發布時間：2022-04-29所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘 要：以大西客運專線為研究背景，基于動力有限元數值模擬和正交試驗設計，研究了地下水位差異和不同地基條件下跨地裂縫帶高鐵路基的動力響應及 CFG樁對地基加固效果的影響，結果表明：路基動應力和加速度響應在地裂縫帶處出現較大波動，路堤中動應力沿深度方向衰減近
摘 要：以大西客運專線為研究背景，基于動力有限元數值模擬和正交試驗設計，研究了地下水位差異和不同地基條件下跨地裂縫帶高鐵路基的動力響應及 CFG樁對地基加固效果的影響，結果表明：路基動應力和加速度響應在地裂縫帶處出現較大波動，路堤中動應力沿深度方向衰減近50%，加速度衰減近70%;上、下盤地下水位差導致地基動應力和加速度幅值出現明顯差異;CFG 樁降低了路堤加速度和路基下部動應力，且動應力降低幅度要大于加速度;對于動應力，樁間距的影響最大，樁長次之，樁徑最小;對于加速度，樁間距的影響最大，樁徑次之，樁長最小;地基優化加固方案為：上盤樁間距1.2m，樁長8.0m，樁徑0.3m;下盤樁間距1.2m，樁長16m，樁徑0.6m。研究結果可為跨地裂縫帶高鐵路基設計提供參考。
關鍵詞：高速鐵路;路基;地裂縫;CFG樁;正交試驗設計;動力響應;地基加固優化
我國高速鐵路作為“中國名片”，已經取得了舉世矚目的成就，在推動我國社會經濟快速發展中起到了十分重 要 作 用。根 據 我 國 《中 長 期 鐵 路 網 規 劃》，到2030年，我國鐵路將打造“八縱八橫”的高速鐵路 網，中國高鐵總里程更是有望達到4.5萬km。然而，我國幅員遼闊，地 質 條 件 復 雜，高速鐵路建設面臨地面沉降、地裂縫、巖溶以及特殊性巖土地基等諸多地質挑戰，高速鐵路路基動力響應及加固技術成為了一個重要的課題。
CFG 樁(水泥 粉 煤 灰 碎 石 樁)復 合 地 基 因 其 優 良的力學性能在鐵路建設方面得到廣泛應用，諸多學者對 CFG 樁復合地基加固鐵路路基及路基動力響應開展了研究：王連俊等[1]通過現場載荷試驗結合數值模擬計算，對鐵路柔性基礎下 CFG 樁復合地基承載力的確定進行了研究;黃生根[2]通過現場試驗和有限元數值模擬研究了 CFG 樁復合地基樁-褥墊體系的作用;薛新華等[3]通過室內模型試驗研究了褥墊層厚度、樁長和樁間距 對 CFG 樁復合地基性狀的影響;曹 新 文等[4]通過原位試驗研究了土工格柵在 CFG 樁復合地基中的作用。在路基動力響應研究方面，李獻民等[5]基于車輛-軌道耦合計算模型研究了隧-隧過渡段路基的 動 力 不 平 順 及 路 基 動 力 響 應 的 影 響 規 律;常 利 武等[6]通過凍土路基模擬試驗裝置研究了不同動荷載頻率作用下路基周圍地表變形以及內部土壓力的變化規律;雷曉燕 等[7]建 立 列 車-軌 道-路基耦合系統動力分析模型，對軌道過渡段動力特性進行了分析。上述成果為 CFG 樁復合地基加固鐵路路基及路基動力響應的進一步深入研究奠定了基礎，但對于列車振動荷載作用下跨地裂縫帶高速鐵路路基的動力響應及 CFG樁地基加固研究卻鮮有文獻報道。
我國地裂縫地質災害較為嚴重，地裂縫分布廣泛且 十 分 發 育，多 條 高 鐵 線 路 穿 過 這 些 地 裂 縫 發 育 地區[8]，地裂縫的存在將會對我國高速鐵路的建設和未來運營帶來了安全隱患。但是到目前為止，幾乎所有跨越地裂縫帶的高速鐵路僅開展過相關的勘察工作，對于列車振動荷載作用下跨越地裂縫帶的高速鐵路路基動力穩定性及長期穩定性問題缺乏系統深入的研究。對于跨越地裂縫帶的高鐵路基 CFG 樁地基加固基本是參照以往的工程實踐來進行設計的，缺乏理論和試驗的正確指導，具有一定的盲目性，這不僅不能滿足跨地裂縫帶高鐵路基加固處理要求，還可能造成成本高和資源浪費。
