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软土地基处理中换填厚度的优化研究
摘要：高速铁路地基的沉降研究一直都是工程界关心的问题之一。本文结合天津蓟港铁路地基工程，提出了软地基处理的一种新方法——换填泡沫轻质土，并运用大型有限元软件ANSYS对换填泡沫轻质土地基进行模拟计算，从而得出不同换填泡沫轻质土高度下的地基沉降位移曲线。通过比较，在满足铁路规范的前提下，得到最经济合理的换填高度，对工程有实际的指导意义。
关键词：泡沫轻质土 换填厚度 沉降曲线
中图分类号：U213.1 文献标识码：A
· The Research on The Thickness of Replacing in Dealing With the Soft Foundation
LI Huan1,CHEN Lei2,AN Hai-ping2,ZHAO Zhen-jie2,LV Xiao-jie2
（1. School of Civil Engineering, Tianjin Institute of Urban Construction, Tianjin 300384；
2. China Railway Sixth Group Tianjin Railway Construction Co.,Ltd, Tianjin 300232）
Abstract：The research on the sedimentation of the foundation in high-speed railway has been one of the concerned problems in civil engineering .Based on a railway foundation project in Tianjin ,this paper puts forward a new method to deal with the soft foundation and the method is replacing the soft foundation with the lightweight foam soil .In this paper we also use ANSYS software to simulate and calculate the foundation which is replaced by the lightweight foam soil and get the sedimentation curves of the foundation under the different thickness of the lightweight foam soil. Through the comparison, we get the most economic and reasonable thickness which also meets the railway standards and it has practical guiding significance to the project.
Key words：the lightweight foam soil the thickness of replacing the sedimentation curves

0 引言
为满足高速铁路的安全性、平稳性、舒适性的要求，铺设轨道的地基应具有强度高、刚度大、稳定性和耐久性好等特点。高速铁路地基的设计比普通公路更严格，主要体现在沉降控制上。高速铁路除满足强度要求外，还要求严格控制地基的沉降，对于软土地基而言，这点显得尤为重要[1]。本文结合天津蓟港铁路北塘西至东大沽段工程，提出了一种新方法来控制软地基的沉降，即换填泡沫轻质土，并运用大型有限元软件ANSYS对换填泡沫轻质土地基进行模拟计算。首先建立了换填轻质泡沫土复合地基的沉降模型，采用弹塑性土体本构模型，使用有限单元法研究在列车荷载作用下换填泡沫混凝土复合地基的位移沉降量，并用ANSYS模拟不同厚度泡沫轻质土换填下的位移沉降量，通过比较，在符合国家规范的前提下，采用最经济合理的换填高度。
1 工程背景概况
天津蓟港铁路北塘西至东大沽扩能改造工程位于渤海湾西岸天津港附近。路线所经地区为冲海积平原，即为软土地基，在与既有线并行增建二线地段，为减少既有线变形、确保运营安全，地基采用水泥搅拌桩。桩长15m，桩径500mm，桩间距1.2m。图1为桩的布置图。

图1 水泥搅拌桩的布置图（m）
Fig.1 the arrangement diagram of the cement stirring stake
但是，在中心里程DK62+488.87处下穿一条中航油输油管道，管径Φ329.9mm，与新建线夹角60°，埋深约13m（见图1）。此处路基填高仅有1m，原设计基底处理为采用1-4m钢筋混凝土盖板箱涵，基础为钻孔桩基础。为确保钻孔桩施工不影响管线安全，施工前需准确定位管线的位置。由于受周边高压线干扰，无法使用探测设备探测出管线准确位置，因此我们采用换填方式加固地基基础。本段路基基底淤泥质土深厚，采用传统换填方式工后沉降很大，不能保证管线的安全，所以该工程决定采用新型材料泡沫轻质土换填，利用泡沫轻质土的轻质性、高强性、高流动性等特点来增加路基稳定性，进而保证中航油管道的安全。换填泡沫混凝土的平面图和剖面图分别见图2和图3。

