关键词：铁路；软土路基；挤密螺纹桩；MIDAS/GTS
1引言
随着“西部大开发”和“可持续发展”战略的实施，我国的铁路建设事业得到空前的发展，高速铁路建设己经成为我国近期工程建设的重要部分。其中西南山区拟建、在建的高速铁路有贵州—广州、成都—重庆、兰州—重庆、成都—贵阳、成都—西安以及成绵乐城际高速铁路等。然而在高速发展的过程中，也伴随着许多困难和问题。其中，高速铁路路基稳定问题就始终威胁着铁路的建设和运营安全，给铁路的建设以及安全运营造成严重的影响。
对于软土地基的处理，国内外已有很多研究，也提出了许多解决方法，每种方法都各有利弊，其中以往常见得水泥土搅拌桩因侧摩阻力大，桩身强度低，使其应用受到一定的局限性，而目前常见的低强度混凝土桩（CFG桩），由于桩身呈单一柱状，桩身侧摩表面积受到一定得限制，尽管桩身强度较大，但土体摩擦力不够，使其桩身混凝土不能充分发挥作用，在实际运用中也会受到一定的局限性，而变截面挤密螺纹桩可改变的桩体的结构，可根据工程实践和受力分析，将桩身设计为螺纹变截面，既能提高桩承载力，减少桩体和复合地基的沉降率，又能降低工程造价，被人们广泛认可[1-4]。本文在前人研究的基础上运用有限元软件并结合成昆铁路峨眉至米易段实际情况，分别从桩体自身条件和外在因素两个方面模拟分析其对变截面挤密螺纹桩沉降变形的影响[5-9]，总结不同因素对复合地基沉降的作用规律，可以将其在工程设计中和具体施工中予以充分的考虑[10-15]。
2 模型建立
2.1基本假设
为简化沉降计算，这里对土层等条件作以下基本假定：
1）地基土为均质、连续、各向同性的半无限弹性体；
2）地基土的泊松比和压缩模量等参数并不因桩的存在而改变；
3）桩侧只考虑桩周土体的竖向侧摩阻力，桩端只考虑持力层的竖向抗力；
4）地基土的沉降仅与竖向应力有关。
2.2 模型建立
结合西南地区常见地质条件下铁路工程路基形式，群桩模型地基边长、宽、高分别取7.5m×7.5m×9.0m。地基设置成三层：上部为褥垫层及加固区上部土层高度1.0m、中部为地基加固区，厚度为7m，下部为下卧基岩层，厚度为1.0m。垫层为0.6m厚的碎石垫层，桩净直径500mm，外径（计算螺纹）为600mm，螺纹间距300mm。模型中材料参数见表1。模型中16根基桩居中，桩间距取3倍螺纹桩外径为1.8m，变截面挤密螺纹桩加固地基如图1所示，单桩模型如图2所示，群桩模型如图3所示。
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图2 变截面挤密螺纹桩 图3 群桩模型
Fig.2 Variable section compacted threaded pile Fig.3 Group pile model
3 桩体自身条件对沉降变形的影响分析
3.1 桩径对沉降变形的影响
在其他条件不变的情况下，只改变桩身直径。桩身直径分别取300 mm，400 mm，500 mm和600 mm进行计算。不同桩径情况下变截面螺纹桩复合地基沉降曲线如图4所示。
由图可知，当桩径逐渐增加时，变截面螺纹桩复合地基的沉降会逐渐减小，并且增速趋于缓慢。在上部荷载不变的情况下，随着桩径逐渐增大，复合地基的置换率也会逐渐增大，变截面螺纹桩承担的荷载越来越大，桩间土承担的载荷逐渐减小，桩间土的变形也逐渐变小，由于桩体的刚度远大于土体，因此复合地基的沉降逐渐减小。
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图4 不同桩径情况下变截面螺纹桩复合地基沉降曲线
Fig.4 Subsidence curve of composite foundation with variable section thread pile under different pile diameter
3.2 桩长对桩体沉降的影响
保持单桩的基本模型不变，改变变截面螺纹桩桩长，桩长分别取5m，7m，10m，12m和15m进行计算，得到的沉降结果如图5所示。
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图5 桩长对桩顶沉降影响曲线
Fig.5 Effect of pile length on pile top settlement
从上图可知，随着桩长增大，变截面螺纹桩沉降逐渐减小，说明加长桩身长度有利于降低地基的沉降变形。当变截面螺纹桩桩长小于10m时，桩长对沉降变形影响较明显，而长度大于10m后，桩长的变化对沉降影响变得不是很明显，说明当变截面螺纹桩的桩长达到一定长度后，采用增加桩长来减小沉降的作用已不明显。
3.3 螺纹间距对桩体沉降的影响
在保持其它条件不变的前提下，只改变群桩中基桩螺纹间距大小。螺纹间距分别取200mm，300mm，400mm，500mm进行计算。不同螺纹间距情况下复合地基沉降曲线如图6所示。
由图可知，随着螺纹间距的增加，变截面螺纹桩复合地基的沉降逐渐增大，但是增大的幅度很小，说明复合地基中，变截面螺纹桩的螺纹间距变化对复合地基整体影响不是很显著。在实际工程中，螺纹间距的设计直接影响桩的材料用量，螺纹间距越小混凝土用量越多，螺纹间距越大混凝土用量随之减少，因此可在满足沉降条件下适当增大螺纹间距。
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图6 不同螺纹间距情况下变截面螺纹桩复合地基沉降曲线
Fig.6 Subsidence curve of composite foundation with variable section thread pile under different thread spacing
