杨海军 侯洪飞 董 捷 张海迪 熊康栋

(河北建筑工程学院，河北 张家口 075000)

0 引 言

随着我国高速铁路的快速发展，铁路工程建设如火如荼[1].在铁路工程建设的同时，会遇到大量软土地区边坡支护的问题，对于桩板墙下软弱地基，有必要对地基进行加固，提高地基对悬臂桩的约束能力，增强桩板墙对边坡的加固效果.近年来，旋喷注浆法以其灵活、适应性广的特点广泛应用于各类地基加固工程中[2].采用旋喷桩加固桩板墙前软弱地基，必须严格控制旋喷桩的设计参数以满足工程建设的要求[3,4].然而，对于此类加固研究较少，开展研究对于黄土地区铁路边坡防护具有一定的工程实用价值.

1 工程概况

某高速铁路路堑边坡，地处黄土梁峁区，土质为砂质新黄土(Q3eo1)，σ0=130 KPa.地形起伏较大，黄土冲沟发育.线路中心最大挖深为15.71 m，最大边坡高度为44.34 m.于DIK658+783.00—DIK658+970.00段左侧侧沟平台外侧设桩板墙(如图1所示)，桩长26.0 m，桩间距为5.0 m，桩截面采用顺线路方向2.0 m，垂直线路方向3.0 m的T形截面，桩身采用C35钢筋混凝土浇筑，桩间板采用C35混凝土预制，板长3 m，桩顶以下4 m范围采用A型板，板截面尺寸0.25×0.5 m，其余采用B型板，板截面尺寸0.3×0.5 m.由于黄土具有湿陷性，地基松软、承载力低，若不对地基进行加固处理，容易导致桩板墙发生倾覆或者滑移，引起严重的工程事故，因此该工程拟采用10排旋喷桩加固桩板墙桩前5.1 m土质地基，旋喷桩桩径为0.6 m，桩间距0.5 m，以此来提高黄土地基承载力，确保桩板墙的稳定性.

图1 工程示意图

2 数值分析模型

根据工程背景，从机理分析的角度出发，取右侧路堑横断面为计算模型，采用FLAC3D有限差分软件建立数值模拟模型[5].模型土体长143 m，宽12 m，高60 m，其中边坡高20 m，模型网格划分如图2所示.模型由土体、抗滑桩、挡土板和旋喷桩共同组成，其布置如图3所示.抗滑桩长26 m，桩间距5.0 m，悬臂段长8 m，嵌固深度18 m.旋喷桩桩径为0.6 m，桩间距0.5 m.本次模拟分为5个工况，分别采用3 m、6 m、9 m、12 m、16 m旋喷桩加固桩板墙前软弱地基.

边界条件的选取对模型的计算结果非常重要，因此，模型在桩的前后区域取了较大的计算范围(桩前40 m，桩后100 m)，以降低边界效应对计算结果的影响[6].

图2模型单元划分示意图图3加固开挖后布置图

2.1 本构模型及参数

模型土体和桩板墙采用实体单元模拟，旋喷桩采用Pile结构单元模拟.其中土体为弹塑性材料，采用Mohr-Coulomb屈服条件，假定桩板墙和旋喷桩为线弹性材料[7].具体参数见下表.

表1 材料参数表

表2 接触面参数

表3 Pile单元弹簧参数表

2.2 边界条件及开挖步骤

为了更好的模拟实际情况，本次分析采用对称边界条件，在模型底部施加XYZ三个方向的约束，模型X向的两个平面施加X方向的约束，Y向的两个平面施加Y方向的约束.模型主要承受Z向的自重应力作用，首先平衡边坡土体地应力，然后在坡脚处加抗滑桩，在桩前土体X=15～20 m，Y=0～12 m处加旋喷桩桩群加固地基.接着，开挖抗滑桩前土体至旋喷桩桩顶，分2次开挖，每次开挖4米.与此同时，在抗滑桩间设置挡土板，并将挡土板与抗滑桩固结.最后，进行计算分析.

3 数值模拟结果及分析

通过数值模拟发现，开挖后由于桩前抗滑力减小，边坡出现明显的滑动面，如图4所示.在没有采用旋喷桩加固前，由于边坡推力的作用，抗滑桩桩顶X向位移很大，达到了-92.99 mm，桩底位移-37.42 mm，如图5所示.桩前地基土体由于抗滑桩的挤压向上隆起，最大位移为78.34 mm，并随着距桩板墙水平距离的增加而增加，随后逐渐减小，如图6所示.抗滑桩桩身弯矩最大值发生在埋深4米处，最大为-5.96e6 KN·m，如图7所示.

图4边坡体X位移图图5桩X位移图

图6边坡体Z向位移图7桩身弯矩图

图8 桩板墙桩顶位移

从经济的角度来讲，随着旋喷桩桩长的增大，造价也随之增加，这就需要我们去找到这个最优值来达到节约成本的目的.通过有限元分析发现：采用旋喷桩加固桩前地基后，桩板墙桩顶水平位移、地基土体Z向位移和桩身弯矩显著减小.当旋喷桩桩长为3 m到9 m时，桩顶水平位移随旋喷桩桩长的增加而显著减小；当旋喷桩桩长为9 m到16 m时，桩顶水平位移随旋喷桩桩长的增加缓慢减小，减小值非常小，如图8所示.桩前地基加固区Z向位移随着旋喷桩桩长的增加，在3 m到6 m加固深度之间，位移大幅度减小；在9 m到16 m之间，位移减小值非常小，如图9所示.采用3 m旋喷桩加固后，桩身最大弯矩值减小0.53e6 kN·m，但是随旋喷桩桩长的增加缓慢变小，最大弯矩值位置慢慢接近开挖面以下1 m处，如图10所示.

综合以上分析，当采用6 m到9 m长度的旋喷桩加固时，桩板墙桩顶位移与无旋喷桩数据比较位移减小52.6%至63.2%，加固区地基最大隆起减小率为66.3%到66.9%，安全性和经济性效果最佳.

图9加固区地面最大隆起图10不同旋喷桩长度下桩板墙的弯矩对比

4 结 论

本文分析了不同长度的旋喷桩加固桩板墙前地基对于桩身内力、位移和地基隆起的影响及加固效果.通过数据分析，得到以下结论：

1)随加固深度的增加，桩顶水平位移逐渐变小.当加固深度在桩板墙嵌固段1/2深度时，效果最佳.

2)随着旋喷桩桩长的增加，加固区地面隆起逐渐变小.在桩板墙1/3嵌固段处达到最优效果.

3)旋喷桩加固深度变化对于桩板墙弯矩值影响不大.

4)从经济角度出发，加固深度在桩板墙嵌固段1/3到1/2长度处最佳.

[1]蒋忠信,曾令录,李安洪.南昆铁路路基边坡工程技术研究[J].岩石力学与工程学报,2002

[2]王庆国,孙玉永.旋喷桩加固对控制盾构下穿铁路变形数值分析[J].地下空间与工程学报,2008

[3]王小军,楚华栋.对粉/旋喷搅拌桩加固软弱地基的检测与评价[J].岩石力学与工程学报,2003

[4]安关峰,张洪彬,刘添俊.旋喷群桩复合地基承载特性的数值分析[J].岩土力学,2012

[5]张永兴,董捷,等.考虑自重应力的悬臂式抗滑桩三维土拱效应及合理间距研究[J].中国公路学报,2009

[6]李成芳,熊启东,孔凡林.锚拉桩三维土拱效应数值分析与试验研究[J].建筑结构,2011

[7]Manual of FLAC3D.Itasca Consulting Group Inc,2012