基于此，本文以大西客運專線跨越山西太原盆地祁縣東觀變電站地裂縫為研究對象，通過構建動力有限元數值模型對比研究了地裂縫地段上下盤地下水位差異和天然地基及 CFG 樁復合地基條件下的高速鐵路跨越地裂縫帶路基動力響應機制;運用正交試驗設計，通過數值模型計算了多種 CFG 樁加固方案條件下的路基動力響應情況并對計算結果進行了統計分析，研究了 CFG 復合地基的樁間距、樁長和樁徑對列車振動荷載作用下跨地裂縫帶路基上下盤加固效果的影響，綜合考慮得出了最優的 CFG 樁加固方案，為列車振動荷載作用下跨地裂縫帶高速鐵路路基 CFG 樁加固處理方案及路基病害防治提供科學依據和技術指導。
1 工程背景
大西客運專線北起山西大同市，南至陜西西安市，全長859km，連接了陜西和山西兩省幾乎所有重點城市，客運專線中途跨越多處地裂縫發育區，其中東觀變電站地裂縫場地位于太原市祁縣張家堡西南約 1.2km，東觀變電站以北，地裂縫地表出露明顯，呈帶狀或串珠狀分布，以垂直位錯為主兼有水平張拉，地表位錯最大約45cm(圖1(a))。地裂縫場地的地層由粉土、粉砂互層、粉 質 黏 土、粉(砂)土 互 層 組 成(圖 1(b))。此外，勘探資料顯示地裂縫帶上、下盤穩定地下水位埋深不同，上、下盤 最 大 水 位 差 達 到 了16.13 m，且 上 盤穩定地下水位低于下盤穩定地下水位。
大西客運專線跨地裂縫帶線路為應對地裂縫活動對高鐵線路帶來的不利影響，在過地裂縫帶均采用路基通過，并進 行 CFG 樁 復 合 地 基 加 固 處 理。CFG 樁混凝土為 C15，正方形布置，路基結構見圖2。
本文以大 西 客 運 專 線 路 基 跨 地 裂 縫 帶 為 工 程 背景，重點考慮地裂縫帶上下盤地下水位埋深差異的影響，開展列車振動荷載作用下路基動力響應及 CFG 樁地基加固處理的動力有限元數值模擬，揭示跨地裂縫帶高鐵路基動力響應規律，確定 CFG 樁地基加固優化方案。
2 動力有限元模型的建立
2.1 三維動力有限元模型
三維動力有限 元 計 算 模 型 見 圖3，模 型 沿 路 基 縱向(Y 向)長100m，沿路基橫向(X 向)長60m，模型高(Z 軸向)34.9m，其中路堤高4.9m，地層深度或厚度為30 m。路 基 結 構 從 上 至 下 依 次 為 鋼 軌、扣 件 系統、軌道板、支撐層、基床表層、基床底層、路堤和褥墊層(包含土工格柵);地層結構從上到下則依次為粉土和粉砂。地基采用 CFG 樁加固處理，樁間 距S=2.0m，樁長L=20m，樁徑D=0.5m，正方形布置。地裂縫傾角α=85°，有限元動力數值計算主要考慮地裂縫與路基90°正交的工況，同時為分析 CFG 樁復合地基加固效果，計算中對天然地基和復合地基的路基動力響應的差異性及 CFG 樁復合地基加固效果進行了對比分析。
勘察資料 顯 示 地 裂 縫 上 下 盤 兩 側 存 在 地 下 水 位差。為了充分反映實際情況，在線性時程分析時通過定義網格組水位以及考慮土體飽和重度來模擬上下盤地下水位的差異和列車荷載加載時的不排水條件，上下盤地下水位埋深分別為14、5m，見圖3(b)。
2.2 材料本構模型及參數選取
三維數值計算模型中路基和地基各層均用實體單元來模 擬，采 用 Mohr-coulomb強 度 準 則;CFG 樁 采用一維梁單元模擬，在樁單元周圍建立樁-土接觸單元以模擬樁-土之間的滑移;土工格柵采用 Geogrid結構單元來模擬;地 裂 縫 作 為 一 個 軟 弱 帶 或 面 采 用Inter-face單元實現。為了模擬實際工程中列車振動荷載通過鋼軌向下部結構傳遞這一特點，數值模型中建立了鋼軌和扣件系統，鋼軌用一維梁單元建立，扣件系統用彈簧和阻尼單元實現[9-10]。主要材料的物理力學參數見表1。
2.3 動力邊界條件及其實現
動力有限元計算中需要建立人工邊界，本文采用黏彈性人工邊界，通過在模型邊界設置彈簧和阻尼元件減少振動波的反射[11]。
3 路基跨地裂縫帶動力響應分析
3.1 計算結果的提取
