1、2014年6月 第6期(总189) 铁道工程学报 JOURNAL 0F RAILWAY ENGINEERING SOCIETY Jun 2014 NO6(Ser189) 文章编号：10062106(2014)06001806 水泥土排桩加固重载铁路路基的数值分析 刘晶磊 宋绪国2 董 捷2 叶庆志 (1西南交通大学， 成都610031；2铁道第三勘察设计院集团有限公司， 天津300251) 摘要：研究目的：随着对铁路运输能力要求的提高和重载铁路的发展，铁路机车车辆轴重增大、运量增加、速度 提高，铁路路基病害问题日益突出，因此需要探索一种在线路运营条件下路基结构的快速加固方法。本文采 用基于Mo
2、hrCoulomb的理想弹塑性模型对水泥土排桩加固重载铁路路基进行数值模拟，明确水泥土排桩对 重载铁路路基变形的控制作用、加固效果以及水泥土排桩加筋对加固重载铁路路基的影响。 研究结论：通过对水泥土排桩加固重载铁路路基的数值分析，得出以下结论：(1)路基顶面最大沉降值在 重车线路中心线处；(2)水泥土排桩能有效地控制路基面的沉降和路基坡面的水平位移，并随着水泥土排桩 排数的增加，对路基变形的约束作用越来越明显；(3)水泥土排桩加筋后明显的分散了水泥土排桩受到的拉 应力，有效地提高了水泥土排桩的整体性；(4)加筋水泥土排桩是一种有效的加固方法，可以应用于重载铁路 路基在运营条件下的快速加固。 关
3、键词：水泥土排桩；重载铁路路基；沉降；变形；数值分析 中图分类号：TU47 文献标识码：A Numerical Analysis of Reinforcing Heavy Haul Railway Subgrade by Cement Soil Piles LIU Jinglei ，SONG Xuguo ，DONG Jie ，YE Qingzhi (1Southwest Jiaotong University，Chengdu，Sichuan 610031，China；2The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation
4、，Tianjin 30025 1，China) Abstract：Research purposes：With the improved requirements of railway transport capacity and development of heavy haul railway，the axle load on rail，loading capacity and running speed have increased with result in increasingly outstanding diseases of railway subgradeSo there i
5、s a great need tO explore a rapid strengthening method of subgrade structure of heavy haul railway under operating conditionsBased O1“1 the MohrCoulomb ideal elasticplastic model with which cement soil piles to strengthen subgrade of heavy haul railway are simulated，the cement soil piles controlling
6、 effect on settlement and deformation of heavy haul railway subgrade，the strengthening effect of cement soil piles and the strengthening effect of reinforced cement soil piles have been studied in this article Research conclusions：Through the numerical analysis of reinforcing heavy haul railway subg
7、rade by cement soil piles，it is shown that：(1)The maximum settlement of subgrade surface distributed in the center of heavy vehicle line(2)The cement soil piles can control the settlement of subgrade surface and horizontal displacement of slope effectively，with increasing the number of rows of cemen
8、tsoil piles，the constraints effect on deformation of subgrade are more obvious 收稿日期：20140213 基金项目：国家科技支撑计划项目(2013BAG20BOO)；国家973计划课题(2013CB036204) 作者简介：刘晶磊，1981年出生，男，工程师。 第6期 刘晶磊宋绪国董捷等：水泥土排桩加固重载铁路路基的数值分析 l9 (3)The piles can disperse the tensile stress and enhance the entirety of cement soil piles ef
9、fectively after being reinforced(4)Using reinforced cement soil piles is an effective method for reinforcement，which can be applied to rapid reinforcement for heavy haul railway subgrade under operating conditions Key words：cement soil piles；heavy haul railway subgrade；settlement；deformation；numeric
