京滬高速鐵路CFG樁復(fù)合地基沉降性狀分析

陳 鼎，崔紅琴，屈海軍，雷金山

(1.中南大學(xué) 土木建筑學(xué)院，長沙 410075;2.中鐵十二局集團(tuán) 七公司，長沙 410074)

京滬高速鐵路CFG樁復(fù)合地基沉降性狀分析

陳 鼎1，崔紅琴2，屈海軍2，雷金山1

(1.中南大學(xué) 土木建筑學(xué)院，長沙 410075;2.中鐵十二局集團(tuán) 七公司，長沙 410074)

針對京滬高速鐵路典型地質(zhì)條件的CFG樁加固路段，采用FLAC3D有限差分程序，模擬路基的填筑過程，將樁和土按不同的材料考慮，計(jì)算CFG樁加固后路基的沉降，并與實(shí)測沉降比較，驗(yàn)證了計(jì)算模型的可行性。利用該模型分析了不同樁長、樁間距對沉降的影響，并根據(jù)其路基沉降量，得到了該路段CFG樁的合理樁長與樁距。

CFG樁復(fù)合地基 FLAC3D 數(shù)值分析 沉降

1 工程概況

京滬高速鐵路滁州段里程DK937+580～DK937+695段地基采用CFG樁加固處理，設(shè)計(jì)樁長4.0 m，樁徑0.5 m，樁間距1.8 m。根據(jù)設(shè)計(jì)資料，該路段斷面附近地基地層情況由上往下依次為:素填土、粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化千枚巖、強(qiáng)風(fēng)化千枚巖、弱風(fēng)化千枚巖。根據(jù)施工圖設(shè)計(jì)要求，樁頂鋪0.6 m厚的碎石墊層，內(nèi)鋪兩層雙向土工格柵。該路段路堤填筑高度為5.55 m，路堤本體采用A、B組填料填筑，基床表層0.4 m采用級配碎石，如圖1所示。

圖1 京滬高鐵DK937+680路基設(shè)計(jì)剖面(單位:m)

2 建立數(shù)值計(jì)算模型

本文采用有限差分程序FLAC3D進(jìn)行模擬分析。為使問題簡化，在選擇計(jì)算模型時(shí)假設(shè)同種材料為均勻、各向同性體，路堤和地基巖土采用摩爾—庫侖彈塑性模型，樁體和土工格柵分別采用樁和土工格柵結(jié)構(gòu)單元[1-7]。結(jié)合試驗(yàn)及參考文獻(xiàn)[8]，得出計(jì)算參數(shù)如表1和表2所示。

表1 DK937+680剖面設(shè)計(jì)及計(jì)算參數(shù)

表2 CFG樁和土工格柵的計(jì)算參數(shù)

考慮路基的對稱性，取半幅地基和路基結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。計(jì)算范圍:豎向取15 m，大于加固體高度的兩倍，橫向取31 m，超過路基底面寬度的兩倍。邊界約束條件為:在地基土的下部邊界因遠(yuǎn)離樁體，荷載影響甚微，視為無位移的固定邊界，中心對稱面和側(cè)面各節(jié)點(diǎn)限制水平位移，表面為自由邊界，模型的網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 路基沉降分析模型網(wǎng)格單元?jiǎng)澐?/p>

3 CFG樁對沉降的影響

3.1 計(jì)算與實(shí)測沉降對比

根據(jù)實(shí)際填筑狀況，對路堤分層填筑的施工過程進(jìn)行模擬，總填筑高度為5.55 m，現(xiàn)場施工每層的填筑高度為0.30 m。數(shù)值計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)對比如圖3所示。從圖3可以看出路基沉降的數(shù)值模擬結(jié)果比實(shí)測要略大一些，實(shí)測結(jié)果不斷趨近于數(shù)值模擬結(jié)果，這是因?yàn)槁坊两祵?shí)際上是隨時(shí)間推移會繼續(xù)產(chǎn)生蠕變變形，而本次數(shù)值計(jì)算模型沒有考慮時(shí)間效應(yīng)，所計(jì)算出的沉降即為路基的最終沉降。盡管數(shù)值分析結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)存在一定的誤差，但二者在最終數(shù)值上還是比較接近的。可見，本模型能很好地反映路基沉降的變化過程。

