并线高速铁路路基隔离桩隔离效果的影响因素

2020-11-07李帆周宝岐郭帅杰黄海新

铁道建筑 2020年10期

李帆周宝岐郭帅杰黄海新

（1.河北工业大学土木与交通学院，天津 300401；2.中国铁路设计集团有限公司，天津 300251）

随着铁路建设的增加，临近既有高速铁路的新建高速铁路工程越来越多。TB 10621—2014《高速铁路设计规范》要求无砟轨道路基工后沉降不宜超过15 mm。特别是在地质较差地区，新建高速铁路路基荷载和列车荷载引起的地基附加应力可能直接导致临近既有高速铁路沉降超标，影响既有线路轨道的平顺性及行车安全。因此，为保护既有高速铁路，须在新建高速铁路和既有高速铁路之间合理位置布置隔离桩［1］。

郑凤先［2］通过Plaxis 软件数值模拟分析了隔离桩的桩长、位置、刚度对邻近建筑物差异沉降的影响。黄然明［3］研究了深基坑开挖过程中隔离桩的工作机理，分析了隔离桩的桩长、位置、结构、桩间距对隔离效果的影响。庞梅［4］主要研究新建跨线桥桥基荷载对邻近既有高速铁路产生的附加影响，随着桩长增加隔离桩的阻隔能力增加，桩排数及其处理长度对高速铁路路基附加沉降的隔离效果有限并且超过一定值后隔离效果增加不明显。竺明星等［5］通过室内模型试验研究了控制边载作用下隧道基础沉降的隔离桩桩长、桩间距、桩径、位置对隔离作用的影响。梁伟［6］在一条高速铁路无砟轨道路基帮宽设计方案优化中，利用ABAQUS 软件研究了隔离桩控制既有路基附加沉降的效果，结果表明隔离桩可减小既有路基附加沉降30%左右；隔离桩桩长越大，其控制既有线路基整体沉降的能力越强；随着并线高速铁路净距的减小，隔离桩对既有路基附加沉降的隔离效果减弱。

由于桩土相互作用的复杂性，大部分研究通过数值模拟方法开展。实际工程中，部分施工单位根据工程经验在并线高速铁路之间进行隔离桩布置和施工，缺乏完整的隔离桩设计理论。有些工程项目中采用隔离桩取得了良好的隔离效果，有些则并不理想。本文依托鲁南高速铁路曲阜东站联络线接轨工程，采用ABAQUS 软件建立有限元模型，分析隔离桩的桩长、桩径、桩间距、排数对既有路基附加沉降隔离效果的影响，得出相应的并线高速铁路隔离桩设计建议。

1 工程概况

新建鲁南高速铁路从南夏宋线路所引出的上行联络线先后上跨鲁南高速铁路与京沪高速铁路的正线，并接入既有京沪高速铁路曲阜东站上行线。既有路基填高为3～5 m，地基采用CFG 桩加固，正方形布置，桩径0.5 m，桩间距2.0 m，桩长30 m。新建上行联络线预设计路堤填土高度3～4 m，采用预应力混凝土管桩筏复合地基，桩径0.5 m，桩间距2.0 m，桩长30 m。

鲁南高速铁路曲阜东站地处冲洪积平原，地势平坦，主要地基土层有软土、粉质黏土、中砂和黏土。其中0～9 m软土层呈软塑状，以粉质黏土为主，局部夹黏土、粉土薄层，为主要不良地层。根据鲁南高速铁路的地质报告，典型断面的土层参数物理力学性质指标见表1，路基和地基处理材料参数见表2。

表1 典型断面土层物理力学性质指标

表2 路基和地基处理材料参数

2 数值模拟

2.1 数值模型的建立

采用ABAQUS 软件建立鲁南高速铁路典型断面地基与路基模型，取路基高度为4 m，边坡坡度1：1.5，路面宽度14 m，新建高速铁路和既有高速铁路净距6 m。地基采用CFG桩加固，桩径0.5 m，桩间距2.0 m，桩长30 m。为了研究隔离桩对既有高速铁路附加沉降的影响，路基填料采用普通路堤填土，隔离桩采用钻孔灌注桩［2-3］。高速铁路无砟轨道列车荷载分布宽度3.1 m，轨道单位荷载13.7 kPa，列车荷载40.4 kPa，总荷载强度54.1 kPa。

