斜向水泥土桩加固土质路堤的模型试验及机理研究

晏军，黄启友

斜向水泥土桩加固土质路堤的模型试验及机理研究

晏军，黄启友

(中铁第四勘察设计院集团公司，湖北 武汉 430063)

近年来，斜向水泥土桩技术在朔黄铁路路基加固中开始逐渐应用。根据路基沉降变形相似关系，确定路基模型比例，设计一套斜向水泥土桩加固路基的模型试验系统。通过分析斜向水泥土桩加固路堤模型试验监测结果，系统研究斜向水泥土桩排数对路堤沉降、路堤边坡变形的影响，解释斜向水泥土桩加固土质路堤的作用机理。研究结果表明：斜向水泥土桩的桩体明显有减小顶面沉降的作用，随着桩排数的增加，路基顶面的沉降量在显著减小，荷载引起沉降的影响深度也在显著减小；路堤经斜向水泥土桩加固后，不仅顶面沉降得到有效控制，边坡的竖向和水平变形也明显减小。

加固机理；斜向水泥土桩；路基模型；路堤沉降；边坡变形

目前常见的路基加固方法主要包括换填法、注浆法等，然而上述方法的运用存在影响行车、无法改善土质或加固效果不理想等缺陷[1]。重载铁路列车在大流量行车情况下容易产生较多的路基病害[2−4]，研究针对既有重载铁路路基的工程加固措施具有重要的现实意义。近几年来，斜向水泥土桩技术在我国铁路路基加固等领域开始逐渐应用，为解决重载铁路工期紧迫、质量要求高、施工条件约束大的问题，斜向水泥土桩处理技术具有优良的实用性。目前国内外已有部分学者进行了斜向桩基加固铁路路基的机理与应用研究。王定举[5]介绍了斜向旋喷桩加固改良土体的机理，并提出采用该方法进行土体加固施工工艺和质量控制措施。狄宏规等[6]结合重载铁路路基加固前后试验数据和斜向高压旋喷桩加固机理，探讨了斜向高压旋喷桩技术对既有铁路路基加固的综合效果。金成军[7]对旋喷式水泥土桩在铁路路基病害整治工程中的应用进行了详细介绍，对倾斜旋喷式水泥土桩的加固原理及特点进行了分析，并由此提出倾斜旋喷式水泥土桩的加固方案。冷长明[8]报导了斜打水泥土桩整治某路桥过渡段的工程案例。吕平[9]介绍了斜向水泥土桩法的加固原理，探究了斜向水泥土桩法加固既有铁路路基的施工技术流程。王铸等[10]通过室内模型试验，研究斜向水泥土桩加固技术的工作机理，得出了路基顶面沉降、路基边坡位移变形规律、路基土体内部竖向应力分布规律及水泥土桩体受力变形特征。贺文波[11]以沪通铁路软土地基加固工程为研究对象，采用有限元软件计算地基的竖向位移，并与现场实测数据进行对比，分析旋喷桩加固效果。李胜杰[12]建立了加筋水泥土桩路基加固结构的数值模型，就路基中设置加筋水泥土桩和未设置加筋时加固效果进行了对比。李海超[13]通过室内模型试验和数值模拟等方法得出了路基沉降和边坡变形随桩排距之间对应关系。宋绪国等[14]通过斜向水泥土桩加固机理，建立了斜向水泥土桩法的分析模型，结合地层沉降计算方法中的分层总和法，提出了确定斜向水泥土桩竖向排距、纵向间距的计算公式。王祥等[15]针对松软岩溶地基，提出了以注浆和地基管桩加固为基础的一种加固方式。刘晶磊等[16]通过数值模拟手段，明确了水泥土排桩对重载铁路路基变形的控制作用、加固效果以及水泥土排桩加筋对加固重载铁路路基的影响。综上所述，目前有关桩基础中路基承载和变形问题有关专家学者做了大量研究，然而像斜打水泥土桩这样用来加固的斜桩，主要问题已不是斜桩本身的承载和变形，而是如何使路基顶部荷载合理向下传递，协调路基中的应力分布，从而提高路基整体承载力和减小路基的不均匀沉降。本文系统研究并分析了斜向水泥土桩排数对路堤沉降、路堤边坡变形的影响，解释了斜向水泥土桩加固土质路堤的作用机理。

1 路基模型试验介绍

1.1 模型试验系统建立

加载系统通过压力机完成。位移测量系统主要包括基准梁、磁座、水平位移监测百分表和垂直监测百分表；应力测量系统包括土压力盒、应变箱及电脑。

在加载系统和测量系统连接完毕后，检查各部件是否能正常工作后，开始试验。试验过程如下：

1) 预加载，等待3 min后卸除荷载，然后继续等待3 min，之后将下沉量仪表调至零位或读取测表读数作为初始下沉量读数。

2) 施加荷载以油压示数为准，由于油压表特殊性，施加首级荷载为2.2 MPa，而后以1 MPa为增量，逐级加载。由于应变箱读数不稳定，每增加一级荷载，30 min后软件读一次数，然后每隔10 min读数一次，连续读3次，若4次读数不变，则读取应变值和百分表示数。若示数有所变化，则继续每隔10 min读数一次，直到相邻4次读数不变为止，读取此时应变值和百分表的示数。

