铁路交通荷载下桩承式路堤承载性状分析_刘迪.pdf
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1、DOI:10.13379/j.issn.1003-8825.202208049开放科学(资源服务)标识码(OSID)铁路交通荷载下桩承式路堤承载性状分析刘 迪(中铁十八局集团第五工程有限公司,天津300459)摘要:依托某铁路桩承式路堤工程,通过室内桩-土剪切试验,分析水泥土桩-土接触面的摩擦系数在不同界面粗糙度、水泥掺入比和土体含水率下的变化规律,得出适应不同工况的摩擦系数。采用 ABAQUS 软件,对不同车辆速度和车辆荷载作用下桩承式路堤的承载性能和路堤沉降进行研究,得出桩和桩间土的荷载分布规律及桩顶、桩间土和路面最大沉降的变化规律。关键词:铁路交通荷载;桩承式路堤;水泥土桩;承载性状;路
2、基沉降中图分类号:U213.1+1文献标志码:A文章编号:1003 8825(2023)03 0138 05 0 引言我国铁路路基设计施工等方面取得了突出成效,路堤处理加固成为相关领域需要重点研究的课题之一。在各类铁路路堤加固方案中,桩承式路堤加固方法发展迅速,可有效地提高路堤承载力,控制路堤沉降。王永洪等1 利用大型直剪仪器,研究了桩-土接触面粗糙度、土样含水率及剪切速率三个参数对桩-土接触面剪切强度的影响;成浩等2通过开展碎石土、红黏土、砂土与不同粗糙度混凝土界面的直剪实验,发现接触面粗糙程度及土体性质对剪切强度的影响较大,但不同类型的接触面的剪切破坏均符合摩尔-库仑破坏准则;何杰等3通过
3、水泥土桩-土接触面的直剪实验,探究了接触面粗糙度、水泥土桩的水泥掺入比、土样含水率、桩的养护龄期、竖向压力、剪切速率等因素与接触面剪切强度的关系;赵明华等4建立了包含桩、桩间土、水平加筋体的路堤模型,进行模型试验,通过对比车辆荷载作用下该模型试验与某工程采集的现场数据中路堤的应力分担比及路堤沉降,验证了该模型合理性;许朝阳等5采用可视化模型试验及颗粒流数值模拟,分析了静、动荷载作用下桩承式路堤桩土应力比及土拱效应;赖汉江等6建立了桩承式路堤离散元数值分析模型,采用正弦循环荷载模拟车辆荷载,得出了路堤下桩土荷载传递效率、接触力分布及路堤沉降;石志强7通过室内模型试验及有限元数值模拟,研究了静、动
4、载作用下桩承式路堤荷载传递、分配规律;朱彦博等8建立桩网结构路基有限元模型,分析了路基高度和桩间距对列车荷载作用下路基竖向动应力传递影响;梁自立等9运用 ABAQUS 有限元软件,计算分析了列车动荷载作用对桩网结构路基土拱效应影响。本文依托某铁路实际工程,通过室内水泥土桩-土剪切试验,分析诸多因素对桩-土接触面摩阻力的影响,计算出桩-土接触面的摩擦系数。通过ABAQUS 软件,研究不同车辆荷载下桩承式路堤的桩土受力特性及路堤沉降特性,并分析边坡的稳定性。1 桩-土接触面剪切试验 1.1 试验仪器采用应变控制多功能直剪仪,上盒装试验土样,下盒装水泥土试块,见图 1。图1应变控制直剪仪 1.2 试
5、样制备及试验步骤试验采用黄土状粉质黏土,天然状态下土的相关物性指标,见表 1。将现场取得的土样烘干,过2 mm 筛,分别配置含水率 14%、18%、22%、收稿日期:2022 11 30作者简介:刘迪(1989),男,辽宁阜新人。工程师,主要从事 铁 路 施 工 技 术 研 究 工 作。E-mail:。路基工程 138 Subgrade Engineering2023 年第 3 期(总第 228 期)26%的土样,每个试验土样均进行 3 次分层击实,每次击实后将表面刮毛以保证土样均匀。表1土样物性指标干重度/(kNm3)液限/%塑限/%比重塑性指数14.932.717.52.7215.2 制备
