斜向水泥土桩加固铁路路堤的模型试验研究

赵春彦，胡 杰，黄启友，郎 锋，冷伍明，陈 乐

(1.中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075；2.高速铁路建造技术国家工程实验室，湖南 长沙 410075)

斜向水泥土桩作为一种既有铁路路堤加固技术，已在朔黄铁路、宝中铁路和奎北铁路等部分路段的病害整治或扩能改造中得到应用[1-4]。斜向水泥土桩是在路堤中作小角度的俯斜钻进成孔，随后进行高压喷射注浆形成一系列一定直径、一定间距的斜向柱状水泥土固结体，具有施工快速简单、加固效果显著以及不影响列车运行等优点，王定举[5]和王铸等[6]详细介绍了实际工程中斜向水泥土桩的施工方案和施工工艺。目前斜向水泥土桩加固施工技术超前于设计理论，其加固机理尚未明确，通过模型试验可以探究斜向水泥土桩的加固效果和加固机理，从而指导实际工程设计。

国内外一些学者开展了路堤加固相关的试验研究，Gobel等[7]针对列车速度160 km/h的铁路路堤，通过室内模型试验，研究了土工格栅对路堤的加固效果。Hufenus等[8]通过现场足尺模型试验，分析了土工合成材料加固公路软土路基的承载和变形特性。Li等[9]通过小比例模型试验，研究废弃轮胎加固路堤后的应力和变形特征以及影响加固效果的因素。Fagundes等[10]通过离心机试验，针对土工合成材料加固桩承式路堤,研究桩间距、路堤高度和土工织物刚度对应力分布和顶面沉降的影响。羊晔等[11]通过室内小比例模型试验，研究了土工格栅加筋结构控制高速公路过渡段不均匀沉降的有效性。王铸等[12]做了对斜向水泥土桩加固土质路堤模型试验的研究，但采用薄壁钢管模拟水泥土桩，不能很好地模拟实际工程中水泥土桩和土的接触，此外薄壁钢管具有良好的抗拉性能，而水泥土桩的抗拉性能较差，这将影响荷载在路堤中传递的模拟准确性。

本文通过模型试验方法，建立铁路路堤模型，采用与实际工程相同的试验材料，开展斜向水泥土桩加固土质铁路路堤的模型试验，监测斜向水泥土桩加固前后路堤的顶面沉降、边坡变形和内部竖向应力，在此基础上探究斜向水泥土桩的加固效果和加固机理。

1 模型试验设计方案

1.1 模型构建

模型试验根据朔黄铁路现场试验数据和现有室内试验条件确定相关参数，模拟斜向水泥土桩加固铁路路堤，监测路堤顶面沉降、边坡变形和内部竖向应力。根据文献[13]，综合考虑现有试验场地大小、人力状况和模拟效果，根据实际单线Ⅰ级重型铁路，建立了几何相似比为1∶8的铁路路堤模型。铁路路堤模型横截面设计为等腰梯形，路堤高1.25 m，顶面宽1 m，边坡坡比为1∶1，底面宽3.5 m，沿线路纵向长度为3 m。

与实际铁路路堤结构相比，路堤模型做了一定简化，路堤全部采用一种土填筑，通过室内试验测得其物理力学指标见表1，土的颗粒级配曲线见图1。试验时将土分层铺平，每层厚度13 cm，洒水并采用击实器击实至10 cm，分层填筑至设计高度。填筑完成后覆盖塑料薄膜，养护7 d，测得其压实度为0.93，符合TB 10001—2016《铁路路基设计规范》[14]相关规定。

图1 土的颗粒级配曲线

表1 路堤填土的主要物理力学指标

1.2 试验系统

模型试验系统由加载装置、应力测试装置和位移测试装置三部分组成。加载装置由型钢反力架，千斤顶及钢垫板组成。型钢反力架由宽翼缘、中翼缘、窄翼缘H型钢和高强度螺栓组装而成。试验时通过加载装置在路堤顶面施加等效均布荷载，根据文献[14]，本试验模拟Ⅰ级重型铁路速度160 km/h对应轨道和列车荷载，荷载分布宽度3.7 m，荷载合计66.87 kPa。钢垫板的大小(即荷载作用面积)为2 m×0.5 m(长×宽)。

