水泥土搅拌桩复合软基工后沉降预测研究

李岳峰，孙子豪

(1.中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063；2.武汉轻工大学 土建学院，湖北 武汉 430023)

1 引言

随着铁路建设标准的不断提高，对路基工后沉降变形控制也日趋严格[1-2]。高速铁路不可避免的要通过大量的软土地层，这就对路基工后沉降提出更高要求[3-4]。水泥土搅拌桩是通过加入水泥强制搅拌而形成的复合地基。桩与桩间土形成的复合地基可以有效减少沉降[5]。

工程中关于软土沉降计算大致可分为实测数据预测法、沉降计算理论公式法和固结理论与增强体的本构模型等三大类[6]。王威[7]等通过推导Kelvin模型和Maxwell模型的沉降变形方程，建立Burgers模型。结果表明:Burgers模型预测结果可靠性较高。雷华阳[8]等分析对比了有限元计算模拟与现场沉降监测的结果，验证了有限元模型可以有效模拟路基沉降规律，从而可对路基的长期稳定性进行预测。吕绿洲[9]通过推导软土路基的黏弹性模型，并用实验数据拟合了模型参数，从而对路基最终沉降进行预测。

本文结合新建铁路福州至厦门客运专线，依托水泥土搅拌桩复合地基，利用有限元软件ABAQUS建立模型，通过现场实测数据与软件计算结果进行对比分析，研究路基的沉降规律，并有效地预测软土路基工后50年的剩余沉降。

2试验

2.1工程概况

新建铁路福州至厦门客运专线(以下简称“福厦客专”)位于福建省沿海地区，北起福州市，途经莆田市、泉州市，南至厦门市和漳州市。线路北端衔接合福铁路、温福铁路，南端衔接厦深铁路、龙厦铁路，与东南沿海铁路福厦段共通道，既可构建京福厦高速铁路客运通道，也是东南沿海铁路客运通道的重要组成部分。

FXZQ-4标(DK86+801.42～DK108+319.83)本标段主要以软土为主，工程性质差。最大厚度为12米，其中8～10m的厚度占比较高，达70.67%。采用水泥土搅拌桩进行地基处理。地层的主要物理力学参数如表1所示。

表1 地层物理力学参数

本工程采用水泥土搅拌桩复合地基的地基处理方法。水泥土搅拌桩采用弹性模型，弹性模量为120MPa，泊松比为0.3，桩径0.5m，桩间距1.5m，平面布置呈正方形。

2.2监测结果与分析

沿着铁路路基共设有沉降监测断面50个。选取典型现场监测沉降点3个进行分析，对应的软土层厚度分别为8m、9m、10m。监测时间从2020年11月1日到2022年11月1日，共24个月。地表沉降速率随时间的变化关系如图1所示。

图1 地表沉降速率随时间变化关系

从图1可以看出，沉降速率在监测前期变化较大，在监测后期所有软土层厚度的沉降速率趋于平缓，这与图1的最终沉降趋于收敛相一致。所有软土层最终的沉降速率都小于-0.77656mm/d，这表明采用水泥土搅拌桩进行地基处理是可行的。

2.3 软土沉降量的预测

2.3.1预测模型

对路堤的沉降进行模拟，创建桩筏复合地基模型，并进行有限元分析。路基结构如图2所示，计算范围竖向24.2m，其中路堤高度为4.2m，软土层厚度为12m，下部密实的粉质黏土为8m。横向取40m，路堤底宽为30m。计算时取底部为无位移的固定边界，两侧采用横向约束。土体单元采用Mohr-coulomb模型，水泥土搅拌桩采用线弹性单元。初步计算平衡后，采用改进的Burgers模型理论，计算工后沉降。计算模型的网格划分如图3所示。

图2 路基结构图

图3 计算模型网格划分

2.3.2计算荷载

路堤高度为4.2m，10天填筑完成。填土分为三层，第一层为砂土，第二层为碎石土，第三层为碎石。三层土的重度大约为80Kpa。所有单元的物理力学性质如表1所示。

2.3.3 与实测结果对比

基于工程实测数据对数值模拟的预测值进行验证。选取有代表性的3个观测点，对应的软土层厚度分别6m、7m、8m。选取的观测数据于2020年11月10日路堤填筑结束的时间开始观测，并将观测数据与计算所得的曲线相比较。数值模拟结果与实测数据对比如图4。从图5可以看出，数值模拟与实测数据吻合度较好，因此，可以说明利用数值模拟的结果来预测路基的剩余工后沉降是可行的。

图4 数值模拟结果与实测数据对比图

2.4长期沉降预测

利用数值模拟分别对8m、9m和10m厚度的软土层的地表沉降进行长期预测，预测的时间为50年，其结果如图5所示。三个监测点2022年1月1日的沉降量分别为-107.42、-159.705mm和-198.523mm。50年后最终沉降量为-125.451mm、-181.958mm和-232.766mm。因此，软土层厚度为8m、9m和10m的工后剩余沉降量为18.031mm、22.253mm和34.243mm。从工后剩余沉降的数值可以看出，工后沉降量不大，可以证明软土地基的处理是合理的。

图5 不同软土厚度长期沉降预测

3结论

(1)结合新建铁路福州至厦门客运专线软土路基处理的现场实测监测数据，分析地表沉降速率，结果表明：所有软土层最终的沉降速率都小于-0.77656mm/d，这表明采用水泥土搅拌桩进行地基处理是可行的。

(2) 软土层厚度分别为8m、9m和10m，五十年后工后剩余沉降量为分别18.031mm、22.253mm和34.243mm。从工后剩余沉降的数值可以看出，工后沉降量不大，说明运营期该路段路基处于长期稳定状态。