倾斜基底软土桩网复合地基工作机理分析

路言杰

(中国铁路上海局集团有限公司 工务处，上海　200071)

我国东部沿海地区广泛分布着压缩模量和强度均较低的深厚软土层，其下方由于地质构造原因存在着不同倾斜角度的基底硬层。这类地基可称之为倾斜基底软土地基。在此类地基上修建高速铁路路堤容易发生过大沉降，为改善倾斜基底深厚软土地基的承载能力并控制地基沉降[1]，常采用桩网复合结构进行加固。

在上部荷载作用下，软土发生压缩变形的同时会产生对下坡一侧的较大横向位移，易引起桩身较大的变形，从而造成地基破坏[2]。设计时通常在满足竖向承载力条件下采用等桩长布置，导致不同位置处桩的桩端嵌固条件不同。因此，倾斜基底软土桩网复合地基的变形特性与水平成层软土桩网复合地基存在明显差异[3-4]。目前，针对倾斜基底软土地基的研究较少，国外设计规范也没有相应规定。

鉴于试验存在成本偏高、测试内容有限等缺陷，本文利用有限元差分软件对杭深(杭州-深圳)高速铁路一典型工点进行数值分析，重点探讨在上部荷载作用下，倾斜基底软土桩网复合地基的受力变形特性，为倾斜基底深厚软土复合地基的优化设计提供依据。

1　数值建模过程

1.1　工程概况

杭深高速铁路一典型工点路堤高7.8 m，路堤顶部宽度13.4 m，路堤边坡坡率为1∶1.5。在路堤底部铺设1层0.5 m厚的碎石垫层，其中间包含1层抗拉强度不小于80 kN/m的土工格栅。基底斜坡的倾角为27°，地基分层土质依次为：素填土，灰黄、褐黄色，厚度为0.8～1.3 m；淤泥，流塑状，灰色，厚度为5.6～8.5 m；淤泥质黏土，软塑状，灰色，厚度为1.3～3.0 m；粉质黏土，软塑状，灰黄色；凝灰岩，强风化至中风化，灰黄色。

1.2　数值模拟方案

采用有限差分软件FLAC 3D进行数值模拟。本模型的地基横断面宽度为78.85 m，深度为24.43 m，在线路纵向延伸15 m。建模时对土层作如下简化：素填土厚度较小且分布在地基表层，且对整个桩网复合地基承载力几乎没有影响，故将素填土和淤泥简化成淤泥质黏土层。淤泥质黏土和粉质黏土都属于粉质黏土类，且都是软塑状态，故简化成粉质黏土层。土体本构模型采用Mohr-Coulomb模型。各层土体材料参数见表1。

土工格栅采用弹性本构模拟，弹性模量为2 GPa，泊松比为0.3。土工格栅与碎石垫层的上下接触面均设置接触单元，接触面符合Mohr-Coulomb破坏准则。接触面摩擦角与碎石垫层材料一致，而黏聚力取0[5]。桩采用结构单元中Pile单元模拟，弹性模量为30 GPa，泊松比为0.2，重度为25 kN/m3，本构模型采用线弹性本构模型，桩土之间设置接触面，接触面的参数计算式[6]为

(1)

表1　材料本构模型和物理力学参数

式中：φ为与桩接触土体的内摩擦角；R为摩擦因数，本文取0.4[7]；c为桩接触土体的黏聚力；ci为接触单元的黏聚力；G为桩接触土体的剪切模量；Gi为接触单元的剪切模量。

由于计算结果的收敛性与土体计算模型的网格划分密切相关，因此，在划分桩附近土体单元网格时应适当加密。对于远离桩的土体区域可适当加宽网格尺寸，这样既能保证计算结果的收敛性，又能提高计算效率。划分网格后的计算模型如图1所示。换算土柱法实际上是静力计算，不存在动力计算中存在的地震波反射、投射等问题，所以对于边界的设置问题较为简单，在底部施加竖向约束的固定边界，在四周施加法向约束的固定边界。

图1　划分网格后的计算模型

路基在填筑过程中产生的沉降为施工沉降，可通过填补加高来调整，不作为控制部分。路基在铺轨之后的沉降为工后沉降，直接关系到高速铁路的运营和维护，是铁路路基沉降控制的重点[8]。本文仅对运营期内的倾斜基底桩网复合地基工作机理进行分析。

