步令来控制路堤和轨道分级加载情况，将路堤结构总共分7层进行数值模拟，每层高度依次为0.5，0.62，0.62，0.62，0.62，0.62，0.4 m。每一层的填筑期为15 d,施工间歇期为15 d，路堤整个填筑期为210 d；路堤填筑完的预压期为180 d，预压结束后铺设混凝土支承层及轨道板，铺轨180 d后进入运营期。

对于轨道结构和列车荷载对地基沉降的影响，《规范》[2]中将列车荷载作为静荷载处理，把列车荷载和轨道重量等效成分布在路基面中心的一土柱。本文则将其等效为轨道板上的均布荷载，见图1，其中P1为钢轨、扣件等换算得到的均布荷载，P2为列车换算得到的均布荷载。在路堤荷载作用下的桩与桩间土之间有着相对的变形，桩土接触关系非常复杂，不可能很精确地模拟，而ABAQUS中constrains自带的tie命令可以较满意地实现桩与桩间土之间的接触状况[7]。

3计算结果及分析

3.1　墩式碎石注浆桩加固效果

为说明墩式碎石注浆桩的加固效果，分别建立无桩与有桩的模型。图2为未加桩时的最终沉降云图。图3是在桩间距2 m，注浆区0.2 m条件下路基的最终沉降云图，从图中的数据可以看出路基中心沉降较大，按照本文所取深度和横向方向来看，这2个方向末端沉降均已可忽略，证明所选取这2个数值合理，对计算结果无太大影响。

图2　路基(未加桩)总沉降云图

图3　路基(加桩后)总沉降云图

对比图2与图3，可以看出，打桩后的地基沉降量小，总沉降由161.5 mm减小到加固后的30.4 mm，路基底面中点的工后沉降则由34.7 mm减小到8.7 mm，满足无碴轨道的工后沉降要求。而且沉降变形比较集中，说明应用墩式注浆碎石桩处理软土地基取到了较好的效果，但同时沉降的影响深度也有所增加。在设计过程中需要注意这个问题，应选择合适的影响深度进行沉降及承载力的验算。在本文的地质条件下打桩后影响深度为2个桩长左右。

3.2　桩顶墩头及桩底扩大头作用

为了说明墩式注浆桩与普通碎石注浆桩的不同之处，在其他条件相同情况下分别建立模型。结果如图4所示，当加固区土的弹性模量为4.941 MPa时，墩式注浆桩路堤中桩桩顶的工前沉降、总沉降和工后沉降较普通碎石注浆桩分别减小了1.16 mm，1.46 mm，0.31 mm，说明桩顶墩头及桩底扩大头可以有效降低总沉降，但对减小工后沉降作用有限。若将加固区土的弹性模量减小到1 MPa，则分别减小了2.21,2.95,0.74 mm。这是因为复合地基主要作用是减少加固区的沉降，通过桩将路堤荷载传到下卧层。当加固区弹性模量较小时，可通过加墩头，提高桩土应力比，减小路基总沉降和工后沉降。

图4加固区弹性模量对沉降的影响图5加固区顶面的沉降曲线图6加固区底面的沉降曲线3.3浆液扩散区置换率

桩顶墩头及桩底扩大头的另一个主要作用是减小桩顶的上刺和桩底的下刺。图5为加固区顶面的沉降曲线。由图5可见，沉降曲线基本呈盆状，其中曲线波峰为桩顶的沉降，曲线波谷处为桩间土的沉降，表现为桩顶向上刺入。距离路基中心的距离越大，桩间土和桩的沉降越小，桩土差异沉降越小。在路基中部所受的荷载较大，桩顶刺入明显，而在加了墩头后，刺入量明显减少且总沉降量也有所减小。图6为加固区底面的沉降，其中曲线波谷为桩顶的沉降，曲线波峰为桩间土的沉降，表现为桩底向下刺入。由于桩底扩大头的存在，使桩底承压面积增大，应力发散，桩的下刺量大大减少。