3.4 桩间距对桩体沉降的影响
在保持其它条件不变的前提下，只改变桩间距大小。桩间距分别取3倍桩径、4倍桩径、5倍桩径进行计算。不同桩间距情况下变截面螺纹桩复合地基沉降曲线如图7所示。
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图7 不同桩间距情况下变截面螺纹桩复合地基沉降曲线
Fig.7 Subsidence curve of composite foundation with variable section threaded pile under different pile spacing
由上图可知，桩间距的变化对变截面螺纹桩复合地基的沉降影响比较明显。当桩间距增大，复合地基的置换率减小，土体所承担的荷载比例增大，复合地基的沉降就不断增加。桩间距较小时（小于四倍桩径），沉降随桩间距变化幅度比较显著，桩间距比较大时（大于四倍桩径），沉降随桩间距变化的幅度有所减缓。
当桩间距减小，复合地基的置换率增大，当置换率大到一定程度时，桩体就承担了绝大部分荷载，桩间土体的承载力得不到充分的发挥，此时减小桩间距对复合地基的沉降减小效果也不不明显；当桩间距增加，置换率减小到一定程度时，桩间土体就承担了绝大部分荷载，桩间距变化对复合地基沉降的影响也会开始减弱。因此，在复合地基中，桩间距变化对复合地基的沉降影响效果在一定范围内效果比较显著。
4 外部因素对沉降变形的影响分析
4.1 地层特性对桩体沉降的影响
在保持其它条件不变的前提下，只改变加固区土层模量大小。土层模量分别取20MPa，16MPa，12MPa，8MPa进行计算，地基沉降曲线如图8所示。
由图可知，随着加固区土体模量逐渐增加，变截面螺纹桩复合地基的沉降量会随之逐渐减小。这是由于随着桩间土模量的增大，复合地基加固层土体的承载能力逐渐提高，使得整个复合地基加固层的沉降减小。土层模量在较小的范围内变化时，随着土层模量的增加，变截面螺纹桩复合地基沉降减小的幅度较大；当土层模量较大时，当土层模量增加到一定值时，沉降减小的幅度逐渐减小。在实际工程中，虽然不能选择土层的模量，但可以通过换填、压实等措施来提高土的力学性能，从而减小复合地基的沉降。
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图8 不同加固区土层模量情况下变截面螺纹桩复合地基沉降曲线
Fig.8 Subsidence curve of composite foundation with variable section threaded pile under the condition of soil modulus in different reinforced areas
4.2 褥垫层厚度及模量对桩体沉降的影响
在保持其它条件不变的前提下改变褥垫层模量的大小。褥垫层模量分别取200MPa，400MPa，600MPa，800MPa进行计算，得到的沉降结果如图9所示。
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图9 不同垫层模量情况下变截面螺纹桩复合地基沉降曲线
Fig.9 Subsidence curve of composite foundation with variable section thread pile under different modulus of cushion
由图可知，褥垫层模量对变截面螺纹桩复合地基沉降具有较显著的影响，随着褥垫层模量的增大，复合地基总沉降及桩土差异沉降均在减小。这是因为随着褥垫层模量的增加，桩土应力比变大，荷载不断向桩体集中，土体承担的荷载减小，相应的土体的沉降也随之减小，基桩桩顶和土体的沉降差也减小。当褥垫层模量小于600MPa，桩土应力比变化速率比较大，沉降减小的速率也较大；褥垫层模量大于600MPa时，桩土应力比和沉降变化都趋于平缓。这是由于当褥垫层模量太小时，桩体上增量比较大，垫层不能有效的将荷载传递给桩，桩的承载力就得不到充分的发挥。当褥垫层模量很大即与刚性承台的模量相等时，此时就相当于普通桩基，褥垫层也不能有效的调整荷载分担，桩间土体的承载力就得不到充分的发挥。因此必须选择合适的褥垫层模量，让桩体和土体的承载力都得到充分的发挥。
5 结论
1）随着变截面螺纹桩桩径的逐渐增加，复合地基的沉降会逐渐减小，并且增速趋于缓慢；当桩长小于10m时，随着桩长增大，沉降减小较明显，当桩长达到一定长度后，桩长的改变对减小沉降的作用不再明显；螺纹间距的变化对复合地基的沉降影响不是很显著；桩间距变化对复合地基的沉降影响效果在一定范围内效果比较显著。
2）随着加固区土层模量的增加，变截面螺纹桩复合地基的沉降逐渐减小。褥垫层厚度的变化对变截面螺纹桩复合地基总沉降及桩土差异沉降均无明显的影响。而褥垫层模量的增大，会使得变截面螺纹桩复合地基总沉降及桩土差异沉降均发生减小，同时当模量增大到一定程度时，对沉降的影响则不再明显。
3）在实际工程中可以采取在一定范围内适当增加桩长和桩径，同时减少桩间距来减少复合地基的沉降，可在满足沉降条件下，适当增大螺纹间距，减少桩身材料用量。另外，适当的增加褥垫层模量，使桩体和土体的承载力都得到充分发挥，通过换填、压实等措施来提高土的力学性能，这些方法都可以减小复合地基的沉降。
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论文作者:谷文军
论文发表刊物:《建筑实践》2019年第23期
论文发表时间:2020/4/13
标签：地基论文; 螺纹论文; 截面论文; 间距论文; 褥垫论文; 土层论文; 荷载论文; 《建筑实践》2019年第23期论文;