引起邻近高铁路基变形的堆载因素辨识及控制

叶佩文

(1.中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043; 2.中国铁建BIM工程实验室(中铁一院),西安 710043)

引言

高速铁路对线下工程沉降变形要求极为严格,鉴于此,大量高速铁路线路不得不采取“以桥代路”的形式进行修建,桥梁所占比例大,高架长桥多。但即便如此,仍有部分路基结构,其面临变形控制这一难题。此外,既有高速铁路沿线工程活动日益频繁,这必然对既有高速铁路尤其是路基段的运营安全造成影响。尤其在我国沿海软土地区,路网密集,此情况更为普遍。例如,邻近铁路堆载引起沪杭客运专线松江段某处桩基最大横向变形61.4 mm,导致线路限速60 km/h进行纠偏处理[1-2]。

由此可见,软土地区邻近堆载将对既有高铁路基产生不利影响,尤其是新建路基填筑这类大规模的堆载,产生的不利影响更不容小觑,需引起工程技术人员的充分重视。

HEYMAN[3](1961)通过现场试验研究了路基填筑对邻近既有结构物桩基变形的影响,得出了路堤荷载的最大影响距离;杨敏等[4](2003)采用改进弹性地基梁法对堆载邻近的桩基进行了理论分析,提出了堆载大小和桩基变位的控制标准;李忠诚[5-6](2007)对地面超载条件下自由场土体的侧向位移模式进行了探讨,得出了土体侧向变形规律;RUJIKIATKAMJORN C[7](2008)采用三维和二维数值模拟分析了某堆场真空-堆载预压过程中邻近地层沉降、孔隙水压力和侧向位移变化,得出堆载期间应重点监测邻近地层横向运动,以避免对相邻结构造成损坏的结论;代恒军等[8](2010)分别研究了邻近堆载作用下浅层土体弹性模量和桩身刚度对各排桩基侧向变形的影响,并将有限元计算结果与实测数据进行了比较;赵晓波[9](2013)研究了堆载作用大小、作用距离、建筑物自重、土层模量、CFG桩桩身模量等因素对邻近复合CFG桩地基力学性状的影响;黄珏鑫[10](2014)采用控制变量法,分析了不同堆载宽度、堆载间距、堆载高度情况下桩身弯矩与墩顶位移的变化规律;张燕[11](2015)分析了不同堆载高度、不同堆载间距以及堆载分级级数对既有路基变形的影响;丁任盛[12](2015)开展堆载对邻近桩基影响的1∶1原位现场试验,探讨了深厚软土地区堆载高度、堆载与桩基距离对桩身内力、位移、桩基和堆载间土体深层位移的影响规律;陈柯星[13](2015)考虑了快速堆载(即土体不排水情况)和慢速堆载(即考虑土体排水固结)两种工况,研究了固结时间对桩身变形和受力的影响;王毅[14](2018)通过土工离心模型试验研究了加载距离、加载量、加载宽度对邻近桩网结构路基水平变形的影响规律。

已有研究提出,影响邻近桩基变形的堆载因素主要为堆载距离、堆载高度、软土厚度及堆载速度。同时,既有研究邻近堆载引起既有结构桩基变形的因素较为单一,且研究重点为一定堆载作用下既有结构物变形机理及规律。对多堆载因素共同作用时,引起邻近结构变形的主要因素尚不明确。因此,针对软土地区引起邻近高铁路基变形的堆载因素进行研究,明确了在众多堆载因素共同作用下,新建路基引起邻近高铁路基变形的主要因素。

1 堆载作用下既有高铁路基变形数值计算

1.1 计算模型建立

(1)基本假定:①土体中孔隙水的流动符合达西定律;②土体完全饱和,渗透系数不随时间变化;③不考虑新建路基逐级填筑模拟过程中地下水位的变化;④非线性地基视为层状地基,各土层土体均匀,土层之间的位移完全耦合。

(2)计算区域确定:考虑土质条件和影响范围的对称性,以新建路基中心为对称轴,取地基土的一半进行数值计算分析。既有路基模型参数按照现场监测范围内甬台温高铁断面参数取值。

(3)土层参数:由现场监测结果可知,新建乐清湾铁路路基填筑施工期间,地基土的变形主要集中在淤泥层。数值模拟过程中,软土层参数基于现场实测反分析所得,其余土层参数采用现场实勘值。各土层参数取值如表1所示。