6、水泥土试块模具尺寸 190 mm170 mm47 mm,水泥掺入比分别为6%、8%、10%、12%。制备试块时利用直径 4 mm 的半圆木条,通过改变木条数量使水泥土表面产生数目不等的凹槽来表征接触面的不同粗糙度,凹槽数目分别为 5、3、1、0 个,对应界面、界面、界面、界面。共制备 16 种规格的水泥土试块,与土组成 64 组试样。将养护 14 天水泥土试块置于直剪仪下盒,在上盒分层填入土样。分别施加 50、100、200、400 kPa 的竖向应力后,施加水平力使上下盒以速率为 2 mm/min 产生相对滑移。试验中,每移动0.1 mm 自动采集一次剪应力及剪切位移,以表征桩侧摩阻力与桩土
7、相对位移。1.3 试验结果分析 1.3.1 界面粗糙度对桩-土接触面力学性能的影响选用水泥掺入比 10%,表面粗糙度分别为界面、界面、界面、界面的水泥土试块与含水率为 18%的土样进行剪切试验,得到不同接触面粗糙度下竖向应力与最大摩阻力关系曲线,见图 2。在相同的竖向应力作用下,桩-土接触面越粗糙,最大摩阻力值越大;当接触面粗糙度相同时,随着竖向应力增大,最大摩阻力相应增大。05010015020025030050100150200250300350400最大摩阻力/kPa竖向应力/kPa界面界面界面界面图2竖向应力与最大摩阻力关系 1.3.2 水泥掺入比对桩-土接触面力学性能的影响基于界面,
8、水泥掺入比分别为 6%、8%、10%、12%的水泥土试块与含水率为 18%的土样进行剪切试验。各级压力下不同水泥掺入比试块摩阻力与桩土相对位移的关系曲线形状类似,400 kPa 压力下摩阻力与桩土位移关系,见图 3。当竖向应力相同时,桩土界面摩阻力随着水泥掺入比的增大而增大。分析认为:当桩体水泥掺入量增多时,桩-土接触面处的水化反应加强,接触面处黏聚力增大;随着水泥掺入比的增大,对桩-土接触面的摩阻力的影响会越来越小,水泥掺入比存在一个最优值。04080120160200240320280510156%8%10%12%摩阻力/kPa桩土相对位移/mm图3400kPa 压力下摩阻力与桩土位移关系
9、 1.3.3 土样含水率对桩-土接触面力学性能的影响含水率分别为 14%、18%、22%、26%的土样,与粗糙度为界面,掺入比为 10%的水泥土试块进行试验。最大摩阻力与土样含水率关系曲线,见图 4。在不同竖向应力作用下,最大摩阻力均随含水率的增大呈现先增大后减小的趋势。各级应力下,最大摩阻力峰值所对应的含水率随竖向压力增大而减小。当含水率较小时,没有足够的水与水泥进行反应,桩-土间摩阻力主要由土颗粒间的摩擦力提供,故其值较小,最大摩阻力随着含水率的增大而增大。当含水率增大至一定值时,土中含有较多的自由水,在较大竖向应力作用下土中的水分被压出,在桩-土接触面处形成一层水膜,使桩与土更易产生相对
10、滑动。050100150200300250141822263050 kPa100 kPa200 kPa400 kPa最大摩阻力/kPa含水率/%图4最大摩阻力与土样含水率关系 1.3.4 桩土界面摩擦系数引入摩擦系数 表征不同接触面下桩土间的摩擦行为,为后续桩土相互作用的研究奠定基础。=(1)式中:为接触面的最大摩阻力;为竖向应力。不同竖向应力下,摩擦系数与接触面粗糙度、水泥掺入比、含水率关系曲线,见图 5。摩擦系数刘 迪:铁路交通荷载下桩承式路堤承载性状分析 139 随着接触面粗糙度的增大而增大、随着水泥掺入比的增大而增大、随着土样含水率的增大而增大。0.40.60.81.01.21.412
11、34摩擦系数界面粗糙度50 kPa100 kPa200 kPa400 kPa50 kPa100 kPa200 kPa400 kPa0.50.60.70.80.91.01.11.2681012摩擦系数水泥掺入比/%50 kPa100 kPa200 kPa400 kPa0.20.40.60.81.01.214161820222426摩擦系数含水率/%(a)摩擦系数与界面粗糙度(b)摩擦系数与水泥掺入比(c)摩擦系数与含水率图5摩擦系数与界面粗糙度、水泥掺入比、含水率关系 2 桩-土接触面力学性能数值模拟分析 2.1 建立模型 2.1.1 几何模型及参数设置某桩承式路堤剖面,见图 6,路堤填土上层为