图2 换填泡沫混凝土的平面图（m） 图3 换填泡沫混凝土的剖面图 (m)
Fig.2 the ichnography of the foam concrete Fig.3 the profile map of the foam concrete
现浇泡沫轻质土是工程中近年开发的一种新型轻质材料，它是用物理方法将发泡剂水溶液制备成泡沫，与水泥胶凝材料、水、外加剂按照一定的比例混合搅拌，并经物理化学作用硬化形成的一种轻质材料。它具有轻质性、密度和强度可调节性、高流动性、直立性、施工便捷、等特性。目前泡沫混凝土的主要应用领域有：软地基处理、建筑屋面保温、管道沟填充、地坑回填等。该方法施工简单便捷，具有独特的技术经济优势，具有广阔的应用前景[2]。
2 有限元模型的建立
2.1 有限元分析的简化处理
为了在有限元分析中使问题简化又能反映问题的主要特征，做以下几点假设：（1）假设泡沫轻质土是线弹性的，即符合广义胡克定律。（2）假设土是理想弹塑的，弹塑性模型能较好地反映土的非线性特征。（3）假设土和泡沫轻质土各项同性，都是均质的（4）不考虑土体的初始应力状态和施工所引起的初始位移场和初始应力场[3]。
2.2 土体的本构模型——Drucker-Prager模型
土属于颗粒状材料，受剪时颗粒会膨胀，而且土体的受拉屈服强度远小于受压屈服强度，所以，平时常用的VonMises屈服准则已经不适用了。土力学中常用的屈服准则有Mahr一oculomb准则和Durkcer一Prgaer屈服准则。其中Durkcer一Prgaer屈服准则能更准确地描述土体，简称为DP材料。本文采用基于弹塑性增量理论的本构模型——Drucker-Prager模型来模拟土体。在土壤的有限元分析中，采用DP材料可得到较为精确的结果。
D-P模型是在考虑静水压力的广义Mises屈服准则或D-P屈服准则的基础上建立起来的，因此也称广义Mises模型。它是对Mahr-coulomb准则的近似，用来修正VonMises屈服准则。它的屈服面并不随材料的屈服而改变，因而没有强化准则，但它的屈服强度却随着侧限压力（静水压力）的增加而相应增加，其塑性行为被假定为理想弹塑性。在ANSYS软件DP材料选项的数据表中，要输入3个值：粘聚力C、内摩擦角Ф、膨胀角，其中膨胀角是用来控制体积膨胀的大小的。如果膨胀角为0，则不会发生体积膨胀；如果膨胀角等于内摩擦角，在材料中则会发生严重的体积膨胀[3]。土体的屈服准则采用D-P屈服准则，它的数学表达式为：
（1）
（2）
其中：——为材料常数，；——为平均应力或静水压力，；{S}——为偏应力；[M]——为Mises屈服准则中的[M]。
最后屈服准则的表达式为：
（3）
对于DP材料，当材料参数和给定后，屈服面为一圆锥面，次圆锥面是六角形的摩尔-库仑屈服面的外切锥面。
2.3 本工程中材料的选择及所用参数
地质条件如下：第一层：粉质粘土，黄褐色，软塑；第二层：黏土，黄褐色，软塑；第三层：淤泥粉质粘土，褐灰色，流塑；第四层：粉土，灰色，潮湿，中密；第五层：淤泥粉质粘土，褐灰色，流塑；第六层：粉土，灰色，潮湿，中密。表1给出了不同土层的材料参数；
表1不同土层的材料参数
Table.1 Table of material parameters of the different soil horizon

高度
h（m）
重度
r（KN/m3）
粘聚力
c(KPa）
内摩擦角
Ф（°）
弹性模量
E(MPa)
泊松比
ν
1层
0-3
19.8
30.2
13
4.5
0.35
2层
0-4.2
19.2
33.3
10.6
3.5
0.42
3层
2.5-7
18.4
13.8
5.9
3
0.35
4层
0.5-1
17.9
13.2
4
4
0.25
5层
1.5-10
18.7
20
7.1
3
0.35
6层

