微型桩加固路堤边坡数值分析

李章珍+赵国栋+董捷+苏建遥+赵聪

摘 要：该文结合朔黄铁路某工段微型桩现场试验实测，利用有限元差分软件对现场斜向微型桩试验进行数值模拟，详细介绍了有限元分析计算过程，分析了其在路堤边坡加固应用中的工作性能。通过有限元差分软件对微型桩加固路堤边坡进行数值模拟，探讨了微型桩在竖向附加载荷作用下的工作性能，分析了微型桩的各个参数变化对其加固效果的影响，为工程设计施工提供了理论依据。

关键词：路堤边坡 路基沉降 微型桩

中图分类号：TU473.1 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）02（c）-0097-03

随着我国铁路、公路投入运营时间的增长，路基体在车辆荷载作用下将发生不同程度的累积变形，当这种以下沉为主的路基累积变形达到一定程度时，就会降低线路的平顺性，进而影响列车行驶的舒适性，甚至影响行车安全[1]。因此，既有交通线路的安全运营受到国家铁路及公路运营部门的高度重视。初步统计，在铁路、公路既有线路基工程病害中，因路基沉降和路堤边坡变形带来的灾害占总病害的31%，因路基面坍塌或路基边坡滑坡引发的病害占总病害的9.2%。轴重的增加会使路基状态进一步恶化，诱发突然性的路基破坏，造成灾难性的后果[2]。

交通运输行业对道路平顺性及安全性要求不断提高，交通运营部门面临的病害问题日益严重，为修整路基，部分铁路线路、高速公路常常出现长期限行甚至禁止通行的局面，微型桩以其施工速度快、环保高效（污染小、噪声低、无扬尘）、对既有线路运营干扰较小等突出优势，在世界各地工程界治理既有现有线路基体灾害、控制路堤边坡发生过大沉降变形中得到更多的推广和应用。

微型桩加固结构是20世纪50年代意大利Fernando Lizzi博士为解决战后重建时困难条件下桩的施工而首次提出并应用。微型桩桩身材料多以水泥土、钢管、工字钢、加筋水泥土、钢筋混凝土为主，可以是垂直或倾斜，或成排或交叉网状配置，交叉网状配置的微型桩由于其桩群形如树根状，也被称为树根桩（Root Pile）[3]。该法于20世纪60年代在日本开始兴起，并最早使用单管工作法（简称CCP法）[4]。意大利最先在欧洲将高压旋喷注浆法应用于隧道开挖和掘进领域，并成功应用于台阶法开挖支护工程[5，6]。20世纪60年代中期，微型桩在德国得到普遍应用，我国在20世纪80年代中期开始对其进行研究以及投入使用[3]。1997年，铁三院率先将微型桩技术应用于重载铁路扩能改造工程设计中。2008年，朔黄铁路发展有限责任公司、铁科院、铁三院等多家单位对斜向微型桩加固既有重载铁路病害的机理进行了分析，依托朔黄铁路既有路基病害治理工程对斜向微型旋喷桩的施工工艺、设计计算方法进行探讨，并设计了斜向水泥土微型桩加固路基的室内试验，探讨了斜向水泥上桩的承载特性，采用拟静力手段初步研究了斜向微型旋喷桩的受力机理[7-11]。

如何更好地提高微型桩的承载性能是微型桩加固技术研究中比较突出的一个问题。该文结合朔黄铁路某工段微型桩现场试验实测，利用有限元差分软件对现场斜向微型桩试验进行数值模拟，详细介绍了有限元分析过程及计算结果，分析了其在路堤边坡加固应用中的工作性能。

1 模型建立

该文采用摩尔-库伦破坏准则的理想弹塑性模型对微型桩加固路堤边坡法进行数值模拟，主要研究在30T设计轴重荷载下既有线路基体采用斜向微型桩加固后路基的沉降变形和坡面的水平变形，评价微型桩加固路基的效果，为工程设计施工提供理论上的指导。

依据朔黄线既有路基施工图标准断面，路基体高度取8 m，基床表层取0.6 m，基床底层取1.9 m，列車荷载和道砟换算成土柱作用于路基面上。施工于路基边坡上的埋入式钢筋混凝土桩拟采用交叉布桩，桩身倾角为30°。桩径分别采用0.4 m、0.6 m、0.8 m，桩间距为2 m、3 m、4 m、5 m的钢筋混凝土圆桩。路基体表层、底层、路基本体的物理力学参数取值按照朔黄铁路现场试验取样数据进行分析确定。