12、改良后的同区域浅层土,下层为碎石垫层。地基土层由上至下分别为黄土状土、粉土、粉砂。路堤填土碎石垫层黄土状土粉土水泥土桩图6路堤剖面 以线路走向的中心线为轴取 1/2 路堤宽进行建模,路堤下土层进行合理简化。计算模型示意,见图 7。路堤路面宽度为 4.0 m,高度为 8.0 m(0.5 m碎石垫层),坡比为 11.5。路堤向下取土层40.0 m,依次为黄土状土 10.5 m、粉土 14.6 m、粉砂 14.4 m。沿线路走向取单排桩进行分析。水泥土桩桩长 14.0 m,间距 1.4 m,桩径 0.6 m。从左往右取 4 根桩,1 号桩、2 号桩位于路面下,3 号桩位于路面与坡面交界处,4 号桩位
13、于坡面下。图7计算模型示意 水泥土桩采用弹性模型,土体采用摩尔-库仑模型。计算参数取值,见表 2。表2计算参数取值材料厚度/m弹性模量/kPa泊松比容重/(kNm3)黏聚力/kPa内摩擦角/()填土7.53.51050.3319.023.036碎石垫层0.55.01050.3322.030黄土状土10.52.81050.2518.020.020粉土15.63.31050.2516.013.014粉砂14.43.81050.3318.63.526桩1.01080.3323.0 2.1.2 接触条件设置桩顶与碎石垫层设为绑定约束。桩周与土设为面面接触,其法向定义为“硬接触”,切向定义为摩擦接触,结
14、合摩擦试验结果,摩擦系数定为0.625。将桩周表面设为主接触面、土体设为从接触面。桩底与下卧土层未设任何接触。2.1.3 交通荷载参考文献 10,采用模拟车辆荷载F(t)=k1k2(P静+P1sin1t+P2sin2t+P3sin3t)(2)式中:k1为叠加系数,取值为 1.5;k2为分散系数,取值为 0.7;P静为车轮静载;P1、P2、P3分别为不平顺控制条件下对应某一典型值的振动荷载,计算式为 Pi=M0aii,其中 M0为簧下质量,取值为 900 kg;ai为相应于不平稳控制条件下的几何不平顺矢高,取值为 a1=9 mm、a2=0.6 mm、a3=0.005 mm;1、2、3为不同几何不
15、平顺曲线波长下的振动圆频率,计算式为 i=2v/li,其中 v 为列车的运行速度,li为几何不平顺曲线的波长,取值为 l1=10 m、l2=2 m、l3=0.05 m。2.2 结果分析 2.2.1 不同车速对路堤承载性能的影响根据式(2)计算出车辆轴重 80 t,车速分别为 80、100、120、140、160 km/h 时,车辆荷载随时间变化,对不同车速下路堤中的桩土受力特性路基工程 140 Subgrade Engineering2023 年第 3 期(总第 228 期)及路堤沉降进行模拟分析。取不同车速时的桩间土竖向应力以及桩顶轴向应力,计算路堤的桩土荷载分担比。桩土荷载分担比与速度关系
16、曲线,见图 8。桩间土体承担了约 50%的荷载,路面下 1 号、2 号桩各承担了约 15%,路面坡面交界处的 3 号桩承担了约 12%,坡面下 4 号桩承担了约 9%。桩间土的荷载分担比随着车速的增大而减小,桩的荷载分担比随着车速的增大而增大且主要是路面下 1 号、2 号桩体的分担比的增大。102030405080100120140160荷载承担比例/%速度/(kmh1)土1号桩2号桩3号桩4号桩图8桩土荷载分担比与速度关系曲线 车辆荷载作用下桩顶沉降与速度关系曲线,见图 9。桩顶沉降随着车速的增大而增大,且为线性关系;远离路堤,桩顶沉降逐渐减小。3.23.43.63.84.080100120
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