滨海软土地区隔离桩用于控制侧向堆载引起的铁路路基位移的研究

杨 生，曹 洋，张二望

(福州大学土木工程学院，福建福州 350116)

软土的力学性能低于其他类型土，荷载作用下将产生不同程度的变形[1-4]，而采用加固土体或隔离方式降低建(构)筑物周围软土地层的位移已成为目前较常用的手段。已有学者从不同角度探索各类减小软土地层变形的方法，并取得了一定的成果。竺明星等[5]通过室内试验研究了隔离桩桩长、桩径、桩间距和位置等因素对隔离效果的影响；刘毓氚等[6]利用PLAXIS软件分析采用隔离桩与加固处理相结合的治理措施减少超载导致临近建筑物变形的有效性；叶观宝等[7]利用PLAXIS二维有限元软件结合工程实例，分析采用排水固结、长板-短桩和水泥搅拌桩3种软基处理方法下软土变形特性；王剑文[8]利用Geostudio有限元软件分析了堆载高度、堆载面宽度对临近桥梁桩基的影响以及换填土、隔离桩和换填土-隔离桩3种加固措施控制桩基位移和受力的情况；杨敏等[9]分析了水泥搅拌桩主动加固下超载软土地基对临近桩基的作用；刘宝龙[10]分析了在盾构临近铁路桥梁时，隔离桩加固对铁路桥梁桥墩变形的影响；翟杰群等[11]分析了隔离桩在软土地层中深基坑开挖对相邻建筑的保护作用。

目前许多学者对土体侧向位移作用下被动桩的受力特性展开了深入的研究，部分学者甚至考虑了桩顶存在竖向荷载的被动桩受力特性[12-14]，但在临近堆载作用下对深厚软土位移特性及桩土之间相互作用方面研究较少。软土结构的复杂性，导致堆载作用下深厚软土侧向位移用理论、数值方法很难准确计算。沿海地区铁路运输迅速发展，大量深厚软土桩网铁路路基不断出现，同时路基侧向的堆载工程也日益普遍，而关于大面积堆载对临近已加固软土地层桩网铁路路基影响研究较少。本文依托福州可门港大桥货场扩建工程，研究堆载对桥梁桩基、路基的影响，利用FLAC 3D软件建立有限元模型分析大面积侧向堆载作用下已加固的铁路滨海软土路基的变形特性，以及采用单排、双排隔离桩对减小路基变形的效果，以期为相似工程设计提供参考。

1 工程概况及数值模拟

1.1 工程概况

福州可门港铁路支线(秀堡站—港湾站)DK15+406—DK16+850正线，位于东南滨海软弱土层地区，建设场地地貌为冲海积平原，地层分布由上到下分别为填砂、淤泥、粉黏土、强风化花岗岩、弱风化花岗岩。其具体物理力学参数见表1。

该铁路路基段软基设计采用水泥搅拌桩加固处理，加固区水泥土强度按照桩土相对面积对桩身强度进行折减确定[9]，水泥土弹性模量Ee计算式为

表1 土层物理力学参数

式中:Ep为水泥搅拌桩的弹性模量，取160 MPa；Es为桩间土体压缩模量，取2 MPa；S为水泥搅拌桩的截面面积；L为水泥搅拌桩的中心距，取1 m。

黏聚力和内摩擦角根据《地基处理手册(第3版)》分别近似取路基土体的10倍和2倍。搅拌桩加固区水泥土物理力学参数见表2。

表2 搅拌桩加固区水泥土物理力学参数

1.2 模型建立与计算工况

考虑到路基轴向长度远大于横断面尺寸，近似认为路基属于平面应变问题，因此选取一段典型路基进行模拟，计算模型如图1所示。

图1 计算模型示意

货场地面设计高程7.6 m，堆载体一侧紧挨铁路路基，路基填土高6 m，路基边坡1∶1.5，下侧加固土体可以通过调整土层参数进行简化模拟[5]。考虑到堆载过程中存在一定沉降，对于8 m计算厚度，可分3级堆载，堆载高度分别为3，3，2 m。同时为分析堆载宽度对路基的影响，每级堆载由路基向外分2次进行，每次堆载宽度40 m，堆载体临空面坡度为1∶2.5。取试验现场中路基顶面距堆载较近且具有代表性的点A作为计算点，A点铅垂线作为计算断面。