运营期内路堤顶部受到的荷载包含2部分：①线路上部结构的重量作用在路基面上的荷载，即为轨道荷载；②列车荷载。目前铁路路基设计规范考虑荷载的影响时，建议用换算土柱来代替轨道和列车荷载，即通常所说的换算土柱法[9]。将土柱高度引起的荷载换算成面力施加在路堤表面，面力值为54 kN/m2。

在实际工程中，天然土层被认为已固结沉降完毕，在此基础上进行CFG桩施工、加筋垫层铺设和路堤填筑。因此在后续分析时，需要将已经固结沉降完成的原状土应力状态作为后续施工的初始状态。在模拟施工过程之前，首先进行地应力平衡，保留应力场，清除位移。随后分别通过激活桩单元、加筋垫层和路堤进行桩基础、加筋垫层和路堤的施工模拟，并清除位移场，保留应力场，随后激活路堤表面荷载进行运营期内倾斜基底桩网复合地基的计算分析。

1.3　监测点布置

本次数值分析的研究对象为路堤的变形和位移、桩的应变和位移、桩间土的位移，故监测点的布置主要在路堤中部横断面，如图2所示。

图2　监测点布置

路堤顶部和底部的左、中、右侧分别布置1个监测点，垫层的左、中、右侧分别布置1个监测点，用以监测路堤顶部和底部、垫层底部的左侧、中部和右侧的竖向和横向位移。选取4根平台桩、3根斜坡桩和3根悬浮桩，分别沿桩身均匀布置5个监测点(对应的高度分别为1.00,0.75,0.50,0.25,0倍桩身相对高度)，用以监测桩身的弯矩分布规律。在上述选取的10根桩的右侧桩间土中沿深度均分别布置3个监测点(对应的高度分别为0.75,0.50,0.25倍桩身相对高度)，用以监测桩间土的横向位移。

2　计算结果分析

2.1　位移分析

定义与图1中坐标轴的正向一致的位移方向为正向。表2为路堤顶部、路堤底部、垫层底部的左侧、中部和右侧的水平位移和竖向位移。

由表2可知，在上部荷载作用下，由于下部软土的压缩变形路堤整体发生沉降，路堤顶部的沉降大于路堤底部，说明路堤存在着不可忽视的压缩。在路堤顶部，中部沉降最大，右侧沉降次之，左侧沉降最小。比较垫层底部和路堤顶部的竖向位移可以看出，路堤顶部左右侧的沉降差明显小于垫层底部，说明即使地基土表面发生不均匀沉降，通过加筋垫层和路堤填料的调节能够明显减小地基不均匀沉降对路堤顶部的影响。路堤底部右侧的竖向位移小于垫层底部的原因可能是垫层底部随地基土的沉降而发生沉降，由于桩和路堤均会发生横向位移，会使得路堤底部测点恰好位于桩上方，桩土刚度差使得桩土间出现较明显沉降差。该处受到桩的支撑从而沉降较垫层底部测点的竖向位移偏小。

表2　路堤的水平位移和竖向位移　mm

分析路堤不同位置处的横向位移可知，路堤右侧均发生明显向右的横向位移，路堤底部最为明显。路堤顶部整体发生向右的横向位移，因此在运营期内，应注意对路堤的横向偏移的监测，以便及时地进行路堤纠偏，保证路堤的稳定性。

图3为桩和地基土表面的沉降分布曲线，其中桩顶测点有25个，分别位于每根桩的桩顶，地基土表面的测点有26个，最左侧测点(第1个测点)布置在第1根桩的左侧，25根桩间各布置1个(共计24个)，最右侧测点(第26个测点)布置在第25根桩的右侧。可知，桩顶沉降和地基土表面沉降均关于路堤中心不对称，右侧的沉降大于左侧，桩顶沉降和地基土表面沉降的最大值均出现在路堤中心偏右侧2倍桩间距，且桩土沉降差最大值也出现在路堤中心偏右侧2倍桩间距，右侧沉降差大于左侧。

图3　桩顶和地基土表面的沉降分布

图4　桩-土相对横向位移

桩-土相对横向位移见图4。可知，桩土之间发生相对位移且桩身位移减去土位移为负，说明土相对于桩发生向右的位移。对于平台桩而言，桩身发生水平向左的横向位移，斜坡桩和悬浮桩发生水平向右的横向位移，因而对于平台桩而言，桩间并未发生绕桩流动，而对于斜坡桩和悬浮桩而言，桩间土发生明显的绕桩流动。原因是桩土的刚度和弹性模量相差过大，桩身对土体的切割作用明显，土体发生绕桩流动。

