太中线K 1588+000-300段填方路堤沉降分析及整治设计

蔡　磊

（兰州铁路局工务处，甘肃兰州730000）

太中线K 1588+000-300段填方路堤沉降分析及整治设计

蔡磊

（兰州铁路局工务处，甘肃兰州730000）

摘要：以运营铁路太中线K1588+000-300段沟槽内填方路基下沉外挤病害为研究对象，通过对该段路基处所的地形地貌、路基填料、地下水、变形特征进行综合分析，找出其病害成因，并结合目前既有运营铁路路基下沉外挤的加固方法，提出利用高压旋喷桩加固的方案，考虑既有线高压旋喷桩较少使用及经验理论缺乏的实际情况，采用有限元软件plaxis建立理论模型分析，给出影响高压旋喷桩加固效果的关键参数，计算分析旋喷桩不同施做角度对加固效果的影响，得出经济合理的加固方案，为同类铁路路基下沉外挤病害加固整治提供参考。

关键词：高压旋喷桩；下沉外挤；有限元；加固设计

DOI10.3969/j.issn.1672-6375.2016.03.017

太中线灵武市东宁镇境内K1588+000-300段为一沟槽内填方路段，填方高度6～17 m，其中K1588+000-200段为两级边坡，上、下级边坡坡率为1∶1.5和1∶1.75，边坡均采用拱形骨架护坡。自开通以该段路基下沉外挤明显，总沉降量最大达50 cm，致使路肩被道砟覆盖，路堤坡面拱形骨架出现拱起、开裂变形，且观测到的路肩面沉降值不收敛，尤其在枯水期沉降量较大。沉降导致线路几何尺寸变化大，目前长期限速80 km/h，对行车安全及行车秩序干扰极大，因此分析其沉降原因及制定合理的整治方案尤为重要。

1　沉降病害原因及特征分析

K1588+000-300段300 m路基沉降量不尽相同，其中路基K1588+000-050、K1588+200-300段沉降量较小，K1588+050-200段路基沉降较大，最大沉降量达50 cm。结合地质勘察，综合分析路基沉降原因主要有以下几个方面：

1.1地形地貌

该段填方路基右侧280 m处为鸭子荡水库坝址，坝址至路基之间为一低洼地形，填方路基位于该区域最低区域，降雨、水库渗流等直接在此低洼区域汇集，这为地下水入渗创造了地形条件。

1.2路基填料

本路基填料组成主要是顶部和底部的圆砾土组成，分布连续，其中顶部圆砾土厚度6～7 m；底部圆砾夹碎石组成，厚度约2～4 m，碎石含量约20%，中密，透水性好；两层圆砾土中间分布有一层粉质粘土，约含10%圆砾，厚度密实，相对隔水。路基填方底部分布一层厚度1～2 m冲积的粉土，成分均一，含水量在K1588+050-200段含水相对较高，该段路基中填料、原地面各层间的渗透性差异较大，这为路基沉降创造了介质条件。

1.3地下水

受上游水库渗流影响，该段路基地下水位上升，水充满土的孔隙，土中颗粒即失去由毛细管吸力或弱结合水所形成的表观凝聚力，导致土质软化，土的压缩性增大，由粘聚力及产生的承载力下降。地下水位上升的静水力所产生浮力虽然不直接破坏土体，但可使土的有效重度减轻，降低土体抵抗破坏的能力及由土自重产生的承载力，使地基土的强度降低，压缩性增大；地下水位下降，增加了土的自重应力，使地基土的有效应力增加，同时，易使基础周围天然土体形成大孔隙的松散结构。在由基础荷载产生的剪应力作用下，土体随时间增长，发生缓慢而长期的剪切变形，导致抗剪强度的衰减，承载能力下降，基础的沉降增大。由于受季节性水位的交替变化，导致路基出现在枯水期出现较明显的沉降变形，这与路基变形的时间相吻合。

