水泥粉煤灰碎石桩支护引道路堤对软土地基桥台桩的影响分析

董金燕

摘要：软土地基中的桥台桩可能会受到路堤荷载引起的垂直和水平土壤移动的影响。为了限制土体的运动，采用复合桩基，往往会改善引道路堤下的软土地基，其目的是减轻高速列车通过桥梁引起的隆起。文章对水泥粉煤灰碎石桩与土工格栅联合加固的粉质黏土路基进行了一系列三维离心模型试验，分析了地基置换率（m）对路堤荷载作用下桥台桩响应的影响。同时，对不同地基置换率的桩加固地基进行了数值研究。结果表明，采用CFG桩对引道路堤地基进行加固后，桥台桩的受力性能明显提高，置换率的临界值在4.9%以上，CFG桩基础的作用是有限的。这意味着，在将桥头跳车风险降至最低的同时，优化改良地基对于具有成本效益的设计至关重要。

关键词：桥台桩;软土地基;粉煤灰

中图分类号：U443.15文献标识码：ADOI：10.13282/j.cnk..wccst.2021.01.044

文章编号：1673-4874（2021）01-0162-04

0引言

在铁路工程中，桥头引道路堤（BAE）中所谓的“桥头跳车”所带来的工程问题已成为困扰铁路长期运营安全和舒适性的难题。隆起主要是由轨道刚度突变引起的，这与结构和地基的不连续性、回填的不均匀沉降等因素有关。除此之外，软土地基上路堤的施工可能导致显著的竖向和水平土体移动[1-2]。土的运动反过来又会引起邻近桥台桩的附加应力和位移，使桩或桥梁结构可能发生不可容忍的移动甚至结构破坏。因此，研究桥台桩在引道路堤引起的土体运动下的受力性能，具有十分重要的意义[3-4]。

本文介绍了一系列离心机模型试验和三维数值模拟的结果，以了解桥台桩在改变路堤下复合桩基的替代率（m）时的行为。重点分析了桥台桩的轴向力、弯矩、接触压力和水平位移等，为优化桥头引道路堤的地基处理设计，保证高速铁路轨道的长期稳定提供了建议。

1离心机模型

1.1实验装置

在土工离心机上进行了4个离心模型试验，采用100g最大离心机，加速度为200g，有效半径为2.7m。用于离心模型试验的模型容器由铝合金制成，尺寸为800mm×600mm×600mm（长宽高）。所有离心模型试验均以80g的径向加速度进行，因此在离心模型试验期间产生的垂直有效应力分布将与尺寸>80倍的原型相同。离心模型试验如图1所示。

模型底面由一层100mm厚的软粉质黏土层组成，下面是一层250mm厚的超固结黏土层。桥台包括三排桩，长为195mm，外径为12mm。距桩排中心为37.5mm，桩排间距为40mm（见图2）。

混凝土桩帽厚32mm，与挡土墙整体采用现浇连接，与桩相比，其设计为刚性弯曲。模型路堤的前坡和侧坡的比例约为1.5：1。考虑了复合桩基的4种置换率（m=2.2%、3.1%、4.9%和8.7%）。表1、表2总结了4个离心模型试验中使用桩的参数，包括混凝土粉煤灰碎石（CFG）和桥台桩，原型比例尺上的相应值列在方括号中。

1.2土壤性质和样品制备

离心模型试验所用的土壤是从成都的一个现场试验点取样的，被称为“成都黏土”，是成都平原典型的软黏土。上部粉质黏土层由成都粉质黏土泥浆制备，下部黏土层由成都黏土泥浆制备。對于场地内粉质黏土和黏土性质相似的模型试验，以密度和含水量为主要控制参数，其次为强度指标。从现场获得的土壤样品经过风干和机械粉碎，然后通过2mm筛。其后，用去火水将风干土粉与水混合，达到所需含水量，再进行机械搅拌。黏土泥浆在真空条件下至少脱气24h。根据给定的土壤容重，可以预先确定试验所需容器内每层土壤的重量。而后，将黏土浆水平分层放置，自下而上，高度为25cm，每层填料厚度为2cm。粉质黏土以相同的方式铺设至35cm高。对重塑土样进行了固结和快速直剪试验，以确定其物理力学性质。

1.3试验程序

整地完成后，将模型容器安装在离心机平台上，初始固结阶段设置为2h，加速度为80g，以允许黏土层中多余孔隙水压力的消散，从而保持土壤沉降。然后，暂停离心机，以便在设计位置安装桩台。首次采用与桩径相同的钻机在设计桩位钻孔，直至达到设计深度，再利用液压千斤顶将预制桩台缓慢垂直安装至理想深度。这意味着，在离心模型试验中模拟的桥台桩被视为“希望就位”，旨在模拟钻孔桩。随后，CFG模型桩以给定的置换率（见表1）安装在黏土地基中，并在其上放置预制黏土路堤模型。最后，以80g的加速度运行离心机，并监测仪器化桥台桩的响应。

2数值分析

采用ltasca（2005）开发的有限差分程序FLAC3D对CFG桩支护引道路堤对桥台桩性状的影响进行了数值分析。通过对离心模型试验结果的验证，对三维数值模型进行了验证，并进行参数研究，揭示了影响桥台桩基响应的关键因素，特别强调了桩基换填率的影响，并在离心模型试验的基础上进行了数值研究。

2.1数值模型与边界条件

根据离心机模型原型的几何结构，建立了全尺寸三维数值模型（如图3所示），其中x、y和z分别表示横向、纵向和垂直方向。在数值模型中，桩与周围土的接触单元可以实现桩土的接触、滑移和离层。

模型采用的边界条件如图4所示。根据离心模型试验结果验证数值模型后，参数研究考虑了置换率（m）为8.7%、4.9%、3.1%和2.2%的四个值，以模拟不同程度的地基加固工况，分别对应CFG桩间距直径比为3、4、5和6。桥台桩被建模为厚度为2mm的桩单元。

2.2数值程序

每个数值分析遵循与离心模型试验相同的程序：

（1）在原型尺度的基础上建立地基模型的网格，将本构模型和材料特性赋予土层，建立初始边界条件，然后在自重作用下建立两层地基的初始应力状态。

（2）设置初始边界条件，然后在自重作用下，在两层土壤剖面中建立初始应力状态。