浆液通过渗透胶结等综合作用形成浆液扩散区，可以有效改善桩周土的力学性质。浆液扩散区置换率为浆液扩散区面积与加固区面积之比。图7为路堤在桩间距2 m时，路基中桩桩顶及桩间土的沉降随置换率的变化图。可以看到随着注浆扩散区增大，沉降显著减小。且桩间土的沉降规律与桩顶沉降规律一致。注浆桩复合地基由桩、浆液扩散区和桩间土共同承担荷载[8]。桩土应力比、浆土应力比(浆液扩散区的应力与桩间土的应力比值)这2个参数随浆液扩散区置换率变化规律见图8，在桩间距2 m的条件下，桩土应力比随浆液扩散区置换率的增大有所减小，而浆土应力比只是略微下降。

图7　浆液扩散区置换率对沉降的影响

图8　浆液扩散区置换率对应力比的影响

3.4　桩间距的影响

本文分别计算了桩间距2，2.5，3，4 m 4种工况。路基中桩桩顶和桩周土总沉降随桩距的变化规律见图9，随着桩间距提高，桩和桩间土的沉降随之增大，但桩间土的沉降明显要大于桩。在桩间距3，4m这2种工况下，桩土沉降差异更明显。实际工程中应避免桩间距过大[9]。

图9　桩间距对沉降的影响

计算结果还表明桩土应力比、浆土应力比随桩间距的变化规律为：随着桩间距的增大，桩间土承担的应力逐渐增大，即桩土应力比减小。但浆土应力比只是略有减小。从路基中桩桩顶在各种桩间距下不同浆液扩散半径的工后沉降对比看出：桩间距2 m，浆液扩散半径0.2 m与桩间距2.5 m，浆液扩散半径0.4 m这2种工况下，工后沉降几乎相等，实际设计中从经济的角度，可选用后者。

4结论

(1) 墩式碎石注浆桩是根据桩土特别是桩上下端与土体作用特点进行改进的，符合无碴轨道软土路堤中桩土作用特性，加固效果理想。

(2) 墩式碎石注浆桩的桩顶墩头提高了桩体荷载分担比，避免桩顶发生刺入破坏。桩底扩大头可以提高桩的承载力，减小桩底的刺入量。尤其是在加固层的弹性模量较小时设置墩头及扩大头，加固效果更为理想。

(3) 在本文地质条件下，桩间距2 m，浆液扩散半径0.2 m与桩间距2.5 m，浆液扩散半径0.4 m这2种工况加固效果相近，说明当浆液扩散半径较大时，可适当增大桩间距。

(4) 在桩的设计过程中，当桩长一定的情况下，可以综合考虑桩间距与浆液扩散区置换率这2个设计因素，得出较优的方案。

参考文献

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[9]QIU HONGSHENG,CHEN JIANMEI, LI MEI. Numerical Analysis of Settlement of Composite Foundation Reinforced with Crushed Stone Grouting Pile and Rigid Bearing Plate[J].Journal of Southwest Jiaotong University(English Edition) Vol 18 No. 2 Apr.2010,99-106.

Study on the Settlement of the Frusta-like Crushed Stone Grouting

Pile with Ballastless Track Slab Composite Foundation

XiaXi1，LiBo2

(1.CCCC Second Highway Consultants Co.,Ltd., Wuhan 430056, China;

2.Chinese Railway Construction 11 Burequ Croup Co.,Ltd., Wuhan 430000,China)

Abstract：Frusta-like crushed stone grouting pile is a new composite soft-base processing technology developed on the basis of crushed stone grouting pile, with a transformation of pile heads into pier heads and a transformation of pile bottoms into enlarged ones, which can improve the mechanical properties of pile and soil and reduce composite foundation settlement. Ballastless track railway must meet the strict requirement of ground post-construction settlement. In this paper, the technology of frusta-like crushed stone grouting pile is applied into the foundation of high-speed railway of ballastless track, of which the mechanism was analyzed. Also, through ABAQUS package, the characteristics of settlement of the pile and the soil, as well as the transmission pattern of load of composite foundation borne with frusta-like crushed stone grouting pile with ballastless track slab were analyzed. All the above results lead to a conclusion, that frusta-like grouting pile can be used into the foundation of high-speed railway of ballastless track and has a significant effect on reducing composite foundation settlement.

Key words:frusta-like crushed stone grouting pile; roadbed of ballastless track; composite foundation; post-construction settlement

收稿日期：2015-04-19

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.03.036