应力测试装置由土压力盒、DH3818静态应变读数仪以及相应计算机软件组成，用来测量路堤内部的竖向应力。由于路基填土主要成分为黏土，大于5 mm颗粒较少，经试验，土压力盒埋设在黏土中测量精度较低，无法得到统一的标定系统，故需使其在砂土中工作，即在埋设时，需要在其周围铺设砂土。考虑土压力盒实际工作状态以及尺寸效应，采用机制砂进行标定，含水率与路基填土含水率相同(18%)，尽量使标定条件与试验条件相同。标定后，在路堤填筑过程中埋设土压力盒，土压力盒埋设在路堤中心横断面，其埋设位置见图2。土压力盒接线长5 m，每根线附上编号与DH3818静态应变读数仪相接。

图2 土压力盒布置图(单位：m)

位移测试装置由百分表(精度0.01 mm)、磁座、角钢支座和基准梁组成，用来测量路堤的顶面沉降以及边坡位移。位移测点布置见图3，各测点采用百分表读数，A1为路堤顶面沉降测点，A2、A3、A4、A5为边坡位移测点，B1、B2、B3、B4是A2—A5测点另一侧的边坡面自上而下的测点，C1、C2、C3是辅助测点。其中A2、A3、A4三个测点安设水平和竖向两个方向的百分表，分别监测水平和竖向位移，其他测点仅安设竖向百分表。

1.3 水泥土桩的制作

实际工程设计中桩径为0.5 m，根据几何相似比，模型试验中桩径近似取0.06 m，桩长设计为0.6 m。根据JGJ/T 233—2011《水泥土配合比设计规程》[15]，水泥土配合比参数取值为：土料含水率与路堤填土相同(18%)，水灰比为1，水泥掺入比为20%。

试验时每次按三根桩的量配制水泥土浆液，先将试验用土经烘干箱烘干，干土的质量为26 kg，用木锤破碎，并过4.75 mm土工筛，分批次将筛下土粒按照设计配合比，与水泥和水按设计比例混合，搅拌均匀，形成水泥土浆液。

试验过程中用定制的钢管根据设计的角度和深度打入路堤土中，挖土成孔。然后将配制好的水泥土浆液不断灌入桩孔中，并用混凝土振捣棒不断振捣，排除桩孔中及水泥土浆液中的空气。水泥土桩浇筑完成后，盖上塑料薄膜，养护7 d。养护结束后再进行加载试验。

1.4 试验方案和方法

为测试斜向水泥土桩加固前后路堤的顶面沉降、边坡变形与竖向应力分布情况，本试验共设计4组加载试验，即纯土无桩路堤、一排桩加固路堤、两排桩加固路堤和三排桩加固路堤，每组试验间隔7 d。

三排水泥土桩按“梅花形”在路堤两侧边坡对称布置见图3。第一组桩桩顶中心到路堤表面垂直距离为0.25 m，桩中心间距0.3 m，与水平面夹角为20°；第二组桩桩顶中心到路堤表面垂直距离为0.1 m，桩中心间距0.3 m，与水平面夹角为5°；第三组桩桩顶中心到路堤表面垂直距离为0.35 m，桩中心间距0.6 m，与水平面夹角为15°。

图3 位移测点及水泥土桩布置(单位：m)

加载方式采用分级维持荷载沉降相对稳定法，每级荷载施加后，间隔5、5、10、10、15、15 min测读一次沉降值，当连续两小时每小时沉降小于等于0.1 mm时，可认为沉降已达到相对稳定标准，荷载稳定后记录各位移测点的百分表读数和应变仪读数，然后施加下一级荷载。试验中施加了比设计荷载高的荷载，并在第四组试验(三排桩加固路堤)中加载至路堤破坏，测试路堤的极限承载力。

2 路堤变形特征

2.1 路堤顶面沉降变化规律

4组模型加载试验中由A1位移测点测得的路堤顶面沉降与荷载的关系曲线见图4。由图4可知，各组试验中路堤顶面沉降随着荷载增加而增加，荷载在20 kPa以下沉降较小，大于20 kPa时沉降明显增大。随着水泥土桩排数的增加，相同荷载下，路堤顶面沉降显著减小。

此外，在最大一级荷载为75.6 kPa时，纯土路堤最终顶面沉降为3.12 mm；加第一、二、三排斜向水泥土桩后，最终顶面沉降分别为1.69、0.78、0.54 mm；将加桩后与纯土路堤的路堤顶面最终沉降相比，加一排桩后最终沉降减少1.43 mm，加两排桩后最终沉降减少2.34 mm，沉降控制效果显著，而加三排桩时最终沉降减少2.58 mm，与加两排桩后的最终沉降量相比只增加了0.24 mm，此时沉降控制效果不明显。