然后添加下一级荷载，每级荷载的稳定时间不得少于30 min。经观察在加载10 min后，应变箱读数均不再改变。

3) 最后一级荷载加载并读数完毕后，清点并回收试验器材，整理试验数据。

1.2 数学模型

单因素方差分析只考虑桩排数对路基沉降的影响，取因素桩排数的4个水平0，1，2，3。由于本加固方法主要对应沉降比较大的铁路路基，所以以竖向位移监测为主，水平位移为辅，百分表位置布置与各位移检测点布置如图1～2所示，可获得服从正态分布的试验指标的数据。不同层次因素对检验指标影响的差异可以归因于检验假设0：12…=µ(为自然数)。

从路肩点沿着边坡面布置百分表1，2，3，4，5。1，2，3和4是对应的边坡面上自上而下的测点，1，2和3是辅助测点。

单位：m

单位：m

2 试验测试结果分析

斜向水泥土桩加固土质路堤模型试验主要分析斜向水泥土桩排数的改变对路基沉降的影响，并比较在不同工况下，不设置桩以及不同排数水泥土桩时路基的受力特性，揭示水泥土桩的工作机理，确定最佳减沉效果的排数。

2.1 测试工况

为研究不同情况下水泥土桩对路基变形的影响，现设计4种工况，通过选择合适填料，控制填方机具，分层压实严格控制层厚等措施来控制填筑质量。如表1所示。根据试验结果，分析水泥土桩加固路基前后和增加桩排数后路基顶部的沉降和坡面水平变形情况。

表1 测试工况

2.2 路基受力变形特征分析

2.2.1 单因素方差分析法的基本原理

方差分析的本质是借由分析数据的误差来源来检查多个总体的均值是否相同。根据自变量的数量，方差分析分为单因素方差分析和双因素方差分析[17]。

为使观测结果具有代表性，筛选数据后，本次试验结果分别取10.3，45.9和75.6 kPa荷载下各个测点的沉降观测值进行单因素方差分析。

试验指标对中心位置变化的总度量S为：

每观测数据与组内平均值的离差平方和，各误差引起的试验指标变化的总度量，即误差平方和S为：

测量样本组中心点位置与全体样本的中心点位置距离的总离散程度S表达式为：

整理10.3，45.9和75.6 kPa 3组荷载下方差分析数据如表2所示。

一般情况下，因素的不同水平归结为检验 假设：

0：12…=μ(μ表示组内数据的理论均值，4组水平分别对路基沉降无显著差异)；

1：1，2，…μ不全相等(4组水平分别对路基沉降无显著差异)。

分别在10.3，45.9和75.6 kPa下各个测点的单因素方差分析数据结构表，通过计算得到方差分析表如表2所示。在分布表中查的分位数值0.95(3,44)=2.22，而分别在10.3，45.9和75.6 kPa荷载下，计算整理得=2.94，14.66和9.783，值均大于0.95(3,44)=2.22，所以可认为桩排数的不同对地基沉降量的影响是显著的。

表2 方差分析

2.2.2 定量分析路基顶面沉降变化规律

路基顶面沉降与荷载应力、排数的关系曲线见图3，从图3可以看出，随着加桩深度的增加，即排数的增加，相同荷载下，沉降值越来越小。

图3 模型试验桩排数对路基沉降对比分析

由表2可以看出，纯土加最后一级75.6 kPa荷载后，最终路基顶面沉降为3.12 mm；加第1，2，3排斜打水泥土桩后，加最后一级75.6 kPa荷载后，最终沉降值分别为1.69，0.78和0.54 mm；由此可得，当设置一排斜向水泥土桩时，路基顶面最大沉降值降低至1.69 mm，比路基未加固时降低了45.8%；当设置2排水泥土桩时，路基顶面最大沉降量降低为0.78 mm，比未进行加固处理时降低了75%；当设置3排水泥土桩时，路基顶面最大沉降值降低为0.54 mm，比未进行地基加固处理时降低了82.7%。由此可知，加1, 2排斜打水泥土桩时，减沉效果比较明显，加第3排桩时减沉效果降低，即伴随着桩排数的增加，路基顶面的沉降量在显著降低，由荷载引起的沉降影响深度也在显著降低。进一步说明了斜向水泥土桩的桩体明显有减小沉降的作用。