表1 数值计算土层参数汇总

(4)边界条件:边界条件包括位移边界和孔压边界。数值模型位移边界为模型左右边界约束横向位移,底部边界约束横、竖向位移,顶部边界为自由边界。同时,由于涉及固结过程,模型的孔压边界条件为左右边界,底部边界为不透水边界、顶部边界为透水边界且模型顶部孔压为零。

1.2 数值计算可靠性分析

对现场实测工况进行数值模拟计算,此时相应测点处地基土沉降量数值计算结果与现场实测结果对比如图1所示,相应测点处地基土水平位移数值计算结果与现场实测结果对比如图2所示,相应测点处新旧路基间地表水平位移数值计算结果与现场实测结果对比如图3所示。由图1～图3可知,邻近地层水平位移竖向先增大后减小,最大值发生在软弱地层中;地表及软土层底部水平位移约为最大位移的55%、20%;邻近地层土体水平位移横向呈指数关系递减,新建路基坡脚外7,12,17 m处地表水平位移约为新建路基坡脚外2 m处水平位移的34%、17%、5%。数值模拟结果与现场实测结果吻合度高,能够准确地反映实际施工现场工程变形问题。

图1 新建路基地基中心沉降曲线

图2 邻近地层沿深度方向水平位移曲线

图3 新旧路基间地表水平位移曲线

1.3 数值计算

以软土厚度、堆载高度、新旧铁路路基坡脚距离(堆载距离)、地基处理强度以及堆载速度作为引起邻近高铁路基变形的影响因素进行分析。最终,数值计算中各因素及其取值如表2所示。

表2 各因素水平取值

其中,地基处理强度按软土地区常见的地基处理方式,如水泥搅拌桩、钻孔灌注桩、高压旋喷桩处理强度取值,复合地基模量约为20Es、30Es及40Es,Es为软土层压缩模量,数值模拟过程中地基处理深度与软土层厚度一致。路基填筑速度按实际施工过程中每天填筑1层、2层及3层考虑,即每天填筑0.2,0.4 m及0.6 m。

拟采用正交原理对引起邻近高铁路基变形的各堆载因素进行辨识,为5因素3水平正交问题,选用L18(37)正交表[15-20],最终确定的各数值模拟计算工况如表3所示。

表3 数值计算工况

1.4 数值计算结果

建立与表3各工况对应的数值模型进行计算分析,获得各影响因素不同水平搭配下既有高速铁路路基变形。选取工况1、工况2、工况3新建路基堆载作用下邻近地层位移变化分别如图4～图6所示。

图4 工况1堆载作用下邻近地层位移场(单位:mm)

图5 工况2堆载作用下邻近地层位移场(单位:mm)

图6 工况3堆载作用下邻近地层位移场(单位:mm)

地基固结450 d后各计算工况下,新建路基地基中心沉降及新旧路基之间土层地表水平位移分别如图7、图8所示。由图4～图8可以看出,不同堆载工况下新建路基地基中心沉降变形及新旧路基间地基土地表水平位移变化规律基本一致。填筑施工期内,地基中心沉降显著增大,施工完成后,随着地基固结时间增加,新建路基地基中心沉降趋于稳定。同时,随着距新建路基坡脚水平距离增大,邻近地层地表水平位移逐渐减小。

图7 各计算工况下新建路基地基中心沉降曲线

图8 各计算工况下新旧路基间地表水平位移曲线

2 堆载因素分析

2.1 堆载作用下既有路基变形

堆载作用下,各计算工况既有高速铁路路基坡脚水平位移、路基中心竖向位移及水平位移如表4所示。

表4 各计算工况下既有路基变形

2.2 极差分析

以既有高速铁路路基坡脚水平位移、路基中心竖向位移及路基中心水平位移为考察指标,以堆载对邻近高铁路基变形影响最小为评价标准,即既有路基坡脚水平位移、路基中心竖向位移及路基中心水平位移均越小越好。根据实际工程经验,各评价指标同等重要即指标的权重分相等。采用综合评分法进行正交分析计算。