为保证计算模型的收敛性和准确性，根据路基荷载和列车荷载的影响范围，两线坡脚向外延伸40 m，无砟轨道铁路复合地基深度以下压缩层的计算深度按照等代实体基础法中变形比法计算为29 m，因此取地基厚度60 m。纵断面根据桩间土中心两侧的对称性取双桩加固影响范围进行分析［7］，不仅能够对桩间距、排数等影响隔离桩隔离效果的因素进行数值模拟，而且把高速铁路复合路基结构的三维群桩数值模型简化为三维双排桩模型，保证模型计算准确性的同时极大程度上简化了计算分析的工作量。有限元分析模型如图1所示。

图1 有限元计算模型

数值分析中的地基土层弹性模量通常取压缩模量的 2～5 倍［8-9］。本次研究通过数值模拟试算，取 3.7倍压缩模量作为弹性模量。复合地基中桩土刚度差异较大，在上部路基荷载和列车荷载作用下可能产生较大的剪切变形，故模型中采用桩土接触面单元进行模拟。桩侧与土体采用表面与表面接触，对于接触面相互作用力学模型，切向模型选择罚函数，摩擦因数按照公式tan（0.65φ）取值［10］，并按照地层厚度加权取平均值，经计算侧摩力系数为0.2。法向行为选择硬接触。桩顶和混凝土板采用绑定（tie）约束。

模型网格划分时，对路基本体、桩和地基处理桩侧部分土体进行加密，远离路基和桩身的土体区域网格设置单精度偏移。根据结构的对称性，地基土体模型的横向边界设为x、y方向约束，底边边界设为x、y、z方向约束。路基及桩有限元网格划分如图2所示。

图2 模型网格划分

数值模型建立和分析计算过程中，基本假定为：①在路堤荷载作用下，桩被视为各向同性弹性体，土体服从Mohr-Coulomb 非线性弹塑性变形规律；②考虑初始应力场，初始位移为0，不考虑打桩的施工过程；③填土瞬时加载，分析过程中桩土之间的摩擦因数保持不变，不考虑复合地基在荷载作用下的时间效应［11］，并假定在整个加载过程中产生的超孔隙水有足够的时间消散；④应用总应力原理进行分析，即不考虑地下水影响，不考虑渗流问题，不考虑固结沉降变形等中间过程，只关注和分析最终的沉降变形。

2.2 模型适用性验证

宋绪国等［12］针对数值模拟能够准确模拟复杂荷载和加固地基条件下的沉降变形，但由于数值模型参数取值范围大，存在边界条件差异等因素导致的计算结果差别较大。当荷载条件和边界条件相当时，地层附加应力分布趋于一致，因此提出了一种基于数值模型附加应力提取的有限元分层总和法。首先应用数值模型进行并线高速铁路复杂工况数值模拟并计算，提取新建高速铁路对既有高速铁路不同位置处的附加应力；然后采用地基土压缩模量和复合地基复合模量，通过规范修正方法计算既有高速铁路的附加沉降。该方法已经成功应用于京沪高速铁路一处高速铁路站的沉降评估，满足并线高速铁路的附加沉降评估要求。

将数值模拟计算得到的相应位置附加沉降与通过有限元分层总和法计算得到的结果进行对比，见图3。可知，数值模拟与有限元分层总和法得出的结果相差0.76～1.43 mm，可见二者数值及变化趋势都较为接近。因此，本文有限元模型是合理的。

图3 有限元分层总和法与数值模拟结果对比

3 模拟计算结果分析

既有高速铁路路基附加沉降计算点采用距离既有高速铁路路基中心O点0，2，4，6，7，8，10，12，13 m 的点，分别对应图1（a）中O，1#，2#，3#，4#，5#，6#，7#，P的位置，4#为既有路基右坡顶，P为既有路基右坡脚。

