土工格柵在CFG樁復(fù)合地基的應(yīng)用與有限元分析

王建，吳連海，袁小波，周俊

（1.鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300251；2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031）

0 引言

CFG樁即水泥粉煤灰碎石樁，由碎石、石屑、砂、粉煤灰摻適量水泥加水拌和，是20世紀(jì)90年代初出現(xiàn)的一種地基處理新技術(shù)。CFG樁適用范圍較廣，就土性而言，CFG樁可用于處理黏性土、粉土、砂土、人工填土和淤泥質(zhì)土等地基。既適用于擠密效果好的土，又適用于擠密效果差的土，具有沉降變形小、沉降穩(wěn)定快等特點(diǎn)。用CFG樁處理的地基，具有可使地基承載力大幅度提高并具有很大可調(diào)性的優(yōu)點(diǎn)，CFG樁和樁間土一起，通過褥墊層形成CFG樁復(fù)合地基共同工作。其中，墊層可采用碎石墊層+土工格柵或鋼筋混凝土板+碎石墊層的形式[1]。本文主要通過建立有限元模型與現(xiàn)場實(shí)測分析，研究墊層內(nèi)加鋪土工格柵情況下CFG樁、樁間土和土工格柵的受力變形狀況，進(jìn)而分析土工格柵對改善地基沉降、CFG樁和樁間土的受力變形所起的作用。

1 現(xiàn)場試驗(yàn)

1.1 概況

本現(xiàn)場試驗(yàn)段為某鐵路正線路基，試驗(yàn)段地形平坦，地勢開闊，試驗(yàn)點(diǎn)土層情況見表1。

路堤填高為6.8～7.2 m。地基采用CFG樁加固，樁頂采用樁帽+碎石墊層（墊層內(nèi)夾鋪2層土工格柵） 結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)參數(shù)為：樁長23 m，樁間距1.7 m，樁徑0.5 m，樁帽直徑1.0 m。其中土工格柵采用高密度聚乙烯（HDPE）單向拉伸土工格柵（EG170），規(guī)格：極限抗拉強(qiáng)度170kN/m，極限抗拉強(qiáng)度下的伸長率≤9.5%，2%伸長率時(shí)的拉伸力52.5 kN/m，5%伸長率時(shí)的拉伸力103.0 kN/m。

表1 主要地層情況表

結(jié)合工程結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分別布設(shè)了液位沉降計(jì)、柔性傳感器進(jìn)行樁頂、樁間土沉降差和土工格柵應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測。元器件布置如圖1～圖3。

1.2 監(jiān)測結(jié)果分析

液位沉降計(jì)監(jiān)測CFG樁樁頂平面內(nèi)的樁頂和樁間土的沉降，沉降基本穩(wěn)定后的樁頂、樁間土沉降結(jié)果見表2。

表2 液位沉降計(jì)測試結(jié)果表 mm

由表2可知，路基中心處的樁頂和樁間土沉降量最大。

柔性傳感器測試土工格柵的受力和變形情況。碎石墊層中上層單向受力土工格柵沿線路縱向鋪設(shè)，下層沿線路橫向鋪設(shè)。上、下層土工格柵應(yīng)變分別如圖4和圖5。

根據(jù)圖4、圖5可以看出，柔性傳感器位移實(shí)測值多為負(fù)值，其絕對值均不大。實(shí)測最大的拉應(yīng)變?yōu)椋?.1%，換算的土工格柵拉力＜0.057 kN/m。而雙向土工格柵，設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度大于120 kN/m。表明土工格柵受拉的作用還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有充分發(fā)揮出來，其原因有：樁土之間沉降差不夠大，不足以使土工格柵有足夠的拉伸變形而產(chǎn)生拉力；受土工格柵初始安裝狀態(tài)所影響，若初始安裝時(shí)，土工格柵整體或局部呈上凸?fàn)顟B(tài)，當(dāng)在上部填方荷載作用下沉降不大時(shí)，將使土工格柵出現(xiàn)壓縮變形[1]。

2 有限元分析模型

樁徑0.5 m，間距1.7 m，正方形布置，每排19根樁，共30排。樁頂標(biāo)高3.40 m，樁底標(biāo)高-19.4 m，樁頂設(shè)直徑1.0 m樁帽，厚度0.5 m。其上設(shè)0.6 m厚碎石墊層，墊層內(nèi)夾鋪兩層土工格柵。計(jì)算采用的材料參數(shù)[2-4]見表3。

表3 計(jì)算采用的材料參數(shù)

本研究采用巖土工程/地下工程有限元分析軟件PLAXIS進(jìn)行CFG樁的數(shù)值模擬和仿真研究工作，建立如圖6所示的有限元模型。在有限元模型中選取計(jì)算節(jié)點(diǎn)如圖7所示，坡腳處、路肩處和路基中心處的樁頂沉降量和樁間土沉降量計(jì)算結(jié)果見表4。

由表4可知，有限元模型計(jì)算的樁頂、樁間土沉降量以及樁頂和樁間土的沉降差與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)基本吻合。

由圖8可以看出，土工格柵的最大拉力為163 N/m，而其設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度大于120 kN/m[1]，表明土工格柵受拉的作用還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有充分發(fā)揮出來，土工格柵對地基沉降、樁間土的壓縮變形的影響基本可以忽略不計(jì)，但起安全儲(chǔ)備的作用。

表4 模型沉降計(jì)算結(jié)果 mm

3 結(jié)論

通過現(xiàn)場試驗(yàn)和有限元分析對土工格柵在CFG樁復(fù)合地基的應(yīng)用與分析進(jìn)行了研究，得出以下結(jié)論：

1）采用墊層內(nèi)加鋪土工格柵的CFG樁復(fù)合地基處理的鐵路路基，其路基中心處的樁頂沉降量和樁間土沉降量最大。

2）本試驗(yàn)段CFG樁樁頂碎石墊層內(nèi)加鋪的土工格柵沒有充分發(fā)揮其抗拉作用，土工格柵對地基沉降、樁間土的壓縮變形的影響基本可以忽略不計(jì)，只起安全儲(chǔ)備的作用。

[1]西南交通大學(xué).高速鐵路CFG樁復(fù)合地基現(xiàn)場試驗(yàn)研究報(bào)告（李窯試驗(yàn)段）[R].成都：西南交通大學(xué)，2009.

[2]蘇春暉.高速鐵路中等軟基CFG樁復(fù)合地基加固機(jī)理的有限元分析[D].成都：西南交通大學(xué)，2008.

[3] 董必昌，鄭俊杰.CFG樁復(fù)合地基沉降計(jì)算方法研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2002（7）：1 084-1 086.

[4] 強(qiáng)小俊，陳合愛，江輝煌.CFG樁復(fù)合地基的特性研究[J].南昌大學(xué)學(xué)報(bào)（工科版），2006（2）：180-183.