高铁CFG 桩桩-网复合地基动力响应研究

孙沙沙，薛祯祯，王天奇，徐汉文，马明辉

（山东省煤田地质局第四勘探队，山东潍坊 261200）

0 引言

在我国东部沿海地区，以高速铁路为主的交通网络已基本建成，该地区广泛分布着大量深厚软弱土层。软土通常具有强度低、渗透性小、压缩性高等不良工程特性。CFG 桩桩-网复合地基以其承载力高、沉降小、工期合理等特点广泛应用于我国高速铁路的建设当中[1]。高速列车运行速度较高、动荷载较大，由动荷载引起下部结构动力响应可能致使线路产生病害，从而影响高铁运营安全[2]。本文以甬台温铁路客运专线某断面为研究对象，基于Midas/GTS NX 建立轨道-路堤-地基的三维有限元分析模型，对CFG 桩桩-网复合地基动力响应进行研究。

1 工程概况

甬台温铁路轨道结构属于双线有砟轨道，轨道结构尺寸根据《新建时速200km 客货共线铁路设计暂行规定》[3]确定。高速铁路正线轨道一般采用100.0m 定长的无螺栓孔钢轨，钢轨密度60.0kg/m，轨距1435.0mm。路基基床由基床表层和基床底层构成，基床表层有砟轨道厚0.6m，基床底层厚度为1.9m，如图1所示。

图1 K484+870 断面

本文选取甬台温铁路客运专线竣工里程K484+870 的路基横断面作为研究对象，该铁路工段采用CFG 桩桩-网复合结构对软土地基进行加固，如图1 所示。该截面土层条件如下：①黏土，局部夹碎、砾石，褐黄色，硬塑；①1淤泥质黏土，灰色，软～流塑；①2黏土，兰灰色～褐黄色，硬塑；②凝灰岩，全风化。

2 数值模型的建立

2.1 模型及计算参数

本文采用MIDAS/GTS NX 有限元软件建立三维模型，对CFG 桩桩-网复合地基的动力响应进行分析，计算模型如图2 所示。模型计算区域包括钢轨、枕木、道砟层、路基及复合地基。在钢轨顶面施加移动荷载，通过轨枕作用于道床顶面，然后再通过道床传至基床和地基，使路基和地基产生动应力。

图2 计算模型

表1 模型中材料的计算参数

在高速列车荷载作用下，钢轨、混凝土轨枕、预应力管桩等构件的模量较大，变形较小，一般处于弹性工作状态[4]，故采用弹性本构进行模拟。对于地基和路堤材料，由于其模量相对较小，且需要考虑其塑性特性，采用弹塑性本构模型进行建模。弹塑性本构模型中，由于M-C 模型计算效率比较高，并且适用于计算土体和岩石等松散或胶结的粒状材料，地基和路堤材料采用M-C 模型进行模拟。本文计算模型各部分所选取的本构模型及其他计算参数如表1 所示。

2.2 人工边界

在有限元动力计算中，计算模型的尺寸有限，无法还原实际的无限地基。三维时域粘弹性人工边界精度较高，等效离散后的人工边界条件方程与有限元方法相结合[5]，可以方便地求解无限域介质的瞬态波动问题，因此本文采用粘弹性人工边界模拟动力波在模型边界的传播情况[6]。

3 计算结果及分析

3.1 桩身轴向受力分析

桩身轴向受力情况如图3 所示。本文对所建立模型的桩体进行编号，其中上行线路基对应1#～8#桩，下行线路基对应9#～16#桩，如图3（a）所示。由图3（a）可知，列车动荷载对桩体轴力的影响主要集中在上行线正下方的四根桩上，即5#、6#、7#和8#桩，其中，7#桩是受动力影响最大。

图3 桩体轴向受力

为了分析桩身轴力沿地基深度的变化情况，单独对7#桩轴向受力情况进行分析，如图3（b）所示。由图3（b）可知，7#桩所受的轴向压力沿桩体深度方向上呈现出先增大后减小的变化趋势，桩体所承受的最大轴力出现在桩顶以下6.8m 处左右。

3.2 土体竖向动应力分析

从基床表层，土体中竖向动应力峰值沿深度的变化曲线如图4 所示。由图4 可知，地基土体中竖向动应力沿深度增加呈现不断衰减的趋势，然而在不同深度处动应力峰值的衰减速率不同。在基床表层以下4.2m 范围内，由于路堤填料的刚度较大，动应力峰值的衰减速率较快，且基床表层以下4.2m 处恰好是CFG 桩桩顶处。在距基床表层4.2m 以下范围内，由于地基土体主要由软黏土组成，竖向动应力峰值衰减速率较小。在基床表层以下12.0～14.0m 范围内，由于桩端与持力层相互作用的影响，地基土体中出现竖向动应力峰值局部放大的现象。

图4 桩体剪力分布

4 结语

（1）在列车动荷载作用下，CFG 桩身轴力沿深度方向先增大后减小，且轴力峰值出现在桩顶以下6.8m 左右。

（2）在列车动荷载作用下，土体竖向动应力峰值沿深度方向不断衰减。在桩端与持力层相互作用的影响下，桩端处土体竖向动应力峰值存在局部放大现象。