圖3 數(shù)值分析結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)對比

3.2 不同樁長對沉降的影響

CFG樁復(fù)合地基樁長是控制路基沉降量主要的因素之一，樁越長地基的加固效果就會越好，而樁長過長從經(jīng)濟(jì)的角度考慮又是不合理的，所以要選定合適的樁長使其既能滿足地基變形要求，且經(jīng)濟(jì)合理。實(shí)際設(shè)計(jì)資料中CFG樁樁間距1.8 m，樁徑為0.5 m，現(xiàn)在分別選擇樁長為3 m、4 m、5 m、6 m進(jìn)行計(jì)算，分析路基的沉降變形情況。

圖4為不同樁長路基底面的沉降曲線，從中可以看出，隨著樁長的增加路基的沉降在逐漸減小，同時(shí)兩相鄰樁長在同一位置處的沉降差值隨樁長的增加而變小，即沉降曲線隨著樁長的增加逐漸密集，說明沉降隨樁長的增加，沉降減小幅度也逐漸減小。因此，當(dāng)要求沉降控制在一定范圍內(nèi)時(shí)，考慮到經(jīng)濟(jì)的因素，可以選取某一長度作為設(shè)計(jì)樁長。

圖4 不同樁長路基底面的沉降曲線

圖5為不同樁長路基中心面處沿深度分布的沉降曲線，圖上顯示路基的沉降量隨樁長的增加而顯著減小，說明樁長對控制路基沉降起著非常重要的作用。在深度7 m之后，不同樁長的沉降都基本一致，從地質(zhì)資料來看，該處已達(dá)弱風(fēng)化千枚巖層。

為了便于分析沉降隨樁長的變化，圖6給出了不同樁長在路基底面中心處的沉降變化曲線，可以看出，樁長＜5 m時(shí)比樁長＞5 m時(shí)的沉降變化斜率大。這是由于樁長5 m的樁端落在千枚巖層上，而樁長＜5 m的樁端均落在壓縮性相對較大的粉質(zhì)黏土上，所以，樁長＜5 m的沉降變化較樁長＞5 m的要大。因此，在選擇樁長的時(shí)候應(yīng)綜合考慮地質(zhì)條件和經(jīng)濟(jì)效果，樁端盡量落在強(qiáng)度較好的土層上，把沉降控制在規(guī)定范圍。

采用三次多項(xiàng)式擬合沉降隨樁長變化的趨勢線，對擬合曲線求解二階導(dǎo)數(shù)，進(jìn)行單調(diào)性和增減性分析如下:

圖6 不同樁長在路基底面中心處的沉降變化曲線

當(dāng)二階導(dǎo)數(shù)y″=0時(shí)，可計(jì)算得到x=4.667，說明當(dāng)樁長＞4.667 m時(shí)，路基沉降隨樁長增加速率減緩。在本文中，一階導(dǎo)數(shù) y′(x=4)＞ 0，y′(x=5)＞ 0，y′(x=6)＞0，說明在區(qū)間(3，6)內(nèi)，沉降值隨樁長單調(diào)遞增(即沉降隨樁長增加而減少)，且擬合曲線拐點(diǎn)就在該區(qū)間中取值。結(jié)合本文所研究路段的地質(zhì)情況，取合理樁長為5 m，即樁端打入風(fēng)化巖層頂面。