基于Mohr-Coulomb模型，运用FLAC 3D软件参照实际工程建立有限元模型。模型尺寸为220 m×20 m×50 m，底部约束竖向位移，四周约束法向位移，顶部自由。不同填土的物理力学参数见表3。

表3 不同填土的物理力学参数

1.3 隔离桩模拟

采用钻孔灌注桩作为隔离方案，利用FLAC 3D提供的桩单元进行模拟，桩顶冠梁用梁单元模拟，假设灌注桩和冠梁均为完全弹性体且设置为刚性连接。结构单元截面与材料特性见表4，桩土接触面参数见表5。

表4 结构单元截面与材料特性

表5 灌注桩与土体接触面参数

2 计算结果分析

2.1 未施作隔离桩

在未采取治理措施的场地上进行堆载，不同堆载工况下计算断面处的土体侧向位移随深度变化曲线见图2。

由图2可知，计算断面土体侧向位移沿深度方向大致可以分成3段。在粉质黏土层范围内侧向位移较小，不同工况下差别不明显；淤泥底面-25 m深度处至加固层底面-10 m深度处，土体侧向位移呈线性增加，由于-25～-10 m内土层未加固，侧向位移线性增长趋势较为明显。淤泥加固区范围内土体沿深度方向整体侧向位移，无明显变化。在不同堆载工况下，土体侧向位移曲线形状基本相同，但随着堆载的进行，堆载荷载的增加，侧向位移有明显增大。

图2 堆载后路基中心土体侧向位移曲线

现场堆载后路基中心土体侧向位移实测曲线见图3。可知，在未采取治理措施的情况下进行货场堆载将使路基出现较大侧向位移，且模型计算的路基侧向位移曲线变化趋势与现场实测曲线大致相同，证明了模型建立是合理的。为防止路基侧向位移过大，有必要采取控制措施。

图3 现场堆载后路基中心土体侧向位移实测曲线

2.2 单排隔离桩

隔离桩是利用桩身强度承受土体传导的大部分荷载，对邻近建筑物起到保护作用。本节探讨单排钻孔灌注桩对铁路路基位移的影响，灌注桩与路基坡脚距离2 m，桩径1.25 m，桩中心距取2倍桩径，桩嵌入弱风化花岗岩5 m。单排灌注桩立面布置参见图1(a)。

在考虑隔离桩防护作用下，得到不同堆载高度时计算断面处土体侧向位移随深度变化曲线见图4。可知，隔离前后土体侧向位移曲线形状大致相同，在各级堆载下隔离后的土体侧向位移数值较未隔离的土体侧向位移均有一定减少，即当堆载高度为3，6，8 m时，单排桩隔离前后表面计算点侧向位移分别由40，87，124 mm降至 28，72，102 mm，减少率分别达到 30%、19.5%，17.7%。另外，从各堆载高度对应的位移减小率可以看出，随着堆载高度的增加，单排桩隔离效果有所减弱，因此对于外部过大堆载，需采用更为有效的措施控制地层位移。

图4 隔离前后计算断面土体侧向位移曲线

各级堆载作用引起的桩身侧向位移关系曲线见图5。可知，隔离桩嵌岩段侧向位移近似为零，淤泥层的桩身位移随深度减少逐渐增加，在桩顶侧向位移达到最大值。各级堆载作用下桩身位移分布大致相同，随堆载高度的增加桩顶位移有较大的增加，第三级堆载完成时桩顶最大位移达到137 mm。

图5 不同堆载工况下桩身侧向位移曲线

在各级堆载作用下单排桩桩身最大弯矩的变化见图6。可知，随着堆载体的增高，单排桩桩身弯矩有较大的增加，当堆载全部完成时，桩身最大正弯矩为2 382 kN·m，最大负弯矩为-1 555 kN·m，均不超过单排灌注桩的设计弯矩。

