花岗岩全风化层地基沉降分析：关键技术研究及应用

2.5.2.1　计算模型及参数设定

1.海南环岛高铁计算模型及参数设定

计算断面分别为DK67＋630（未加固）、DK67＋666（水泥土搅拌桩加固）、DK67＋680（水泥土搅拌桩加固）、DK79＋065（CFG桩加固）、DK79＋399.6（CFG桩加固）。计算采用平面应变模式，模型边界设置滚动支座，横向边界固定 X 方向位移，线路纵向固定 Y 方向位移，底部边界固定 X、Y、Z 方向位移。计算过程中将桩体视为各向同性的线弹性材料，地基和路基材料采用弹塑性模型（路基采用弹性本构模型，地基土体采用莫尔-库仑模型）。计算模型见图2.5-1所示，具体计算参数见表2.5-1。

图2.5-1　海南环岛高铁模型断面

表2.5-1　各断面计算参数

2.荷载换算

路堤上部荷载包括轨道静荷载和列车换算荷载，采用换算土柱法来模拟。路基顶面以上各部分的荷载如下：

钢轨=0.606 4 × 2=1.2 kN/m；

道 砟=20 × （2.72 - 0.21）=50.2 kN/m；

轨枕及扣件=3.7×1 .667=6.7 kN/m；

轨道 荷 载 P=1.2 + 50.2 + 6.17=57.6 kN/m；

列车 换 算荷载 Q=200/1.6=125 kN/m；

路堤上 部 荷载=57.6×2+ 125=240.2 kN/m。

2.5.2.2　计算结果及分析

1.沉降-时间关系

FLAC3D有限元程序通过模拟路堤逐级分层填筑和路堤放置过程，分析计算地基的沉降变化趋势。本次计算时长500 d，各个阶段的沉降云图如下：

① DK67＋630断面（图2.5-2）。

图2.5-2　DK67＋630断面路基沉降云图（单位：m）

② DK67＋666断面（图2.5-3）。

图2.5-3　DK67＋666断面路基沉降云图（单位：m）

③ DK67＋680断面（图2.5-4）。

图2.5-4　DK67＋680断面路基沉降云图（单位：m）

④ DK79＋065断面（图2.5-5）。

图2.5-5　DK79＋065断面路基沉降云图（单位：m）

⑤ DK79＋399.6断面（图2.5-6）。(www.xing528.com)

图2.5-6　DK79＋399.6断面路基沉降云图（单位：m）

图2.5-7～图2.5-11分别为模拟各个断面的沉降-时间关系曲线。DK67＋630路基填筑期100 d路基基底中心的沉降为108 mm；路基填筑完成并放置 90 d 后，路基基底中心产生的沉降为 17 mm；施加路基上部荷载后，路基基底中心产生的工后沉降为 21.6 mm。DK67＋666路基填筑期 80 d 路基基底中心的沉降为51.9 mm；路基填筑完成并放置 90 d 后，路基基底中心产生的沉降为 11.5 mm；施加路基上部荷载后，路基基底中心产生的工后沉降为 17.7 mm。DK67＋680路基填筑期 64 d路基基底中心的沉降为39.6 mm；路基填筑完成并放置 90 d 后，路基基底中心产生的沉降为 7.9 mm；施加路基上部荷载后，路基基底中心产生的工后沉降为21.1 mm。DK79＋065 路基填筑期 154 d 路基基底中心的沉降为184.2 mm；路基填筑完成并放置 90 d后，路基基底中心产生的沉降为16.4 mm；施加路基上部荷载后，路基基底中心产生的工后沉降为 17.2 mm。DK79＋339.6路基填筑期 83 d 路基基底中心的沉降为73.5 mm；路基填筑完成并放置 90 d后，路基基底中心产生的沉降为 17.2 mm；施加路基上部荷载后，路基基底中心产生的工后沉降为29.7 mm。

图2.5-7　DK67＋630沉降与时间关系

图2.5-8　DK67＋666沉降与时间关系

图2.5-9　DK67＋680沉降与时间关系

图2.5-10　DK79＋065沉降与时间关系

图2.5-11　DK79＋399.6沉降与时间关系

以上结果表明，在填土荷载初期，沉降大致呈线性变化，随着时间的推移，填土荷载逐渐增加，路基基底中心的沉降量逐渐增大，但沉降曲线逐渐变得平缓，说明地基土在路基荷载作用下，逐渐被压缩，沉降变形速率逐渐减小，并逐渐趋于稳定。不同断面的工后沉降分别为 21.6 mm、17.7 mm、21.1 mm、17.2 mm 和29.7 mm，完全满足有砟轨道高速铁路路基工后沉降的要求，大于无砟轨道高速铁路工后沉降要求。

2.基底应力分布

各断面应力云图如图2.5-12所示。

图2.5-12　各断面应力云图

不同断面路基基底应力分布如图2.5-13所示：

图2.5-13　各断面基底应力分布

通过不同方法计算得到的路基基底中心应力如表2.5-2：

表2.5-2　各种计算方法基底中心应力对比

由上述数值计算结果可以看出，数值分析计算得到的基底中心应力值介于γH法和均布荷载法之间，与弹性土堤法和修正的基底应力计算公式所得结果比较相近，且基底应力修正所得结果比弹性土堤法稍大；数值分析法计算得到的路基基底应力在坡脚处不为零，在路肩处基底应力变化平缓。

3.附加应力衰减

海南环岛高铁花岗岩全风化地基土附加应力衰减曲线如图2.5-14所示：

图2.5-14　各断面附加应力衰减情况

由上述附加应力的数值分析结果可知，在浅层地基附加应力衰减较快，在深层地基附加应力衰减较慢，随深度的增加地基附加应力衰减速率逐渐减慢。