2.2　桩身的受力

选取4根平台桩、3根斜坡桩和3根悬浮桩进行桩身受力分析，各桩的桩身内力分布见图5。

图5　桩身内力分布

由图5可知，1#,2#和3#平台桩的桩身弯矩分布基本一致，但第4#平台桩与前3根平台桩的桩身弯矩分布明显不同，且与斜坡桩和悬浮桩的桩身弯矩分布基本一致，说明桩身弯矩分布与桩的位置和桩端嵌固条件密切相关。桩身弯矩最大值主要出现在0.5～0.7倍桩身高度范围。斜坡桩的桩身弯矩明显较平台桩和悬浮桩偏小，原因是斜坡桩靠近路堤中心，主要承担上部荷载的竖向作用，其受到的横向推力较小。平台桩的桩身弯矩峰值的大小顺序为：1#>2#>3#>4#，说明对于平台桩而言，随着离路堤中心的距离越近，桩身弯矩峰值越来越小且弯矩峰值的分布规律也发生明显变化。斜坡桩的桩身弯矩峰值的大小顺序为：5#<6#<7#，具体表现为距离路堤中心越近，桩身弯矩峰值越大。悬浮桩的桩身弯矩峰值的大小顺序为：9#>8#>10#，说明对于悬浮桩而言，随着距路堤中心的距离越大，桩身弯矩峰值先增大后减小。原因是距路堤中心较近时桩身主要承担竖向荷载，其受到的横向推力较小，其桩身弯矩较小；距路堤中心较远时桩身受上部荷载影响较小，其桩身弯矩也较小。桩身剪力反弯点出现在土层分界面附近，且4#平台桩由于靠近路堤中心，其弯矩沿桩身分布规律与斜坡桩类似。

本文计算得到的桩身弯矩和剪力分布与一些国外学者关于桩身受到土体横向运动影响的结论[10-11]基本一致。这种分布是由于桩端受持力层的约束较大，而桩身中上部的地基软土横向运动要大于桩身中下部。这表明倾斜基底桩网复合地基的桩在承担竖向荷载同时还受到地基土横向运动的明显影响，在设计中应给予考虑。

图6　土工格栅的位移分布

2.3　土工格栅应变分布规律

从左至右在土工格栅上布置24个监测点，且监测点均位于桩间中部的土工格栅，用以监测土工格栅的位移和应力。图6为土工格栅的横向和竖向位移分布规律，其中，向右的横向位移和向上的竖向位移为正。由图6可知，土工格栅的左侧发生向左的横向位移，右侧发生向右的横向位移，土工格栅受到明显的拉伸作用。土工格栅随着地基的压缩发生沉降，从左至右土工格栅的沉降呈现出一个关于路堤中心非对称的“沉降盆”。土工格栅最大竖向位移出现在路堤中心偏向右侧约2倍桩间距处。

图7为土工格栅的拉力分布。可知，土工格栅各处均发生明显的拉伸，其中土工格栅的拉力分布呈现出关于路堤中心非对称的“沉降盆”，最大拉力与最大竖向位移出现位置一致。土工格栅右侧的拉力明显大于左侧，这是由于右侧桩土沉降差大于左侧导致的。

图7　土工格栅的拉力分布

3　结论

采用数值分析方法对运营荷载作用下杭深高速铁路一工点的倾斜基底桩网复合地基受力变形特性进行分析，得出如下结论：

1)路堤顶部发生明显的不均匀沉降和横向位移；在路堤同一高度处，路堤中部沉降最大，路堤右侧沉降次之，路堤左侧沉降最小。路堤顶部左右侧的沉降差明显小于垫层底部，加筋垫层和路堤填料的调节能够明显减小地基发生不均匀沉降对路堤顶部的影响。

2)桩顶沉降和地基土表面沉降均关于路堤中心不对称，右侧的沉降大于左侧，桩顶沉降和地基土表面沉降的最大值均出现在路堤中心偏右侧约2倍桩间距处。

3)斜坡桩和悬浮桩的桩间土发生明显的绕桩流动，而平台桩的桩间土无此现象。

4)桩身弯矩分布与桩的位置和桩端嵌固条件密切相关。距离路堤中心越近平台桩的桩身弯矩峰值越小，悬浮桩的桩身弯矩峰值越小；随着距路堤中心的距离加大，悬浮桩的桩身弯矩峰值先增大，随后减小。

5)土工格栅的沉降和拉力呈现出一个关于路堤中心非对称的“沉降盆”，右侧大于左侧；土工格栅的最大竖向位移和最大拉力均出现在路堤中心偏向右侧约2倍桩间距处。

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