图6 各工况下单排桩桩身最大弯矩

2.3 双排矩形隔离桩

双排隔离桩结构为2排相互平行的钻孔灌注桩和桩顶刚性冠梁组成的空间超静定结构，因此具有整体刚度大的特点。同时前后排桩端阻力、侧摩阻力和桩侧土压力形成一对力偶减小排桩侧向位移，使双排桩具有良好的隔离效果。采用矩形布置的双排钻孔灌注桩后排桩距铁路路基坡脚1.25 m，前排桩距坡脚5 m，双排灌注桩立面布置参见图1(a)。钻孔灌注桩直径1.25 m，底部嵌入弱风化花岗岩5 m。同一排钻孔灌注桩中心距为2倍桩径，前后排桩中心距为3倍桩径。钻孔灌注桩和桩顶冠梁截面特性以及材料参数参见表 4、表 5。

双排桩隔离前后计算断面土体侧向位移曲线见图7。可知，由于深厚软土层中隔离桩柔度较大，软土侧向挤压将导致隔离桩出现明显侧向位移，因此采用双排隔离桩治理路基仍然存在一定侧向位移。隔离前后计算断面土体侧向位移曲线形状大致相同，但数值上有显著减小，主要由于双排隔离桩桩顶冠梁刚性连接而桩端嵌固，前后排桩形成一个刚度较大的整体，其转动惯量大，水平抗弯能力较单排桩有显著提高。当堆载高度为3，6，8 m时，在施作双排隔离桩之后表面计算点位移分别为8，31，46 mm，相对隔离前分别减小80%，64%，62%。同样随着堆载高度的增加，双排隔离桩的隔离效果逐渐降低。

图7 不同堆载高度计算断面土体侧向位移曲线

不同堆载厚度下前后排隔离桩桩身侧向位移曲线见图8。可知，桩侧填土厚度较小时，前排桩桩身侧向位移曲线呈弓型；随着桩身侧向位移进一步增大，冠梁对桩顶位移减小作用有限，桩身侧向位移曲线呈开口型。桩身侧向位移随堆载厚度的增加有较大增长，堆载高度8 m时桩顶侧向位移达到59 mm。前排桩在桩侧水平土压力作用下发生变形为被动桩，而后排桩主要在桩顶承受冠梁荷载并主动向桩侧土体传递应力为主动桩。因此前后排隔离桩的变形曲线有较大的差异，说明软土地基中隔离桩水平抗力主要来自于嵌岩段，在桩身侧向位移下淤泥层的被动土压力较小。

图8 不同堆载高度下前后桩侧向位移曲线

针对路基表面计算点侧向位移，不同隔离桩治理方式下随堆载工况的变化曲线见图9。可知，未采取治理措施时计算点侧向位移随加载工况的进行呈大斜率快速增大。单排隔离桩下不同加载工况计算点侧向位移曲线斜率较未治理曲线有所平缓，但斜率仍较大，侧向位移值降低幅度小。双排隔离桩下计算点侧向位移曲线斜率明显较未治理时与单排隔离桩时平缓，且侧向位移有大幅度的降低。对比而言，双排隔离桩具有较优的位移控制效果。

图9 不同工况路基表面计算点侧向位移曲线

3 结论

1)未采取治理措施时，软土地基的侧向位移随堆载宽度和高度的增加而增加，三级堆载过程中引起的软土地表位移由40 mm上升至124 mm。水泥搅拌桩加固深度对侧向堆载引起的土层位移有一定控制作用。

2)采用单排隔离桩治理时，对堆载作用下引起的软土侧向位移有一定的控制作用，较无隔离桩治理时软土侧向位移减少约为15%～30%，随堆载高度增加，单排桩隔离效果有所减弱。

3)采用双排矩形隔离桩治理措施时，对堆载作用下引起的软土侧向位移控制作用明显，较无隔离桩治理时软土侧向位移减少约60%～80%，同样随堆载高度的增加，隔离效果有所减弱。

4)随着侧向堆载的增加，双排隔离桩对应的地层位移量以及位移发展速率均小于单排隔离桩，对软土地层位移控制效果较优，同时桩体本身变形量较小，自身稳定性较好。