10、al analysis 1 引言 重载铁路的发展对路基的质量和变形要求越来越 高，轴重的增加会导致路基动应力的增加，使得路基 状态进步恶化，可能诱发突然性的路基破坏，造 成灾难性的后果 J。因此，开展重载铁路运营条件下 铁路路基结构的快速加固研究具有非常重要的意义。 既有铁路路基加固的方法有多种，主要为斜向水泥土 桩法、灌浆法、基床封闭法、挤密桩法、基床换填法、土 工格室垫层法等 3 J。但适合在列车运行条件下的路 基加固，且加固效果可靠的只有斜向水泥土桩法。 由于斜向水泥土桩法可在路堤边坡上实施，不影响列 车运行，加固效果显著，从而得到了广泛应用。但是， 斜向水泥土桩法也存在不足之处，主要表
11、现在工程量 较大，施工周期较长。针对斜向水泥土桩法的不足，本 文提出了水泥土排桩加固结构，即从路堤边坡一侧水 平连续打设多根水泥土桩，水泥土排桩体中插入钢筋 或预制桩。此种方法能增强整体性结构，提高路基加 固效果，而且仅需搭设一层施工作业平台，施工工期 短，工程量小。 本文采用基于MohrCoulomb破坏准则的理想弹 塑性模型对水泥土排桩法进行数值模拟，主要研究了 在不同轴重荷载下，用水泥土排桩(未加筋)和水泥土 排桩(加筋)加固后路基的沉降变形和坡面的水平变 形，评价水泥土排桩加固路基的效果，同时为水泥土排 桩的设计提供理论上的参考。 2模型建立 路基面宽度14 m，高度10 m，单线重载
12、，受力面宽 度34 m。依据铁路路基设计规范(TB lo00l一 2005)，数值模型的计算参数以及列车和轨道荷载换 算土柱高度及分布宽度如表1表3所示。 表1路基土物理力学参数 材料 粉质黏土 EGPa 0005 泊松比 l重度 (kNm )I cMPa 042 l l77 1 0027 9 表2水泥土及所加筋的物理力学参数 (。) 259 垫堡壁 0 材料 E， a 泊松比 重度T(kNm ) c，MPa (。) 水泥土 12 025 170 08 265 水泥土所加筋 2l0 02 780 表3列车和轨道荷载换算土柱高度及分布宽度 换算土柱重度 列车荷载换算 轨道荷载换算 列车和轨道荷载
13、换算 设计轴重t 分布宽度m (kNm ) 土柱高度m 土柱高度m 土柱高度m 25 18 34 223 094 317 28 18 34 250 094 34J4 30 18 34 268 094 362 33 18 34 295 094 389 利用三维数值力学模型，进行水泥土排桩的工作 机理研究及加固效果评价，建立数值计算模型，并进行 网格划分如图1所示。 3设置水泥土排桩(未加筋)的影响分析 31计算工况 为研究设置水泥土排桩(未加筋)对路基变形的 影响，计算工况如表4所示，计算模型如图2所示。 图1计算模型网格划分 第6期 刘晶磊宋绪国董捷等：水泥土排桩加固重载铁路路基的数值分析 2
14、1 比路基未加固时降低了1810；当设置2排水泥土 排桩时，路基坡面最大水平变形降低至746 mm，比路 基未加固时降低了4253；当设置3排水泥土排桩 时，路基坡面最大水平变形降低至493 mm，比路基未 加固时降低了6202。 由上述结果分析得出，水泥土排桩在路基中与土 体形成了复合路基，相当于在土体中加入了一硬壳层， 起到了很好的应力扩散和均布荷载的作用，有效地约 束了土体的水平向位移，并随着桩排数的增多坡面的 水平变形值在显著减小，从而也降低了路基顶面的沉 降，有效地约束了路基的整体变形。 路基坡面水平位移mm 一15 1O 一5 O 5 10 一一 蓁 注： +未加固： 1O 1排水
15、泥土描 。 一2排水泥土扭 15 3排水泥土梧 I 图4路基坡面水平变形 (未加筋) (未加筋) (未加筋) 4水泥土排桩加筋的影响分析 41计算工况 与未加筋时比较，研究水泥土排桩加筋后对路基 加固的影响，所加筋均为工字钢。工字钢截面高度 100 mm，截面宽度63 mm，腹板厚度45 mm，翼缘厚度 45 mm。 42路基顶面沉降 由于不同设计轴重条件下沉降曲线规律相似，仅 给出设计轴重为33 t的计算结果。计算结果如图5和 表6所示。 表6不同设计轴重路基的最大沉降 (单位：mm) I 1排水泥 1排加筋 2排水泥 2排加筋 路基 土排桩 水泥土 土排桩 水泥土 轴重t 未加固 (未加筋
16、) 排桩 (未加筋) 排桩 25 4541 3575 3395 3023 2857 28 4908 386O 3665 3261 3078 30 5153 405l 3830 3421 3225 33 5520 4341 4092 366O 3446 从图5及表6可以得到：无论是路基未加固还是 设置1排、2排加筋或未加筋的水泥土排桩，路基顶面 的最大沉降均在中车线的中心线处。以设计轴重33 t 为例，当设置1排水泥土排桩时，路基顶面最大沉降值 为4341 mm；当设置1排加筋水泥土排桩时，路基顶 与路基中心线的水平距离m 一60 45 30 15 00 15 30 45 60 。 。 。 0
17、： 。 o (a)1排桩 加筋1 筋一 与路基中心线的水平距离m 一6045 3015 0O 15 30 45 60 。 0 - 广 7 l ： o (b)2排桩 图5路基顶面沉降曲线 筋) 面最大沉降值降低至4O92 mm，比未加筋时降低了 574；当设置2排水泥土排桩时，路基顶面最大沉降 值为3660 mm；当设置2排加筋水泥土排桩时，路基 顶面最大沉降值降低至3446 mm，比未加筋时降低了 585。可见路基设置加筋水泥土排桩与设置未加筋 的水泥土排桩相比路基顶面沉降量进一步减小，但减 小的幅度不大。 43路基坡面水平位移 本节主要从各工况对边坡水平变形情况来分析水 泥土排桩加筋对路基的