通过有限元差分软件建立微型桩加固模型，并进行网格划分如图1所示。

2 数值模拟结果分析

该节主要从不同布桩方案来分析微型桩对路基边坡的加固作用。通过改变微型桩加固路堤边坡的关键参数进行建模分析，对比加桩前后及不同布桩方案下路基水平位移和竖向位移，对比不同布桩方案微型桩加固路堤边坡效果，最终给出微型桩加固路堤边坡方案可行性。

从对比分析结果可以看出，不加桩情况下30T附加荷载作用下路基面最大顺势沉降为15.21 mm，沉降位置在既有线路基体中心，随着深度增加位移越来越小，路基体两侧坡脚处由于路基体沉降向上拱起约2.35 mm；在附加荷载作用下路基体路肩最大水平位移为2 mm，两边坡脚向外产生4 mm水平位移。通过布置倾角30°、长度10 m的微型桩，在列车附加荷载作用下路基面最大顺势沉降变为5 mm，沉降位置在既有线路基体中心，路基体两侧坡脚向上拱起约0.3 mm。路基加固前后路基顶面的最大沉降均在重车线的中心线处。同时路基体上部最大水平位移为0.07 mm，且偏向路基中心。两边坡脚向外产生1.2 m水平位移。可以看出斜向微型桩可以较好地约束路基体变形，对抑制路基边坡体的侧向变形有一定的效果；能够较好地约束边坡水平位移，在桩体上部的效果更加明显。

通过改变微型桩间距、桩径等参数，采用不同布桩方案进行加固时，路基体变形如图2至图5所示。

通过图2、图3，可以看出微型桩桩距对限制路基体变形有明显影响，随着微型桩间距的减小，路基顶面沉降和坡脚拱起逐渐减小，当到2 m后影响不显著。桩距不变时桩径越大加固效果越好。

通过图4、图5可以看出，桩间距越小或者桩径越大能更好地限制路基边坡水平方向变形。布桩方式采用桩距2 m、桩径0.4 m时对路堤边坡加固效果较好，且较经济。通过改变微型桩长度、桩身倾角（图6、图7），研究结果如下。

研究表明，桩体倾角对微型桩加固效果没有显著影响，当桩长从10 m到12 m时，路基体变形明显减小，随着桩长的继续增加路基体变形没有明显变化。

3 结论与展望

通过对比数值模拟结果，可以得出以下结论。

（1）路基体加固前后路基顶面的最大沉降均在重车线的中心线处，且边坡坡脚在路基体压力作用下产生向上拱起。

（2）斜向微型桩加固路基对于控制路基顶面沉降和坡面水平位移效果明显，微型桩在路基体中与土体形成一种复合路基，相当于在路基体两侧加入了一硬壳层，较好地约束了路基体变形，降低了路基顶面的沉降，有效地约束了路基的整体变形。

（3）采用相对密集且截面较小的桩进行加固时比其他布桩方案加固的效果好，桩身倾角改变对限制路基体变形的影响不明显。因此，采用桩距2 m、桩径0.4 m、桩长12 m时加固效果较好且比较经济。

目前微型桩加固路堤边坡处于工程实践先于理论研究的状态，往往先有工程实践而后再进行理论分析，在工程设计施工中主要凭借经验，工程的安全性、可靠性和经济性得不到保障，关于微型桩设计深度、布置倾角等设计参数的合理取值还没有一个可靠成熟的设计方法。

无论铁路或公路，交通荷载均为典型激励荷载。现有微型桩加固往往基于静力研究，通过把列车荷载转化为土柱作用在路基体，交通荷载作用下路堤边坡内微型桩的动力特性分析研究成果较少。当前针对交通荷载作用下微型桩加固路堤边坡的整体动力特性研究尚处于起步阶段，急需开展相关的研究工作。

参考文献

[1] 汤连生，张庆华，廖化荣.公路软基工后沉降研究进展[J].岩石力学与工程学报，2006，25（Z2）：3449-3455.

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[3] 张雁，刘金波.桩基手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2009.

[4] Musser.K，Koinig.J，Reischl.ST.JETGROUTING in COMBINATIONWitnNatm[C]//Proceedings-Rapid Excavation and Tunneling Conference，1987：292-3082.

[5] Haider Tarek F，Byle MJ.Verification of jet grouting for structure rehabilitation[C]//Specialty Conference on Performance Confirmation of Constructed Geotechnical Facilities，2000：441-455.

[6] Sebastino Pelizzaa Daniel Peila.Soil and Rock Reinforcements in Tunneling[J].Tunneling and Underground Space Technology，1993，8（3）：225-233.

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[9] 王铸，宋绪国.斜向水泥土桩加固路基室内模型实验研究[J]. 铁道标准设计，2013，619（9）：32-36.

[10] 宋绪国，董捷，张志民，等.加筋水泥土桩承载特性试验研究[J].铁道工程学报，2013，183（12）：23-28.

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