从图3可以看出，在竖向、纵向间距一定的条件下，随着桩排数的增多，路堤顶面沉降最大值迅速减小，但在桩加到第3排时，路基顶面沉降曲线相近，由此对比可知，斜向水泥土桩加固后能显著提高路堤整体的承载力，而一定加桩排数之后，随着排数增加，加固效果不明显，建议经济合理的加桩排数为2排。

2.3 斜向水泥土桩排数对路堤边坡变形的影响分析

根据试验设计方案分别布置竖直和垂直于地面的百分表，用于测试路堤边坡竖向和水平位移变化。各排桩按次序从路肩点沿着边坡面设于2，3，4和5，分别距离路肩点25，65，105和130 cm，式中1，2，3和4是对应的边坡面上自上而下的测点，1，2和3是辅助测点。

2.3.1 竖向变形结果分析

边坡测点采用的方式为百分表读数，竖向、水平位移随桩数变化如图4所示。

取最后一级75.6 kPa的荷载下各边坡测点的位移进行分析，边坡各主要测点竖向位移如图5所示。

从图4和图5可以明显看出，未经加固的路基，边坡上部竖向位移(沉降)大，下部较小；边坡的竖向位移接近线性变形。设置3排斜向水泥土桩加固后，路堤边坡竖向变形得到了很好的控制效果，变形在0.1~0.43 mm之间，所有测点的竖向位移均减小，且边坡上部竖向位移减小幅度最大，说明斜向水泥土桩可以较好的控制路堤边坡的竖向位移，且在边坡下边4处，一定荷载下，桩排数的增加对边坡下部减沉效果不明显，即边坡变形有向下部发展的趋势。

图4 测点B1−B4的边坡竖向位移曲线

图5 测点C1−C3的边坡竖向位移曲线

2.3.2 水平变形结果分析

本次斜向水泥土桩模型试验在2，3和4处设置监测路堤边坡水平位移的百分表，其路基坡面水平变形曲线如图6所示。

图6为主测点边坡水平位移曲线，可以看出，斜向水泥土桩加固路堤后边坡水平位移也减小，边坡变形得到有效控制。

图6 边坡水平位移曲线

路堤经斜向水泥土桩加固后，不仅仅顶面沉降量可有效降低，边坡的竖向和水平向变形也显著降低。由此分析可得，斜向水泥土桩加固路堤后，同时将应力向下传递，使斜向水泥土桩起到加筋作用，提高路堤整体刚度，有效控制边坡的水平和竖向变形，尤其是边坡上部变形。

3 结论

1) 斜向水泥土桩的桩体明显有减小顶面沉降的作用。加1，2和3排斜打水泥土桩时，路基顶面最大沉降值分别比路基未加固时降低了45.8%，75%和82.7%，说明加1, 2排桩时减沉效果比较明显，加第3排桩时，减沉效果降低。即伴随着桩排数量的上升，路基顶面的沉降值在大幅降低，荷载引起沉降的影响深度也有了显著的降低趋势。

2) 路堤经斜向水泥土桩加固后，不仅顶面沉降得到有效控制，边坡的竖向和水平变形也明显减小，即将应力向下传递，提高路堤整体刚度，有效控制边坡的水平和竖向变形，尤其是边坡上部 变形。

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Model test and mechanism study of inclined soil-cement pile to reinforce soil embankment

YAN Jun, HUANG Qiyou

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co., Ltd., Wuhan 430063 China)

In recent years, inclined cement-soil pile technology has been gradually applied in the reinforcement of the railway subgrade in Shuohuang. Based on the similar relation of subgrade settlement and deformation, this paper determined the proportion of subgrade model, and designed a set of model test system for the subgrade strengthened by inclined cement-soil pile. Based on the analysis of the monitoring results of the model test, the influence of the row number of inclined cement-soil piles on the settlement of the embankment and the deformation of the slope of the embankment were systematically studied, and the action mechanism of the inclined cement-soil piles on the reinforcement of the embankment was explained. The main conclusions are as follows: The pile body of inclined cement-soil pile obviously reduces the settlement of top surface; with the increase of pile row number, the settlement amount of top surface of subgrade decreases significantly, and the influence depth of settlement caused by load also decreases significantly; After the embankment is strengthened by inclined cement-soil piles, not only the settlement of the top surface is effectively controlled, but also the vertical and horizontal deformation of the slope is significantly reduced.

reinforcing mechanism; inclined soil-cement pile; model of pure soil subgrade; settlement of embankment; the deformation of slope

D560.4510

A

1672 − 7029(2020)10 − 2526 − 06

10.19713/j.cnki.43−1423/u.T20191171

2019−12−26

国家自然科学基金资助项目(51408613)

晏军(1971−)，男，黑龙江龙江人，高级工程师，从事铁路地质勘察与路基设计工作；E−mail：354592934@qq.com

(编辑 涂鹏)