3.1 桩长影响分析

控制桩间距1.2 m，桩径0.4 m，桩顶自由，与新建高速铁路和既有高速铁路路基间距均为3.0 m，单排布置，新建高速铁路路堤宽26 m、高4 m，建立并线高速铁路之间不设置隔离桩和设置隔离桩的桩长分别为25，30，35，40，45，50 m 的7 种有限元模型并进行数值模拟计算，得到不同工况下既有高速铁路路基9个计算位置的附加沉降，见图4。

图4 不同桩长既有路基附加沉降

由图4 可知，既有高速铁路路基越靠近新建高速铁路的位置附加沉降越大，最大沉降出现在路基右坡脚P处。隔离桩桩长对既有路基附加沉降的影响显著，当不设置隔离桩时，既有路基附加沉降较大，随着隔离桩桩长的增加既有路基的附加沉降不断减小。但是既有路基附加沉降的减小幅度随着隔离桩桩长的变化呈现不同的变化趋势，见表3。

表3 既有路基沉降量减小幅度

由表 3 可知，隔离桩桩长为25，30，35 m 时对应的既有路基最大附加沉降均大于规范要求15 mm，随着桩长增加最大沉降减小幅度相对较小；当隔离桩桩长大于35 m 时，既有路基最大附加沉降均小于15 mm，随着桩长增加到40，45，50 m，最大沉降的减小幅度明显增大。

出现上述现象的原因与既有高速铁路和新建高速铁路自身处理深度为30 m 的复合地基相关。随着桩长增加，隔离桩承受附加荷载增加，隔断土体变形的能力增强，所以既有高速铁路附加沉降减小，但既有高速铁路和新建高速铁路复合地基对应力、变形的传递已起到相当大的隔离作用，所以当隔离桩桩长小于30 m 时，随着桩长增加最大沉降减小幅度相对较小。

新建高速铁路路基荷载和列车荷载通过复合地基将荷载传递至桩端。在地基处理深度30 m 以下，复合地基对应力和变形的的隔离作用消失，下部土体在传至桩端的荷载作用下发生位移，对既有路基产生附加沉降起主要作用。当隔离桩桩长小于30 m 时，不能抵抗大部分下部移动土体的位移，当隔离桩桩长超过新建复合地基的深度一定值时才能够更好地发挥隔离桩的作用，此时随着桩长增加，既有路基最大沉降量的减小幅度明显增大。其中45 m 和50 m 隔离桩能够很好地抵抗大部分下部移动土体的位移，满足规范要求的同时保证一定的安全系数，此时隔离桩大于新建复合地基处理深度与压缩层的1/2厚度之和。

由此可见，隔离桩桩长同既有高速铁路附加沉降控制效果直接相关。隔离桩越长，相应的既有高速铁路附加沉降控制效果越明显，且隔离桩桩长应大于新建铁路复合地基处理深度，并考虑压缩层情况合理加长桩长。

3.2 桩径影响分析

控制隔离桩桩长45 m，桩间距1.2 m，桩顶自由，单排布置，距离既有高速铁路路基右坡脚P点2 m，新建高速铁路路堤宽26 m、高4 m等因素不变，建立桩径d为 0.3，0.4，0.5，0.6 m 的 4 种并线高速铁路有限元模型并进行模拟计算，得到不同桩径下既有高速铁路路基9个计算位置附加沉降，见图5。

图5 不同桩径既有路基附加沉降

由图5可知，随着桩径增加，隔离桩对既有路基附加沉降的隔离效果越来越好。桩径为0.3，0.4，0.5，0.6 m 时，既有路基最大附加沉降分别为12.99，11.06，10.51，10.18 mm。桩径从0.3 m 增加到0.4 m时，既有路基最大沉降减小了14.86%，隔离效果增加显著；桩径从0.4 m 增加到0.5 m 和从0.5 m 增加到0.6 m 时，既有路基最大沉降分别减小了4.97%和3.14%，隔离桩隔离效果增加越来越不明显。

这是因为随着桩径的增加，桩与土体的接触面积增加，隔离桩本身和桩身侧向与竖向摩擦力直接承受更多的附加荷载，隔离桩隔断能力有一定的增加。同时桩间净距减小，土拱效应增强，桩的荷载分担比增加，进一步提高了隔离桩对附加应力和变形的隔断能力，隔离效果增加显著。当桩间净距达到临界值时土拱效应基本不再增强，这种情况下桩径再增加，仅有隔离桩本身和桩身摩擦力直接承受的附加荷载增加，隔离桩隔离效果提高有限。