17.9
13.2
4
4
0.25

泡沫轻质土：根据实验的泡沫混凝土试件（100×100×100）在标准条件下养护得到的抗压强度值是1.8N/mm2，根据相关公式可得泡沫混凝土的弹性模量E=4.45GP。列车荷载：采用铁路中荷载，将荷载转化为面荷载加在模型上。
2.4 建立模型
土体和泡沫混凝土都用SOLID45实体单元模拟，此单元用于仿真3D实体结构，该单元由8个节点组合而成，具有塑性、膨胀、应力强化、大变形和大应变的特征，单元变形满足几何连续性。网格划分时在应力相对集中的地方相对划的较细，在靠近边界的地方网格划得相对较粗，形成单元划分由细到粗过度的网格形状。除了上表面外，其它的几个边界面都要约束：下表面为固定约束，周围四个面要约束水平面上两个方向的位移，使其可以上下移动，即在周边取竖向滑动支座。模型及网格划分见图4。

图4 模型及网格划分
Fig.4 model and gridding
3 计算结果与分析
在列车荷载作用下,为了研究换填泡沫轻质土复合地基在不同的换填高度下位移沉降量的变化情况,对不同换填高度的计算模型进行了有限元计算。图5至图12表示复合地基在0.5m、1m、2m、2.5m、3m、4m、5m、7m、8种不同换填高度下的位移沉降变化曲线。

图5 换填厚度为0.5米时的地基沉降曲线 图6 换填厚度为1米时的地基沉降曲线
Fig.5 the sedimentation curves of the foundation Fig.6 the sedimentation curves of the foundation
with 0.5m replacing thickness with 1m replacing thickness

图7 换填厚度为2米时的地基沉降曲线 图8 换填厚度为2.5米时的地基沉降曲线
Fig.7 the sedimentation curves of the foundation Fig.8 the sedimentation curves of the foundation
with 2m replacing thickness with 2.5m replacing thickness

图9 换填厚度为3米时的地基沉降曲线 图10 换填厚度为4米时的地基沉降曲线
Fig.9 the sedimentation curves of the foundation Fig.10 the sedimentation curves of the foundation
with 3m replacing thickness with 4m replacing thickness

图11 换填厚度为5米时的地基沉降曲线 图12 换填厚度为7米时的沉降曲线
Fig.11 the sedimentation curves of the foundation Fig.12 the sedimentation curves of the foundation
with 5m replacing thickness with 7m replacing thickness
从图5到图12可以看出：当泡沫混凝土的换填高度为0.5、1、2、3时，位移沉降量从2.113cm下降到1.370cm，沉降变化很大，而当换填高度大于3m时（从3m到7m），位移沉降量几乎保持不变，都约为1.3cm，即泡沫混凝土的高度增加4m，位移沉降只减少了0.05cm。从经济角度考虑，泡沫混凝土的换填高度取3m即可。
4 结论
（1）根据《京沪高速铁路设计暂行规定》(修订版)，高速铁路的路基沉降标准为一般地段不超过5cm(无碴轨道为2cm)，桥路过渡段不超过3cm(无碴轨道为2cm)[4]。因此，天津蓟港铁路泡沫混凝土换填高度取3m的地基沉降是满足国家规范的，而且，通过上面的沉降位移曲线可知，换填高度为3m时位移沉降已基本稳定，所以，从经济角度考虑，取3m也是最合适的。
（2）轻质泡沫混凝土作为一种换填材料，在软地基处理中的应用是非常好的，施工简单，经济效益也比较高。
（3）借助有限元理论，用ANSYS软件可以计算高速铁路地基的沉降量，并能得到比较精确的符合工程实际结果，这说明用ANSYS软件计算高速铁路地基的沉降量完全可行，本论文中，建立的高速铁路地基模型与实际情况有很好的相似性，接近工程实际情况。
参考文献：
[1]卿三惠.红层软岩地区高速铁路软基路堤沉降控制研究[D]. 成都理工大学，2007.
[2]张烨，尚瑞娟.泡沫混凝土在我国的应用[J].Henan Building Materials, 2011, (3):140.
[3]王月梅.桩基础承载性状ANSYS分析[J].工程建设与设计, 2005, (4) :8-5.
[4]安少波.高速铁路路基沉降测试与分析[D]. 中南大学，2009.
[5]刘金升.高速铁路高路堤稳定性分析及工后沉降预测[D]. 西南交通大学，2005.
[6]肖桃李.高速公路软土地基沉降分析及工后沉降预测[D]. 武汉理工大学，2007.
[7]李军伟.泡沫混凝土的研究和应用进展[J].上海建材, 2010, (1)：27-28.