软土地区高速铁路路桥过渡段管桩与桩帽加固施工研究_蒋向军.pdf

DOI:10.13379/j.issn.1003-8825.202209011开放科学（资源服务）标识码（OSID）软土地区高速铁路路桥过渡段管桩与桩帽加固施工研究蒋向军（中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京102600）摘要：基于某沿海高速铁路采用管桩+桩帽加固路桥过渡段深厚软土路基，建立土-路基-桥台-桩基的三维有限元模型，对高铁路基加固后的桥台及台后过渡段路基的变形特性进行分析，并与实测值对比分析。结果表明：采用管桩和桩帽组成的新型结构对路基进行加固，可较好地控制桥台和路基的沉降，缩短沉降稳定时间，可用于无砟轨道路基软土地基加固。关键词：路桥过渡段；深厚软土；管桩+桩帽；桥台；三维有限元模型中图分类号：U24；U213.1+4文献标志码：A文章编号：1003 8825(2023)01 0159 06 0 引言在沿海软土地区修建高速铁路时，由于软土具有基本承载力低、含水率高、压缩性高等不良工程性质，对高铁设计和施工带来重大挑战。路桥过渡段由于路基下卧软土与桥台的刚度差别较大，使得二者的变形特性表现出明显的不同，易产生线路不平顺性问题，影响行车的安全性和舒适性。因此，控制路桥过渡段差异沉降成为沿海高铁设计的关键技术之一，规范1-2对此做出了严格要求。沿海地区软土常采用 CFG 桩、旋喷桩、粉喷桩、超载预压等复合地基方式处理软土地基3-9。管桩+桩帽是软土地基加固一种新的结构形式，具有施工工期短、侧向变形和工后沉降小等优点10-12。目前，对路桥过渡段问题的研究主要有列车与线路相互作用的动力分析13-16、台后路基填料17-19及其对桥台桩基受力特性的影响20-22等方面，但对于静态路基荷载作用下过渡段和桥台的变形耦合特性、如何合理描述桩与土的相互作用及加固措施对路桥过渡段的影响，研究成果较少。本文以沿海地区某高铁为例，建立土-路基-桥台-桩基三维有限元模型，考虑桩-土及桥台-土的界面摩擦，对深厚软土的高路基填筑对其邻近桥台及路桥过渡段的影响和变形性状进行了模拟分析和试验研究。1 试验工点概况 1.1 试验工点选取原则为了研究高路基下深厚软土的加固效果，综合考虑台后路基高度、桩基长度、软土厚度及地基处理措施等因素，选取某沿海高铁 3 个工点的桥台及台后路基作为试验段，本文以台后路基 9 m 高的某特大桥桥台（286 号台）为研究对象，从参数选取、地基处理方法、变形计算、变形监测及沉降控制效果等方面进行系统研究。1.2 工程地质概况工点范围内地层为第四系全新统人工堆积粉质黏土，冲积、海积和第四系上更新统冲洪积黏性土、淤泥、粉土、砂类土等地层。工点范围内特殊岩土主要为软土、松软土、人工填筑土。软土：主要为-41 淤泥，灰褐色，灰黑色，流塑，高压缩性。-41 淤泥为滨海相海积层，该层软土具有埋藏浅、厚度大，物理力学性质差的特点，上覆土层多为第四系冲积黏土。松软土：主要为-11 黏土及-21 粉质黏土，为第四系全新统冲积层，承载力低、压缩性高。人工填筑土主要分布在河流两侧河堤和公路路堤。各地层岩土物理力学参数，见表 1。收稿日期：2022 11 14基金项目：中铁第五勘察设计院集团有限公司科研开发课题（T5Y2014-D01）作者简介：蒋向军（1974），男，甘肃定西人。高级工程师，主要从事工程地质、岩土勘察设计、工程检测、工程项目管理等方面工作。E-mail：。蒋向军：软土地区高速铁路路桥过渡段管桩与桩帽加固施工研究 159 1.3 元件及测点布置在桥台的道砟槽四角设置 4 个水平位移测点，采用高精度水准仪进行观测；桥台承台的每个角设置 4 个沉降观测点，沉降观测点由底板、金属测杆及保护套管组成。保护管必须与桥台固定，采用膨胀螺栓加套箍的形式。测点布置见图 1、图 2。采用记忆温度型智能孔隙水压计，竖向分别在地面以下 11、22、33 m 布置，共 6 个。