摘要:對(duì)于高速鐵路和客運(yùn)專線,路基強(qiáng)度、穩(wěn)定性和沉降變形問(wèn)題至關(guān)重要。樁板結(jié)構(gòu)作為一種新型的高速鐵路松軟土路基處理結(jié)構(gòu)形式,具有多方面優(yōu)點(diǎn)。其不但強(qiáng)度較高、剛度較大,而且施工穩(wěn)定性好、沉降變形控制效果好,國(guó)內(nèi)外均廣泛應(yīng)用。本文對(duì)埋入式樁板結(jié)構(gòu)路基的沉降變形、結(jié)構(gòu)受力特性進(jìn)行了分析。在此基礎(chǔ)上考慮了樁長(zhǎng)、樁體縱向間距、樁徑、承臺(tái)板厚度等因素對(duì)埋入式樁板結(jié)構(gòu)路基沉降與結(jié)構(gòu)受力的影響進(jìn)行了研究。
關(guān)鍵詞:樁板結(jié)構(gòu);路基沉降;影響因素;
1.國(guó)內(nèi)外樁板結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展
目前,對(duì)樁板結(jié)構(gòu)路基的研究主要集中在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、受力特性、沉降計(jì)算、動(dòng)力特性、溫度效應(yīng)等方面。研究方法主要有理論分析計(jì)算法、有限元仿真計(jì)算、模型試驗(yàn)研究、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究等。對(duì)于高速鐵路路基,沉降控制是路基工程的重點(diǎn)內(nèi)容。樁板結(jié)構(gòu)路基沉降計(jì)算是樁板結(jié)構(gòu)路基研究的重要內(nèi)容。
2樁板結(jié)構(gòu)路基受力沉降影響因素
2.1樁板結(jié)構(gòu)路基參數(shù)
通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)得到6%水泥改良土粘聚力為50kPa,內(nèi)摩擦角為30°,由式得6%水泥改良土與樁界面的摩擦角δ為20°,摩擦系數(shù)μ=0.36。素土擠密樁復(fù)合地基與樁界面的摩擦角δ為19°,摩擦系數(shù)μ=0.34。
2.2荷載情況
因?yàn)闃栋褰Y(jié)構(gòu)路基的沉降主要是由上部豎向荷載引起的,因此對(duì)路基模型荷載的施加只考慮豎向荷載作用。根據(jù)考慮列車活載豎向動(dòng)力作用時(shí),列車豎向活載等于列車豎向靜載乘以動(dòng)力系數(shù)(1+μ)。樁板結(jié)構(gòu)跨度分別為5m、6m、7m、8m,跨數(shù)n大于等于5,動(dòng)力系數(shù)(1+μ)等于1.33。軌道及列車荷載的施加根據(jù)《高速鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行取值。
2.3地應(yīng)力平衡
對(duì)于復(fù)雜的接觸模型,需要對(duì)土體進(jìn)行地應(yīng)力平衡,沒(méi)有地應(yīng)力平衡會(huì)導(dǎo)致模型單元在自重作用下產(chǎn)生嚴(yán)重變形,導(dǎo)致塑性計(jì)算無(wú)法實(shí)現(xiàn)。在地應(yīng)力平衡后,對(duì)路基施加鋪軌工程開(kāi)始后所受荷載所得沉降量即為工后沉降。
建立兩個(gè)Part對(duì)土體模型進(jìn)行地應(yīng)力平衡,分別得到應(yīng)力文件后,導(dǎo)入計(jì)算模型,對(duì)路基結(jié)構(gòu)進(jìn)行地應(yīng)力平衡。然后對(duì)計(jì)算模型施加承臺(tái)板、軌道及其附屬結(jié)構(gòu)、行車荷載等,對(duì)路基有限元模型進(jìn)行計(jì)算。
3樁板結(jié)構(gòu)路基設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)路基受力變形的影響
3.1承臺(tái)板厚度對(duì)路基受力變形的影響
3.1.1承臺(tái)板厚度對(duì)路基工后沉降的影響
分別將承臺(tái)板板厚調(diào)整為0.6m、0.7m、0.8m、0.9m,對(duì)樁板結(jié)構(gòu)路基施
加重力荷載進(jìn)行地應(yīng)力平衡后,將路基所受豎向荷載根據(jù)施工情況分別施加于路基表面,對(duì)路基結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元計(jì)算。各工況下路基沉降量見(jiàn)表。
從表中可看出,隨著荷載的施加,路基沉降量逐漸增大。板厚為0.9m時(shí)路基總沉降為52.1mm,板厚為0.6m時(shí)路基總沉降量為54.9mm,增大板厚并沒(méi)有減小路基沉降量。樁板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)中的承臺(tái)板厚度不是路基沉降的主要影響參數(shù)。工況3與工況4路基沉降差值為工后沉降量。
3.1.2樁長(zhǎng)對(duì)路基受力變形的影響
關(guān)于樁長(zhǎng)對(duì)路基工后沉降的影響:對(duì)樁板結(jié)構(gòu)路基施加重力荷載進(jìn)行地應(yīng)力平衡,將路基所受豎向荷載根據(jù)施工情況分別施加于路基表面對(duì)路基結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元計(jì)算。可得出結(jié)論:增大樁長(zhǎng)能明顯減小路基沉降量。樁長(zhǎng)增加,加固區(qū)高度增加,下臥層頂面高度降低,加固區(qū)范圍內(nèi)的平均單位厚度土體的壓縮量降低的同時(shí),下臥層頂面沉降減小。