1.4变形特征

K1588+050-200段左右两侧在高程1 493～1 494 m一线拱形骨架出现鼓胀，分布连续；K1588+050处涵洞顶部一级平台出现鼓胀裂缝，裂缝宽度约2～3 cm，可见长度3 m；K1588+200处平行涵洞产生一条横切路基的裂缝，裂缝宽度1～3 cm，延伸长度约50 m，浆砌片石砌筑路肩后出现新的变形说明此裂缝在一直处于活动状态，路基处于持续性沉降变形，且路基沉降在不同季节、不同路段其沉降量和沉降频率不尽相同，春融季节、雨季起道频繁，这说明随着路基含水量的差异变化，路基出现不同的沉降；另外K1588+000-300段的最大沉降区域位于填方路基较高区域（原始地形较低），该区域地形低洼，地下水容易汇集，从而影响路基的稳定性。

根据以上分析，K1588+000-050、K1588+200-300变形较小，这主要是两侧地形相对较高，路基右侧的洼地积水对路基底部的粉土影响较小，主要变形是路基填料中的粉质粘土造成，变形层较薄；K1588+000-300段由于路基填料中相对隔水的粉质粘土和路基底部粉土的透水性较强，变形层较厚，造成变形较大。从太中线开通以来路基一直处于沉降变形状态分析，整个路基若不进行增加承载力的措施，路基在车辆荷载的作用下一直处于沉降变形，累计变形越来越大，若提高车速，沉降变形将进一步加大。

2　整治方案

在既有线上治理路基或高路堤沉降病害，由于不能中断正常行车，常用的方法有注浆加固及悬喷桩加固等方案，结合该段路基粉土层含水饱和的现状，结合注浆技术加固路基的作用机理主要为水泥浆液以一定的压力注入土体后填充土体中的空隙，使原土体的渗透系数降低，提高土体的整体性，从而达到加固土体的特性，该技术在加固水饱和土体时，由于土体间空隙充满饱和水，注浆液不易完全占据土体中空隙，加固效果难以保证，因此加固方案最终确定为悬喷桩加固方案。

3　加固设计

3.1设计模型

加固设计路堤土体的置换率按照20%考虑，借鉴《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）规定，设计地基压力扩散角取30°。旋喷桩设计采用在路堤两侧四排高压旋喷桩，桩径采用800 mm，沿线路单侧桩桩间距1.5 m，双侧交错布置。引孔位置距铁轨高度左侧5.65 m、右侧5.14 m，第一排至第四排（由内测至外侧）旋喷桩桩长分别为20m、20m、14m、11m，桩径800mm。路基加固数值模拟采用二维有限元软件plaxis进行分析，结构单元选取15-节点单元；工况三个分析步，依次为路基固结分析、旋喷桩施工、加载。模型如下：

图1　单元关联图

3.2结果比较

高压旋喷桩加固的效果，取决于桩与地基形成的复合结构的强度，其强度主要与旋喷桩角度及桩对土体的置换率有关，根据该处的实际情况，旋喷桩采用双侧四排方案，对旋喷桩角度的适宜性选用了三组模型，角度（最上一排于水平面夹角，桩与桩间夹角按10°控制）为15°、25°、35°三种形式进行讨论，得出道砟顶面左侧（A点）、中部（B点）、右侧（C点）三个点的变形参数见表1。

表1　坐标及位移值

由计算结果可以得出路基的中点沉降最大，左侧点其次，右侧点最小。其中旋喷桩角度25°时（四根旋喷桩与水平向夹角分别为25°、35°、45°、55°），整个路基沉降量最小，旋喷桩加固效果最为明显，其变形均在铁路路基沉降允许范围20 cm之内，能起到很好的加固效果，保证路基的最终稳定。

4　结束语

地下水影响的运营路基下沉病害，对铁路运营安全及秩序影响较大，如何利用高压旋喷桩这一施工技术加固路基需要不断的探索，其理论分析极其重要，结合目前有限元理论的发展，采用有线元的原理进行分析为旋喷桩加固提供了基础，避免了现场施做靠经验的盲目性，对优化高压旋喷桩加固的效果具有决定意义，对同类铁路、公路路基下沉加固分析及方案制定具有一定的借鉴价值。

参考文献：

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中图分类号：U213.1

文献标识码：A

收稿日期：2016-1-12

作者简介：蔡磊（1979-），男，汉族，河南通许人，硕士研究生，工程师，主要从事桥隧、路基工程养护管理工作。