孔隙水压力的变化能有效地反映在路基荷载作用下台后路基下卧土的固结稳定情况。孔隙水压计沉降监测点（b）平面水平位移监测点2/31/4盐城北桥台承台2143（a）立面图1桥台测点布置 图2测点布置现场 1.4 地基加固措施台后地基采用预应力管桩（PHC-A500）加固，为 C80 混凝土，按正方形形状布置，见图 3，桩径 0.50 m，壁厚 0.10 m，桩间距 2.30 m，桩长25.00 m，桩顶现浇 C30 钢筋混凝土桩帽，尺寸1.60 m1.60 m0.35 m，桩顶帽铺设 0.5 m 碎石垫层+一层土工格栅室。桥台锥体桩基处理采用预应力管桩（PHC-A500）加固，呈梅花形式布置，桩顶设 0.50 m 碎石垫层，在碎石垫层中间设一层土工格室。钻孔桩级配碎石掺3%水泥级配碎石掺5%水泥底层场拌改良土本体场拌改良土级配碎石-11-41-21-32-23-33-33-94-14-31400020051025001290230900500盐城北观测桩路基坡脚加固范围2002000路肩线（a）台后路基管桩立面（b）台后路基及桥台锥体管桩平面图3台后路基管桩加固布置（单位：cm）表1岩土物理力学参数地层岩土状态岩土施工工程分级密度/（gcm3）黏聚力c/kPa内摩擦角/()压缩模量Es/MPa弹性模量E/MPa钻孔桩极限摩阻力/kPa岩土渗透系数/(md1)-11黏土软塑级普通土1.8316.0 5.0 3.0 6.0350.001-41淤泥流塑级普通土1.64 4.0 4.0 1.5 3.0150.000 1-21粉质黏土软塑级普通土1.8718.0 4.0 3.5 7.035-21粉质黏土软塑-硬塑级普通土1.9820.0 7.5 5.012.555-31粉土中密级普通土1.9916.0 9.0 7.518.855-32粉土中密-密实级普通土1.9913.010.0 6.015.045-33粉土中密-密实级普通土1.9811.010.0 8.020.050-23粉质黏土硬塑级普通土1.9731.612.0 6.015.055-94粉砂饱和，中密-密实 级松土2.0010.314.513.039.060-14黏土硬塑级普通土1.9835.013.0 5.516.565路基工程 160 Subgrade Engineering2023 年第 1 期（总第 226 期）1.5 台后路基施工过程为保证路基施工的连续性，过渡段与相邻路基改良土采用同步填筑。路桥过渡段处与路基采用30 cm 高、60 cm 长的台阶搭接。一个台阶施工流程内，先填筑过渡段级配碎石一层，后填筑同层改良土，压实率检测合格后，再填筑上一层级配碎石及上一层改良土，压实率检测合格后，再进行下一台阶路基施工。2 有限元分析 2.1 有限元模型桥台及其过渡段是由土、路基、台身和桩基等几种不同性质的材料组成，变形相互协调作用机理体系复杂。采用 midas GTS 有限元软件建模，模型尺寸 100 m100 m80 m（长宽高），土体、台后路基、台身、桩帽采用实体单元，桩基（工程桩、管桩）采用摩擦单元，桥台台后与路基接触部位建立界面摩擦单元，见图 4。黏土黏土淤泥粉质黏土粉质黏土粉土粉土粉土粉砂图4整体三维有限元模型 2.2 桩-土接触特性在受力条件下，由于土体与结构的变形性能相差较大，在二者的接触面上产生力学效应时，常常在土体一侧形成具有一定厚度的接触带（通常又称剪切错动带）。采用接触面单元作为这一接触带的近似模拟，建立合理的力学模型并选择合理的力学参数，模拟结构-土接触面的力学特性。相对位移-摩擦力的关系矩阵D=|kn000kt000kt|（1）三维结构的本构方程由一个方向的法向应力和两个方向的切向应力组成。=D|（2）当接触面受压时，为了模拟两边单元不在接触面处重叠，接触面法向刚度 kn值可取一个非常大的数值，一般取 1001 000 GN/m3，可使相互嵌入的位移小到忽略不计。剪切刚度模量 kt是界面单元在切线方向滑动行为的弹性模量，一般取值范围是较小相邻单元的剪切模量的 10100 倍。