综上，隔离桩桩径同既有高速铁路路基附加沉降控制效果间保持正相关关系，建议桩径选择不小于0.4 m，随设计桩长的增加可适当增大桩径。

3.3 桩间距影响分析

控制隔离桩桩长45 m，桩径d为0.4 m，桩顶自由，单排布置，距离既有高速铁路路基右坡脚P 点2 m，新建高速铁路路堤宽26 m、高4 m等因素不变，建立桩间距s为 2d，3d，4d，5d，6d，7d的 6 种并线高速铁路有限元模型并进行模拟计算，得到不同桩间距下既有高速铁路路基9个计算位置附加沉降，见图6。

图6 不同s/d既有路基附加沉降

由图6可知，随着桩间距增大，既有高速铁路附加沉降增大，隔离桩桩间距的改变对既有路基附加沉降的影响显著。无隔离桩时，既有路基最大附加沉降为22.36 mm，当桩间距s为2d，3d，4d，5d，6d和7d时，最大沉降分别为 10.16，11.06，13.31，16.83，20.01，22.07 mm。s=2d相比于s=3d既有路基最大沉降减小了 8.23%，s=4d，5d，6d，7d相比于s=3d既有路基最大沉降分别增加了20.34%，52.17%，80.92%，99.55%。

当桩间距s＜3d时，随着桩间距减小隔离桩的荷载分担比增加不明显，减小桩间距对提高隔离效果不明显，且增加工程量和工程成本，性价比低。当桩间距s＞3d时，随着桩间距的增加，桩间水平土拱效应减弱，桩的荷载分担比减小，隔离桩对应力和变形的隔断能力减小，隔离效果越来越差。当桩间距s=7d时，既有路基最大附加沉降量与无隔离桩较为接近，桩间基本上已没有土拱效应，桩间土从桩间滑出或绕桩滑动，此时起主要作用的是桩与土体之间的摩擦力，相比于土拱效应对应力和变形的隔断能力要小很多，对既有路基附加沉降隔离效果不明显。

可见，桩间距是影响隔离桩对既有高速铁路路基附加沉降隔离效果的关键因素。桩间距s=3d时，隔离效果最好。

3.4 排数影响分析

控制隔离桩桩长45 m，桩径d=0.4 m，桩间距s=3d（1.2 m），桩顶自由，新建高速铁路路堤宽26 m、高4 m等因素不变，建立单排桩和双排桩2 种并线高速铁路有限元模型并进行模拟计算，其中单排桩距离既有高速铁路路基右坡脚P点2 m，双排桩采用三角形布桩，排间距s1=3d（1.2 m），前后排桩距离既有高速铁路路基右坡脚P点分别为2.6，1.4 m。最终得到不同排数下既有高速铁路路基9个计算位置附加沉降，见图7。

图7 不同隔离桩排数既有路基附加沉降

由图7 可知，隔离桩由单排桩变为双排桩时既有路基最大竖向沉降由11.06 mm 减至9.53 mm，减少了13.83%，隔离效果有所提高但不明显。

基于上述现象，控制其他影响因素不变，建立桩间距s=6d单排桩和桩间距s=6d、排间距s1=3d双排桩2 种并线高速铁路有限元模型并进行模拟计算，得到不同排数下既有高速铁路路基9 个计算位置附加沉降，见图8。

图8 不同隔离桩排数既有路基附加沉降

由图8 可知，双排桩相对于单排桩可以显著提高隔离效果。单排桩变为双排三角形布桩时，既有路基最大附加沉降由18.54 mm 减至10.95 mm，减少了40.94%。当桩间距相对较大时，增加排数（间接减小桩间距），隔离桩自身的隔断能力和桩间水平土拱效应均明显增强，隔离桩荷载分担比增加，隔离效果显著提升。

综上，当桩间距较小（s=3d）时，双排桩相对于单排桩隔离效果提高不明显，此时不需要设置双排桩；当桩间距相对较大（s=6d）时，双排桩可以显著提高隔离效果。