18、加固作用。各种计算工况下， 其水平变形如图6所示(设计轴重33 t)。可见水泥土 排桩和加筋水泥土排桩能够有效地控制路基边坡水平 变形。同时，两者对路基水平变形的控制差异不大，均 能够很好的对路基坡面水平变形起到约束作用。 路基坡面水平位移mm 一15 10 5 O 5 1O 一一膏一 、 5 注： 未加固： _古_1排水泥土桩l -w-1排水泥土桩1 工字钢) I (a)1排桩 未加筋) 加筋一 第6期 刘晶磊宋绪国 董捷等：水泥土排桩加固重载铁路路基的数值分析 23 8 9 谢永利，俞永华，等土工格室在处治路基不均匀沉降中 的应用研究J中国公路学报，2004(4)：710 Xie Yong
19、li，Yu Yonghua，etcApplication Study of Treating Differential Settlement of Subgrade with GeocellJChina Journal of Highway and Transport， 2004(4)：710 刘显沐注浆法及其在边坡加固工程中应用研究D 上海：同济大学，2005 Liu XianmuGrouting Method and Its Application in Slope Reinforcement Engineering ResearchD Shanghai：Tongji University
20、，2005 10王铸，宋绪国斜向水泥土桩法加固既有铁路路基施工 技术研究J铁道标准设计，2013(1)：1720 Wang Zhu，Song XuguoResearch on Construction Technology of Strengthenting the Existing Railway Subgrade by Oblique Soil Cement PileJRailway Standard Design，2013(1)：1720 (编辑曹淑荣) I，l，l l，l，l， ，ll，l，lll ，l，1)，l， ，l，lll，ll， l， l，ll，l， (上接第4页From P4
21、) 问题、但宽度及范围更大、水更深、对生态环境要求更 高的滇池来说，当有交通工程不可避免的需穿越滇池 时，采用盾构隧道方案是合适的。 4 结论 草海区域是昆明西南侧的一道天然屏障，工程地 质条件复杂，主要的工程地质问题为泥炭质土、区域性 大断裂及地震、高烈度地震区的砂土液化及软土震陷、 浅层天然气等，对工程影响较大，特别是呈多层分布的 泥炭质土性质特殊，对工程影响最大。针对存在的各 种地质问题，需采取有效的工程及结构措施进行应对。 穿越草海区域可以采用隧道方案和桥梁方案，因 桥梁方案对草海区域自然生态环境存在长期的影响等 问题而被否定，隧道方案为采用及推荐方案。隧道施 工可采用盾构施工和明挖施
22、工两种工艺，其中采用围 堰和筑岛明挖施工目前已有成功的经验和案例，采用 盾构施工也能适宜草海区域的地质条件，而且对自然 生态环境的影响最小。草海区域的地质条件与滇池相 似，同样存在上述主要工程地质问题，草海区域的工程 方案及施工工艺选择对工程穿越滇池有较好的参考和 指导作用，穿越滇池宜采用盾构隧道方案。 参考文献： 1刘伟，和佳良，杨文辉，等昆明轨道交通3号线深基坑 岩土工程勘察与评价J铁道工程学报，2012(10)： 107108 Liu Wei，He Jialiang，Yang Wenhni，etcThe Geotechnical Investigation and Evaluation
23、for Deep Foundation Pit of Kunming Light Rail Transit Line 3 JJournal of Railway Engineering Society，2012 (10)：107108 2 杨润海，张建国昆明盆地基底断裂反射地震勘探数据 处理J地震研究，2008(10)：380381 Yang Runhai，Zhang Jianguo Reflection Data Processing for Base Faulting in Kunming BasinJ Journal of Seismological Research，2008(10)：
24、380 381 3 于更新，楼海，王椿镛，等昆明市区浅部速度结构与 隐伏断裂特征J地震学报，2008(9)：501505 Yu Gengxin，Lou Hai，Wang Chunyong，etcShallow Crustal Velocity Structure and Hidden Faults of Kunming City RegionJActa Seismologica Sinica， 2008(9)：501505 4 王勇浅层储气砂土的工程效应演化特征与灾变机理研 究D武汉：中国科学院研究生院(武汉岩土力学研究 所)，2009 Wang YongStudy on Evolution
25、Characteristics of Engineering Effects and the Disaster Mechanism for Shallow Gassy SandDWuhan：Graduate University of Chinese Academy of Sciences(Wuhan Institute of Rock and Soil Mechanics)，2009 5 向道明，张敏，徐恭义昆明草海大桥桥型方案构思设 计J桥梁建设，2006(4)：2729 Xiang Daoming，Zhang Min，Xu GongyiConceptual Consideration and Design of Bridge Type for Caohai Bridge in KunmingJBridge Construction，2006(4)： 2729 6 李德宏昆明南连接线草海段方案研究J公路，2009 (5)：253254 Li DehongScheme Research on Kunming South Connect Highway Caohai SectionJHighway，2O09(5)：253 254 (编辑赵立兰)
