路堤柔性荷載下CFG樁復合地基數(shù)值分析

李善珍

摘 要：本文在路基原型的基礎上，運用有限元分析軟件MIDAS/GTS，對路堤在柔性荷載作用下樁帽、樁筏式CFG樁復合地基的樁身應力和樁頂沉降位移進行了研究。結果表明：樁筏式CFG樁復合地基的樁身應力大于樁帽式，這表明樁筏式CFG樁復合地基的承載特性較好；就整體沉降而言，樁筏式CFG樁復合地基的樁頂沉降均小于樁帽式的情況，同時樁筏式的沉降較均勻，這表明樁筏式CFG樁復合地基能夠更好地控制地基沉降，以期為以后的工程應用提供參考。

關鍵詞：柔性路堤；CFG樁；數(shù)值模擬；復合地基

1 概述

改革開放以來，隨著我國經濟的不斷發(fā)展，高速鐵路建設規(guī)模也隨之增加。高速鐵路對路基工后沉降要求極為嚴格，為滿足此要求，CFG樁復合地基技術被廣泛使用。因此，深入研究復合地基路基結構的受力和沉降特性對高速鐵路的設計和施工具有非常重要的指導意義。

目前，國內外學者對復合地基進行了一系列研究：Kempton[1]運用拉格朗日有限差分法，分別研究了二維、三維兩種情況下復合地基加固區(qū)的樁土應力比；Poorooshasb H B[2]建立了剛性樁和柔性樁兩種有限元模型，分析了二者樁側摩阻力的變化規(guī)律；Giroud和Han[3-4]（2004）對土工格柵的加筋作用進行了系列研究，提出了張拉薄膜理論（tensioned membrane theories），分析了路堤下褥墊層厚度的設計方法；陳仁朋，賈寧等[5]通過有限元分析對樁承式加筋路堤進行分析，得到樁頂處的應力小于樁身最大應力，以及樁長荷載和沉降的影響規(guī)律；肖偉、王建西[6]對哈大客專海城西站 CFG 樁帽復合地基承載特性進行數(shù)值分析。結果表明，樁帽結構改變了地基中附加應力分布狀態(tài)，地基沉降得到了有效控制；蔡德鉤[7]通過建立三維模型，分析了軟土層模量、下臥層模量、樁間距、等對樁網(wǎng)復合地基的受力、變形特性的影響；馬建林，劉俊飛等[8-10]對京滬高速鐵路北段李窯試驗段CFG樁網(wǎng)、樁筏復合地基的加固效果，樁、土應力和荷載分擔比進行了分析研究，得到如下結果：隨路堤填筑高度增加，樁土應力比有逐漸增大的趨勢；最終樁土應力比為3.2左右；路堤中心線處的樁土應力比最大。

由此可見，對于路堤荷載下CFG樁復合地基的研究大都是在剛性基礎的理論上進行的，而對于柔性基礎的研究較少?；诖?，文章運用有限元軟件，研究柔性基礎下樁帽、樁筏式CFG復合地基的受力和變形特點。

2 模型方案與參數(shù)選取

根據(jù)文章研究內容，確定如下四種模型方案：樁帽懸浮式復合地基；樁帽支撐式復合地基；樁筏懸浮式復合地基；樁筏支撐式復合地基。為更清楚地反映各模型方案的效果，以天然地基作為參考。

3 有限元模擬分析

3.1 建立幾何模型

模擬單線高速鐵路，其中路基面寬度為8.8m，基底寬度為23.8m。由于路基結構是對稱的，為簡化計算取路基中心線一側的路基來建立計算模型。具體幾何模型如圖1所示。

3.2 邊界條件與網(wǎng)格劃分

本模型模研究的是平面應變問題，由路基實際情況可確定其邊界條件：路堤頂面和地基土頂面自由；左右側面對稱約束。

結構部位不同，所需計算精度不同，這就要求網(wǎng)格的數(shù)量也不同。在計算數(shù)據(jù)變化較大的部位（如樁、土體、墊層、筏板的接觸處），容易出現(xiàn)應力集中，故網(wǎng)格劃分較密；在遠離樁體的部位計算數(shù)據(jù)變化較小，網(wǎng)格劃分可相對較疏。

3.3 模擬施工過程

為模型實際施工過程，結合各部分參數(shù)，確定了初始應力平衡階段（自重作用下，位移清零）；路堤每層填土施工階段（填土高度為1m）；施工完成后，最終模擬效果如圖2示。

圖1 幾何模型 圖2 工后效果圖

4 結果分析

4.1 樁帽式CFG樁復合地基承載特性分析

（1）樁身應力

取路堤中心線處最靠近中間一排樁中的一根樁進行分析：

由圖3可知，樁身應力在荷載作用下在1-3m范圍內增大然后出現(xiàn)拐點減小，在5m以后樁身應力逐漸減小，應力的最小值出現(xiàn)在樁端處。當?shù)谒膶勇返烫钔镣瓿蓵r，樁身應力最大值為198kPa，應力最小值為76kPa。由圖4可知，隨著路堤填土的進行樁身應力會出現(xiàn)兩個拐點且逐漸增大，應力峰值也有增大趨勢。

（2）樁頂沉降

樁頂沉降值取復合地基中間一排樁分析：

由圖5可知，路堤中心線處的樁頂位移最大，位移隨著離開路堤中心線距離的增大而減小，路堤填土結束后，樁頂位移的最大、最小值分別為41mm和31mm。

由圖6可知，位移變化趨勢與樁帽懸浮式大體相同，但幅度較大。另外，支撐式復合地基最后一層路堤填土施工結束時的最大位移僅為19mm，但懸浮式的位移是41mm。顯然，整體沉降支撐式復合地基的小于懸浮式復合地基的。

4.2 樁筏式CFG樁復合地基承載特性分析

（1）樁身應力

由圖7可得，樁筏式復合地基的樁端應力均大于樁帽懸浮式復合地基的樁端應力，且變化趨勢大體一致；同樣可得圖8，其分布規(guī)律與樁帽支撐式復合地基類似，即樁身應力會出現(xiàn)兩個拐點，且最終端應力接近樁頂應力。

（2） 樁頂沉降

由圖9得出，路堤中心處位移與路堤中心10m處的位移差不大，變化趨勢一致且較平緩，這表明筏板的存在能使路基整體沉降比較均勻。由圖10得出，路堤填土結束后，路堤中心線周圍樁頂最大位移值是9mm，相對樁筏懸浮式復合地基沉降減少了約35%，該數(shù)據(jù)是樁端堅硬持力層作用的結果。

4.3 樁帽、樁筏式CFG樁復合地基承載特性對比

就樁身應力而言，隨著四個階段填筑施工的完成，樁身應力均是增大趨勢，且兩中支撐方式的變化趨勢大體一致，但樁筏在整體上大于樁帽的；而樁頂位移是樁筏的比樁帽的更為均勻。

5 結束語

由樁身應力的分布可得隨著樁長的增加，樁側摩阻力漸漸發(fā)揮作用，分擔了部分荷載，使得樁土成為一個整體來共同承擔荷載；樁身應力出現(xiàn)第二個拐點的原因是由于，當荷進一步加大時，樁間土由于被壓縮應經不能分擔所有荷載，這時樁端堅硬持力層開始作用，因其剛度較大，樁端處會產生應力集中，因此樁端附近的應力增大；同時也顯示樁端堅硬持力層的存在對沉降的控制有明顯效果，故建議在實際工作工程中樁端能堅硬持力層接觸。

參考文獻

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