3.1.3關(guān)于樁長(zhǎng)對(duì)樁土荷載分擔(dān)的影響
樁長(zhǎng)較小時(shí),樁頂不會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)力。樁長(zhǎng)越長(zhǎng),樁頂最大拉壓應(yīng)力越大,應(yīng)力集中現(xiàn)象越明顯。這是因?yàn)椋龃髽堕L(zhǎng),樁體分擔(dān)的荷載越大,樁土應(yīng)力比越大,樁土沉降差大,樁頂彎矩值大,應(yīng)力集中現(xiàn)象越明顯。不同樁長(zhǎng)時(shí)承臺(tái)板下樁土最大壓應(yīng)力值。隨著樁長(zhǎng)增加,樁頂最大壓應(yīng)力增大,土體最大壓應(yīng)力值逐漸減小,但變化不明顯。樁體所受豎向壓應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于土體壓應(yīng)力。
3.2樁徑對(duì)路基受力變形的影響
3.2.1樁徑對(duì)路基工后沉降的影響
對(duì)樁板結(jié)構(gòu)路基施加重力荷載進(jìn)行地應(yīng)力平衡后,將路基所受豎向荷載根據(jù)施工情況分別施加于路基表面,對(duì)路基結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元計(jì)算。增大樁徑,路基工后沉降量逐漸減小,但樁徑越大,樁徑的增加對(duì)路基工后沉降的減小量越小。
3.2.2樁徑對(duì)樁土荷載分擔(dān)的影響
不同樁徑時(shí)承臺(tái)板下樁土最大壓應(yīng)力值,樁體所受豎向壓應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于土體壓應(yīng)力。樁土最大壓應(yīng)力隨樁徑的變化規(guī)律:隨著樁徑的增加,樁頂最大壓應(yīng)力明顯減小,土體最大壓應(yīng)力值有減小的趨勢(shì),但變化不明顯。增大樁徑,樁體承擔(dān)的荷載增大。不同樁徑參數(shù)下,樁體最大壓應(yīng)力隨樁深變化規(guī)律。從得出:隨著樁徑的增加,樁頂最大壓應(yīng)力明顯減小,樁體承擔(dān)的荷載增大,樁土應(yīng)力比增大;對(duì)于不同樁徑的樁體,樁身最大壓應(yīng)力隨樁深的變化規(guī)律大體相同,隨樁深的增加樁身最大壓應(yīng)力逐漸變小。
3.3縱向樁間距對(duì)路基沉降受力的影響
分別將縱向樁間距設(shè)置為:5m、6m、7m、8m,對(duì)樁板結(jié)構(gòu)路基施加重
力荷載進(jìn)行地應(yīng)力平衡后,將路基所受豎向荷載根據(jù)施工情況分別施加于路基表面,對(duì)路基結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元計(jì)算。路基沉降量隨荷載施加的變化規(guī)律:隨著縱向樁間距的增大,路基沉降量逐漸增大。減小縱向樁間距能有效減小路基工后沉降量。
總結(jié)
通過(guò)進(jìn)行樁板結(jié)構(gòu)路基有限元計(jì)算。得到以下結(jié)論:
。1)各承臺(tái)板厚度參數(shù)下路基沉降量隨荷載施加逐漸增大。增大板厚并沒(méi)有減小路基沉降量。樁板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)中的承臺(tái)板板厚不是路基沉降的主要影響參數(shù)。(2)不同板厚情況下,承臺(tái)板與樁連接處均會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象,最大拉應(yīng)力多出現(xiàn)在承臺(tái)板上邊緣與樁連接處,最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在承臺(tái)板下邊緣與樁連接處。增大樁板結(jié)構(gòu)板厚能降低承臺(tái)板內(nèi)力,對(duì)樁板結(jié)構(gòu)具有改善內(nèi)力的作用,但板厚過(guò)大,工程造價(jià)較高。承臺(tái)板厚度的選擇應(yīng)結(jié)合結(jié)構(gòu)受力與工程經(jīng)濟(jì)性綜合考慮。(3)增大樁長(zhǎng)能明顯減小路基沉降量。樁長(zhǎng)增加,加固區(qū)高度增加,下臥層頂面高度降低,加固區(qū)范圍內(nèi)的平均單位厚度土體的壓縮量降低的同時(shí),下臥層頂面沉降減小。(4)增大樁長(zhǎng)能有效減小路基工后沉降量。(5)樁長(zhǎng)較小時(shí),樁頂不會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)力。樁長(zhǎng)越長(zhǎng),樁頂最大拉壓應(yīng)力越大,土體最大壓應(yīng)力值逐漸減小,應(yīng)力集中現(xiàn)象越明顯。這是因?yàn)椋龃髽堕L(zhǎng),樁體分擔(dān)的荷載越大,樁土應(yīng)力比越大,樁土沉降差大,樁頂彎矩值大,應(yīng)力集中現(xiàn)象越明顯。(6)增大樁徑對(duì)減小路基總沉降的作用不明顯。增大樁徑,能減小路基工后沉降量,但樁徑越大,樁徑的增加對(duì)路基工后沉降的減小量越小。(7)樁徑增加,樁頂最大壓應(yīng)力明顯減小,但樁體承擔(dān)的總荷載增大。對(duì)于不同樁徑的樁體,樁身最大壓應(yīng)力隨樁深的變化規(guī)律大體相同,隨樁深的增加樁身最大壓應(yīng)力逐漸變小。增大樁徑對(duì)改善樁體受力效果不明顯。
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