為了便于分析，沿路基縱向的測線位于路基正中心，以與軌道板頂面的距離 H(下文同)區分各縱向測線。由于動應力在路基中的影響范圍大于加速度[13]，因此動應力縱向測線在路堤和地基中均有布設，加速度縱向測線僅布設在路堤中。沿路基深度方向的測線位于路基正中心，上下盤各布置1條，與模型縱向邊界面的距離分別為25、75m。提取上述 測 線 數 據，分 析路基跨地裂縫帶的動力響應特征。
3.2 路基動應力響應規律
采用天然地基和 CFG 樁復合地基時，路基沿縱向方向和深度方向的動應力響應曲線見圖5。由圖5可知，路堤與地基中動應力響應幅值在上下盤基本平穩，但因上盤地下水位低于下盤，上盤動應力幅值小于下盤;在地裂縫位置附近，上盤動應力幅值減小，下盤則增大，見圖5(a)。
沿深度方向，動應力在路堤中衰減了近50%。受上下盤地下水位差異的影響，下盤動應力在上下盤地下水位面間的深度處出現了異常衰減區;受 CFG 樁的影響，復合地基動應力在樁長深度范圍內出現了異常衰減區，在樁端深度以下恢復正常衰減，見圖5(b)。
相較于天然地基，CFG 樁復合地基降低了路基下部的動應力，但導致路基差異影響深度(上盤 H =1.25m，下盤 H =0.75 m)以上路基中動應力幅值反而增大，見圖5(c)。這 可 能 是 由 CFG 樁 增 大 了 路 基 下 部的剛度，導致動應力分布情況發生改變，動應力更多的分配至路基上部所致。
3.3 路基加速度響應規律
采用天然地基和 CFG 樁復合地基時，路基沿縱向方向和深度方向的加速度響應曲線見圖6。由圖6可知，加速度響應幅值在上、下盤平穩分布，但因上盤地下水位低于下盤，上盤加速度幅值大于下盤，這與動應力變化特征剛好相反;在地裂縫位置附近，加速度幅值出現增大現象，見圖6(a)。
沿深度方向，加 速 度 在 路 堤 中 衰 減 了 近70%，加速度的衰減速度大于動應力，影響深度小于動應力。受上下盤地下水位差異的影響，下盤加速度在上下盤地下水位面間的深度處出現異常衰減區，見圖6(b)。
與天然地基相比，CFG 樁復合地基降低了上下盤路基中的 加 速 度 幅 值，加 固 了 路 基。與 動 應 力 相 比，CFG 樁復合地基僅微小幅度地減少了路基加速度幅值，并且不存在類似于動應力的 CFG 樁加固后幅值增大區，見圖6(c)。
4 CFG樁復合地基加固方案優化
列車振動荷載作用下路基動力響應與地基剛度密切相關，即與 CFG 樁 加 固 方 案、CFG 樁 樁 間 距、樁 長及樁徑等因子密切相關。本文選用正交試驗設計進行加固方案的優化分析，開展3因子4水平的正交試驗，通過極差分析確定各因子的影響程度、方差分析確定各因子對試驗結果的顯著性，直觀分析圖確定各因子水平改變對試驗的影響程度及最優加固方案。
4.1 正交試驗設計方案
以樁間距S、樁長L 和樁徑D 作為正交試驗設計的3個因子，每個因子條件下取4個水平，各因子及其水平見表2。
4.2 各因子對加固效果影響程度分析
如前所 述，CFG 樁加固后動應力 在路基上部增大，但路基上部結構強度較高，所以取路基下部 H =7.48m處測線提取結果;加速度則取幅值較大、對路基影響較大的 H =0.3m 處測線提取結果。由于在地裂縫附近動應力和加速度均有較大幅度的改變，所以取動應力和加速度平穩分布區(圖5(a)和圖6(a))的平均值作為結果進行分析，數值計算結果見表4。
(1)各因子對路基動應力影響程度極差的大小反映了各因子水平改變對試驗結果的影響程度[15]，路 基 動 應 力 影 響 因 子 極 差 分 析 見 表 5。由表可知，地裂縫上下盤樁間距和樁長的極差均大于誤差列的極差，說明本次動應力正交試驗設計是合理的;上下盤樁徑的極差均小于誤差列的極差，說明樁徑對路基動應力的影響不顯著。在本次正交試驗設計各因子水平變化梯度條件下，根據各因子極差的大小可知，在地裂縫上下盤對路基動應力的影響程度由大到小均為：樁間距S>樁長L>樁徑 D。
方差分析可以確定各因子對試驗結果影響的顯著性[15]，路基動應力影響因子方差分析見表6。由6表可知，在99%的置信度(F臨界值=9.780)下，各因子對位于地裂縫上下盤的路基動應力影響的顯著性均符合：樁間距S 非常顯著，樁長L 顯著，樁徑 D 不顯著。
