朔黄铁路路基下沉段斜向高压旋喷桩加固效果数值分析

欧阳志

摘要：朔黄铁路路桥（涵）过渡段沉降变形问题显著，多采用斜向高压旋喷桩进行路基加固。为分析加固的效果，结合朔黄铁路K65+490～K65+770段加固工程，运用PLAXIS非线性有限元计算软件，建立计算模型，选取5种不同铁路荷载组合情形，对比分析加固前后在不同荷载组合条件下的路基顶面沉降变化。研究表明采用斜向高压旋喷桩进行铁路路基加固有较好的实际效果，该种加固方法对其他类似工程有借鉴意义。

关键词：朔黄铁路；高压旋喷桩；加固效果

1 工程概况

朔黄铁路肃宁至黄骅港段位于华北平原东北部，长165.645 km，属Ⅰ级重载单线铁路，均为填方路基，填土高度2～6 m。伴随着运营时间的增加，朔黄铁路路桥（涵） 过渡段存在广泛而严重病害，在K65+490～K65+770段路基发生严重下沉，累计沉降在0.3～0.5m左右，不仅影响行车速度和安全，而且给线路维修增加难度。根据设计要求，该工点路堤采用斜打高压旋喷桩对其进行加固处理，以提高地基承载力，阻止路基继续下沉。

2 计算条件

为了分析高压旋喷桩加固重载铁路路基的效果，运用PLAXIS非线性有限元计算软件对加固路基进行静力分析，主要从加固前后路基顶面沉降变形沉降变化进行了对比，说明高压旋喷桩的加固效果。

2.1 有限元网格及边界条件

路基断面近似认为无限延伸，故可将路基模型处理为二维平面应变问题，选取的1个典型断面，顶面宽为27.2m，高度分别11.0m，路基本体加固深度为8m，边坡坡率为1：1.5，路基填土为砂粘土。基底土第一层为砂粘土（7m）、风化岩（20m）。路基顶面荷载按照规范计算，分布5条线路。

有限元网格划分及节点分布如图1，划分为平面15结点三角形单元。坐标：轴向右为正，向右取100m；轴与高程一致，计算范围取值，底部地基深度取50m，坐标原点（0，0）设在几何模型左下角角点；应力表示为拉正压负。约束条件：底部和侧向均设为法向约束。

2.2 计算工况

考虑到路基实际的运营情况和最不利条件，将加载过程分步模拟，5条线路荷载加载先从左侧开始，编号依次1#～5#，应力初始化，仅考虑形成地基和路基。以后每步增加线路荷载，加载分步设置见表1。

2.3 计算荷载

对路基结构进行弹塑性有限元分析，模型采用列车荷载换算土柱高度的静载加载方式，路基面作用荷载计算如下。路基面承受列车竖向活载和上部结构自重静载两种荷载。将作用在路基面上的列车动荷载进行换算，上部结构自重静载根据采用的轨道类型和道床的标准形式尺寸进行计算。列车竖向活载采用轴重30t的货运重载列车荷载。总荷载为231.8kN/m，按照分布宽度3.1m计算，荷载强度为74.8kPa。

3 路基加固前线路荷载作用下的路基顶面的沉降特征

计算模型如图2所示，仅对线路荷载作用下路基顶面沉降变形计算特征以及基底沉降特征进行分析。

通过计算各级荷载下的路基顶面沉降变形，5种工况变形计算结果所得，1#线荷载作用下沉降变形最大值为166.75mm，1#+3#线荷载作用下沉降变形最大值184.55mm，1#+3#+5#线荷载作用下沉降变形最大值却减小至173.13mm，这是由于荷载分布平衡，同时也是填土压实度过低，土质松软，荷载间距大，应力叠加受到影响所致。1#～5#线满布作用下沉降变形最大值为264.93mm。

4 路基加固后线路荷载作用下的路基顶面的沉降特征

路基加固后，高压旋喷桩对路基填土的挤密效果不明显，计算建模中故不考虑路基填土参数的提高，只在路基填土中加入高压旋喷桩桩体材料，其它参数不变，计算模型如图3所示。

通过计算路基顶面沉降变化曲线。1#线荷载作用下路基顶面沉降变形最大值为145.50mm，1#+3#线荷载作用下沉降变形最大值150.85mm，1#+3#+5#线荷载作用下沉降变形最大值为152.65mm，1#～5#线满布作用下沉降变形最大值为173.00mm。

5 路基加固前后线路荷载作用下的路基顶面沉降变形对比分析

将加固前后路基顶面沉降进行比较，见表2。加固后路基顶面沉降有所减小，随着荷载的逐渐增大，沉降减小量从单线荷载的21.25mm至5线满布荷载时的91.93mm。沉降减小比从12.7%增至34.7%。

通过对朔黄线重载铁路路基试验段的非线性有限元静力学分析，可以得到，加固范围内土体刚度的增加明显减小了路基本体沉降，高压旋喷桩作为既有线路基的加固方法，其加固效果明显。

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