3.3 不同樁間距對沉降的影響

CFG樁復(fù)合地基中，樁間距是控制沉降的又一重要因素。該施工段CFG樁在平面上的布置形式為矩形布置，樁直徑為500 mm，不同樁距的變化會影響復(fù)合地基的置換率，從而影響地基變形的性狀。樁距太大不能發(fā)揮其控制沉降的作用，樁距太小一則不經(jīng)濟(jì)，二則增加施工難度。通常樁距取3～5倍樁徑進(jìn)行設(shè)計(jì)施工。在設(shè)計(jì)樁長為4 m的基礎(chǔ)上，選取樁距分別為 1.4 m、1.6 m、1.8 m、.0 m、2.2 m 進(jìn)行路基沉降計(jì)算，分析樁距的變化對地基變形的影響。

圖7 不同樁間距路基堤底面的沉降曲線

圖8 不同樁間距路基中心線處沿深度分布的沉降曲線

圖7為不同樁距路基底面的沉降曲線，圖8為不同樁距的情況下，路基中心線處沿深度分布的沉降曲線，與不同樁長時(shí)的沉降情況相同，增加樁數(shù)之后，隨著樁距的減小路基的沉降也隨之減小，地基得到了良好的加固效果。但是，路基底面沉降曲線隨著樁距的增加逐漸變得密集，說明沉降隨樁距的減小，沉降減小幅度也在不斷減小。同樣地，從經(jīng)濟(jì)角度看存在某一樁距是比較合理的。

圖9為路基底面中心處沉降量隨樁間距的變化曲線，采用二次多項(xiàng)式生成了沉降隨樁長變化趨勢擬合曲線:

由曲線的變化趨勢可以看到，隨著樁間距的減小，沉降也在逐漸減小，但是在樁間距＜1.8 m之后，沉降曲線的斜率逐漸減小，說明減小樁間距的效果在減弱。雖然樁距取值較小時(shí)，會明顯小于在較大樁距時(shí)的沉降，但受施工限制而不可能把樁距設(shè)計(jì)得太小。因此，在樁距設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)綜合考慮加固效果、施工與經(jīng)濟(jì)三方面因素，結(jié)合以上的計(jì)算分析，建議本路段CFG樁樁距取1.8 m，這與實(shí)際設(shè)計(jì)的樁間距也是相吻合的。

圖9 不同樁間距在路基底面中心處的沉降變化曲線

4 結(jié)論

本文結(jié)合實(shí)際工程，借助FLAC3D軟件建立數(shù)值模型，分析了CFG樁不同樁長、樁間距對復(fù)合地基的沉降影響，得出結(jié)論如下:

1)數(shù)值模擬計(jì)算的路基分層填筑施工沉降與實(shí)測沉降比較接近，說明該模型可以很好模擬復(fù)合地基的沉降變化。

2)通過該模型的計(jì)算得出:路基隨著樁長的增長沉降不斷減小，但是當(dāng)樁端落到較好巖層時(shí)，樁長的影響就較小了。在控制沉降的前提下，結(jié)合地質(zhì)資料，考慮經(jīng)濟(jì)因素，確定樁的合理長度為5 m。

3)樁間距是控制CFG復(fù)合地基的置換率的因素之一，隨著樁間距的減小其對沉降的影響效果減弱，本文建議樁距為1.8 m。

數(shù)值模擬計(jì)算方法雖然為復(fù)合地基變形計(jì)算提供了新的途徑，但土與增強(qiáng)體之間本構(gòu)關(guān)系的研究，遠(yuǎn)沒達(dá)到普遍推廣應(yīng)用的成熟階段。本文計(jì)算模型沒有考慮土沉降的時(shí)間效應(yīng)和土中水的影響。

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U213.1

B

1003-1995(2010)04-0069-04

2009-10-20;

2010-02-20

湖南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(07JJ3104);中鐵十二局集團(tuán)七公司科技開發(fā)項(xiàng)目(2008-02)。

陳鼎(1984— )，男，湖南長沙人，碩士研究生。

(責(zé)任審編 王天威)