(2)各因子對路基加速度影響程度路基加速度影響因子極差分析見表7。由表7可知，地裂縫上、下盤樁間距、樁長和樁徑的極差均大于誤差列的極差，說明本次加速度正交試驗設計是合理的。在本次正 交 試 驗 設 計 各 因 子 水 平 變 化 梯 度 條 件下，根據各因子極差的大小可知，在地裂縫上下盤對路基加速度的影響程度由大到小均為：樁間距S>樁徑D>樁長L。
與動 應 力 相 比，當 樁 間 距、樁 長 和 樁 徑 發 生 改 變時，加速度僅有微小幅度的變化，對各因子的改變不敏感，這導致加速度方差分析中各因子的 F 值均小于 F臨界值，故本文不再贅述。
4.3 各因子對加固效果影響直觀分析
(1)各因子對路基動應力的影響
路基動應力影響因子直觀分析圖見圖7。由圖7可知，減小樁間距最大幅度地降低了地裂縫帶上下盤路基中的動應力，因此縮小 CFG 樁樁間距可以最高效地加固跨越地裂縫帶路基;而樁長和樁徑的改變對路基動應力的影很小，可根據經濟條件和現場施工情況靈活選擇樁長和樁徑參數。
(2)各因子對路基加速度的影響
路基加速度影響因子直觀分析圖見圖8。由圖8可知，樁間距的減小及樁長和樁徑的增加均降低了上下盤路基加速度，故從路基加速度響應的角度，可以通過減小樁間距、增大樁長和樁徑來加固路基。
本文來源于：《鐵道學報》雜志是中國科學技術協會主管，中國鐵道學會主辦的綜合性學術刊物。1979年創刊，2011年由雙月刊改為月刊，國內外發行，361期刊網收錄。主要刊登鐵道運輸、鐵道機車車輛、電氣化、鐵道通信信號、信息化、鐵道工程等學科的學術論文、綜述等，注重論文的科學性與創造性。適合從事與關心軌道交通行業的科技人員、管理專家和領導干部閱讀參考
綜上所述，由于動應力對 CFG 樁各設計因子水平的改變比加速度敏感很多，因此最終的加固方案以動應力作為評價指標，結合表5和圖7，選取各因子水平條件下最小的振動幅度，即最小動應力幅值的均值，可得跨地裂縫帶路基 CFG 樁加固優化方案為：上盤取樁間距S=1.2m，樁長L=8.0m，樁徑 D=0.3m;下盤取樁間距S=1.2m，樁長L=16m，樁徑 D=0.6m。
5 結論
基于三維有限元動力數值模擬，建立路堤-地基-地裂縫帶三維地質力學模型，考慮了地裂縫帶上下盤水位差異，結合正交試驗設計、極差與方差分析，揭示了正交跨地裂縫帶路基的動力響應，探討了 CFG 樁地基加固優化方案，得出如下結論：
(1)沿路基縱向方 向，動 應 力 和 加 速 度 的 響 應 值在上下盤基本平穩，但在地裂縫位置附近，動應力在上 盤減小、下盤增大，而加速度在上下盤均增大;上盤地下水位低于下盤，導致上盤動應力幅值小于下盤，而加速度幅值大于下盤。
(2)沿路基深度方 向，動應力和加速度在路堤 中分別衰減了近50%和70%，加速度的衰減明顯大于動應力，影響深度小于動應力。天然和復合地基下盤動應力和加速度在上下盤地下水位面之間的深度處出現異常衰減區，而復合地基動應力則在樁長深度范圍內出現異常衰減區。
(3)CFG 樁復合地基減小了路基下部動應力和路基主體加速度，但差異影響深度(上盤 H =1.25m，下盤 H =0.75m)以上的動應力幅值增大;加固后動應力降低的幅度遠大于加速度，且動應力對 CFG 樁各因子水平的改變比加速度敏感很多;上下盤對動應力的影響均為：樁間距S>樁長L>樁徑D;上下盤對加速度的影響均為：樁間距S>樁徑 D>樁長L。
(4)減小樁間距可以降低地裂縫上下盤路基動應力，樁長和樁徑的改變對上下盤路基動應力的影響較小，而樁間距的減小及樁長和樁徑的增加均可以降低上下盤路基加速度;地下水位埋深上盤大于下盤時，跨地裂縫帶 CFG 樁復合地基加固優化方案為：上盤樁樁間距S=1.2m，樁長L=8.0m，樁徑 D=0.3m;下盤樁樁間距S=1.2m，樁長L=16m，樁徑 D=0.6m。——論文作者：黃強兵1，2，3， 王 濤1， 劉 悅4， 何國輝1
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