由上述实验数据分析可得，斜向水泥土桩加固土质路堤可以有效控制路堤沉降，且随着斜向水泥土桩排数的增加，路堤总沉降减小量越大，但沉降控制效果也越来越不明显，建议经济合理加桩排数为两排。

图4 路堤顶面沉降曲线

路堤加设三排斜向水泥土桩后，路堤顶面施加的荷载不断增大直至路堤破坏，其顶面沉降与极限荷载关系曲线见图5。由图5可知，未加桩时，荷载加到83.0 kPa时，路堤顶面沉降与上一级荷载沉降量相比明显增加至4.82 mm；而加设三排水泥土桩之后，荷载加到186.9 kPa时，路堤沉降仅为4.03 mm。由此对比可知，斜向水泥土桩加固后路堤整体的承载力得到显著提高。

斜向水泥土桩由钻机成孔和高压喷射两个阶段形成，成桩过程对周围土体产生挤密压实作用；部分浆液进入土粒空隙之间，起到类似注浆的效果；成桩之后，更高强度的水泥土替换了原来的黏土，起到置换作用，因而加固后路堤整体的刚度和承载力大大提高，沉降相应也减小。同时路堤在上部压力作用下，斜桩承受的压力比周围土体大，压力向桩体集中，桩间土承受的压力减小，沉降也因此相应减小。

图5 极限荷载作用下路堤顶面沉降曲线

2.2 路堤边坡变形规律

在荷载为75.6 kPa时，A、B、C三组位移测点测得的路堤边坡竖向变形值见表2，三组测点得到的数据规律基本一致，选取具有代表性的B组数据绘制曲线见图6(a)。

表2 荷载为75.6 kPa时边坡各测点竖向位移 mm

图6 边坡位移曲线

未加桩的路堤在荷载作用下，边坡上部竖向位移(沉降)大，下部较小；斜向水泥土桩加固后，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。A2、A3、A4测点测得的边坡水平位移见图6(b)，由图6(b)可知，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。

斜向水泥土桩加固路堤后，整体刚度和承载力的提高使边坡竖向位移(沉降)明显减小；而斜桩与周围土体之间存在摩擦剪切作用，能够有效约束路基边坡侧向变形。

3 路堤内部竖向应力分布规律

为研究加桩前后路堤内部竖向应力分布规律，在路堤模型中心横剖面埋设19个土压力盒，其埋设位置见图2，T6—T12是从左至右依次位于同一水平高度的土压力盒，通过这组测点得到的数据分析路堤内部竖向应力分布规律，其他组测点也有相似规律，这里不做详述。

不同荷载和不同工况下路堤内部竖向应力分布曲线见图7，荷载较小时(23.6 kPa)，加桩前后路堤内部竖向应力变化不明显。但荷载达到45.9 kPa及以上时，未加桩的路堤在荷载作用下，内部竖向应力呈现中间大、两侧小的对称分布特征，这与隋孝民等[16]研究的结果一致；而加桩后，路堤内部竖向应力分布发生变化，且随着加桩排数增加，竖向应力分布逐渐均匀化。

斜向水泥土桩加固路堤后，斜桩与周围土体之间的界面存在摩擦阻力，有效约束路基边坡侧向变形，使土体的应变场和应力场发生改变，起到类似加筋作用[17]，从而竖向应力均匀扩散，可以有效控制路堤的不均匀沉降。这一结论也与文献[11]在加筋路基处治不均匀沉降中的研究结果一致。

图7 不同荷载时竖向应力分布曲线

4 结论

通过对模型试验得到的路堤顶面沉降、边坡变形以及竖向应力分布数据的整理分析，得到以下结论：

(1)斜向水泥土桩加固土质路堤能够有效减小路堤顶面沉降，控制边坡竖向和水平变形，是一种快速有效的既有铁路路堤加固方法。

(2)斜向水泥土桩的加固效果与桩排数有关，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两排。

(3)斜向水泥土桩加固路堤时，由于桩对土体的挤密压实、注浆和置换作用，能有效提高路堤整体的刚度和承载力，从而有效控制路堤整体的沉降。

(4)未加桩的路堤在荷载作用下，路堤内部竖向应力为中间大两侧小的对称分布，而斜向水泥土桩加固后，由于桩与土体界面的摩擦阻力，能有效约束边坡的水平变形，从而使得竖向应力趋向均匀分布，起到加筋作用，可以起到有效控制路堤不均匀沉降的效果。