通过试验指标的直观分析可得:各影响因素的极差R分别为0.21、0.30、0.42、0.18、0.13,即堆载距离和堆载高度为新建路基堆载作用下邻近铁路路基变形的主要因素;其次为软弱土层的厚度和地基处理强度;路基填筑速度对既有路基坡脚水平位移和路基中心位移的影响较小。

2.3 显著性检验

极差分析不能将试验中由于试验条件改变引起的数据波动同试验误差引起的数据波动区分开来,也就是说,不能区分因素各水平间对应的试验结果的差异究竟是由于因素水平不同引起的,还是由于试验误差引起的,无法估计试验误差的大小。此外,各因素对试验结果的影响大小无法给以精确的数量估计,不能提出一个标准来判断所考察因素作用是否显著。为弥补极差分析的缺陷,对计算结果进行方差分析,如表5所示。

表5 既有路基变形影响因素方差分析

查检验临界值表得F0.05(2,7)=4.74,F0.01(2,7)=9.55。对于给定显著性水平α=0.05,由于FC>FB>FA>F0.01(2,7)>FD>F0.05(2,7)=4.74,则可判断出堆载距离和堆载高度对邻近高铁路基变形影响显著;软弱土层厚度和地基处理强度对邻近高铁路基变形影响较显著。FE

从表5中F值也可以看出,影响因素的主次顺序为堆载距离、堆载高度、软弱土层厚度、地基处理强度、新建路基填筑速度,与极差分析结果一致。为更加直观地看出各影响因素对既有路基坡脚水平位移、既有路基中心竖向及水平位移的影响趋势及影响程度,根据极差分析结果分别绘制图9～图11。

图9 既有路基坡脚水平位移随各影响因素变化

图10 既有路基中心竖向位移随各影响因素变化

图11 既有路基中心水平位移随各影响因素变化

由图9～图11中分析各变形指标随各影响因素变化可以得出:既有铁路路基各变形指标随堆载距离、地基处理强度的增大而减小;随路基填筑高度、软土厚度及路基填筑速度的增大而增大。其中,堆载距离及路基填筑高度引起既有铁路路基相应位置位移变化幅度最大,影响最为显著。堆载速度虽然对既有高铁路基最终变形量影响不显著,但对路基填筑期内地基变形速率影响显著,对新建路基填筑施工期内地基稳定性至关重要。

实际工程中,在明确各因素显著性的基础上须对各影响因素进行先主后次的合理控制,以减小新建路基对邻近高铁路基变形的影响。针对前文分析的各影响因素,新建路基堆载作用下,对邻近高铁路基变形控制主要从两方面出发:堆载控制(堆载距离、堆载高度)及施工控制(地基处理强度、路基填筑速度)。

3 结论与建议

3.1 结论

依托邻近甬台温高速铁路的新建乐清湾铁路路基工程,建立数值模型计算得到了新建路基堆载作用下,新建铁路地基及既有高铁路基各部位变形量,利用现场实测验证其正确性后,对引起邻近高铁路基变形的影响因素进行分析,主要结论如下。

(1)新建路基堆载作用下邻近地层水平位移竖向先增大后减小,最大值发生在软弱地层中。地表及软土层底部土体水平位移约为最大位移的55%、20%。邻近地层水平位移横向呈指数关系递减。

(2)影响既有高铁路基各变形指标的堆载因素主次顺序为堆载距离、堆载高度、软弱土层厚度、地基处理强度、堆载速度;其中,堆载距离、堆载高度影响最显著;堆载速度对地基最终变形量影响有限,对施工期内地基土的变形速率影响显著。

(3)新建路基填筑速度越小,填筑期内地基沉降量占地基变形稳定时沉降量的百分比越大,路基填筑完成后地基沉降变形越小。

(4)通过堆载控制(堆载距离、堆载高度)及施工控制(地基处理强度、路基填筑速度)可减小堆载对邻近高铁路基变形的影响。

3.2 建议

提出了影响既有高铁路基各变形的堆载因素主次顺序,须对各影响因素进行先主后次的合理控制以减小新建路基填筑施工影响。同时,可分别对各显著影响因素做回归分析,得到各影响因素与相应变形控制指标之间的回归方程,建立的堆载因素与各变形控制指标预测模型,可有效估算出新建路基堆载作用下,邻近地层及既有高铁路基各部位变形量。同时,根据相应变形量的规范值可估算出实际工程各堆载因素的控制值。