弹性模量和地质勘察报告提供的压缩模量间可进行转换Es=1122E（3）3 计算结果 3.1 桥台和过渡段施工期沉降为验证有限元模型中各种参数取值的合理性，首先不考虑路基，根据桩基长度、桩径、土层分布等方面，选择附近 3 个与本桥台极为接近的工点，桥墩（台）实测值与 286 号桥台的沉降计算值对比，见表 2。3 个工点桥址地层主要为软塑-硬塑粉质黏土（黏土）、流塑淤泥质土、中密-密实粉土、中密-密实的粉砂、密实的中砂，场地土类型为软弱土、中软土。上部结构均为 32 m 简支梁桥，桩长在 4042 m 之间。表2施工期桥台沉降对比mm无加固措施管桩加固附加工点实测平均值23工点指数法预测23工点双曲线法预测236.114.786.48/5.52/5.858.73/6.04/6.769.45/7.06/7.79 路桥过渡段地基无加固措施，施工期桥台理论沉降值与附近 3 个工点实测平均值的误差分别为6.1%、9.6%、4.1%，比较吻合；有限元理论值与指数法、双曲线法的预测值也吻合较好。地基采用管桩+桩帽加固后，加固效果较好，桥台沉降降低幅度达到 27.8%，主要是因为管桩之间土体上部的路基和桩帽顶部的路基沉降不一致，导致在管桩顶水平面上一定范围内路基产生应力重分布，将一部分管桩之间土体上部的路基重量传递到桩帽上。模型计算参数保持不变，且考虑路基，计算路桥过渡段的沉降值，并与理论值及实测值对比分析，见表 3。路桥过渡段地基采用管桩加固后，有限元理论值与指数法、双曲线法的预测值及实测值均较为吻合，有限元理论值与指数法的误差分别为 1.9%、7.7%、6.2%；与双曲线法的误差分别为 2.7%、10.6%、1.4%；与实测值的误差分别蒋向军：软土地区高速铁路路桥过渡段管桩与桩帽加固施工研究 161 为 8.9%、16.4%、6.6%。主要是因为管桩间土上部的路基土体和桩帽顶部土体之间的差异沉降，导致管桩顶水平面上一定范围内路基土体应力产生重分布，使得土体大主应力方向发生偏转，大致平行于相邻两桩帽之间的圆拱形连线，从而将此拱形区域内的路基土体压实，形成一个个拱状的压密壳体，将一部分管桩间土上部的路堤重量传递在桩帽上。这一现象为管桩+桩帽的土拱效应。表3路桥过渡段路基沉降计算与实测对比mm测点位置指数曲线法双曲线法计算值（管桩）实测值（地基管桩加固）左14.0813.9714.3513.08中15.0914.6316.3613.67右15.2414.5514.3513.41 3.2 桥台位移测试数据分析由于桥台刚度较大，台后路基施工垂直路基方向均匀对称，桥台测点对称布置，台后路基施工，见表 4，沿着路基竖向模拟分析 6 个施工阶段。表4台后路基填筑施工序号台后路基施工阶段1改良土施工-12改良土施工-23改良土施工-34改良土施工-45改良土施工-56水泥+碎石 桥台 4 个测点纵桥向和沉降随时间变化，见图5、图6。在高路基填筑施工中，测点1、测点2、测点 3、测点 4 位移变化趋势一致，差别较小，桥台没有发生扭转现象，且能较快趋于稳定。本文仅列出测点 1、测点 2 各工况下计算值与实测值的对比分析。4.54.03.53.02.52.01.51.00.50测量日期测点1测点4测点2测点3位移/mm-10-07-09-17-08-28-08-08-07-19-06-29-06-09-05-20-04-30-04-10-03-21-03-01-02-10-01-212016-01-01-12-022015-11-12图5桥台纵桥向水平测试位移 测点1测点4测点2测点3121086420位移/mm-07-19-06-29-06-09-50-20-04-30-04-10-03-21-03-01-02-10-01-212016-01-01-12-022015-11-12测量日期 图6桥台竖向沉降测试位移 桥台测点 1、测点 2 在有无管桩加固措施情况下与实测值的对比分析，见图 7。地基无加固措施下，桥台测点 1、测点 2 的沉降略大于加固后的，纵