CFG樁參數(shù)對(duì)328國道路基沉降影響規(guī)律研究

周元華

摘 要：為了研究CFG樁參數(shù)對(duì)公路路基最終沉降值的影響規(guī)律，本文以328國道鎮(zhèn)江段為研究對(duì)象，借助FLAC 3D有限元計(jì)算軟件，建立不同對(duì)比條件下實(shí)例工程路基沉降的三維模型。經(jīng)過計(jì)算分析，沉降值與樁長成反比、與樁間距成正比。同時(shí)綜合各方案沉降值計(jì)算結(jié)果和造價(jià)，推薦樁長取7.0 m、樁間距取2.0 m。在該方案下，實(shí)例工程最大沉降值為2.55 cm，滿足要求。

關(guān)鍵詞：CFG樁;路基沉降;三維有限元計(jì)算;樁體參數(shù)

0 前言

快速化公路是現(xiàn)代綜合交通運(yùn)輸體系的組成部分之一，是國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)支撐。根據(jù)“十三五”規(guī)劃，至2025年末，我國現(xiàn)代快速化公路網(wǎng)將基本覆蓋長江中下游地區(qū)以及華北大部分片區(qū)，屆時(shí)，總建設(shè)里程數(shù)量將突破12萬公里[1]?？焖俟酚捎谲囕v荷載大、荷載密集，將導(dǎo)致路基中土體的孔隙水壓力大幅上升，產(chǎn)生塑性變形;由于快速公路路面的動(dòng)荷載長期、循環(huán)傳遞至路基土體，引起土體塑性變形不斷累積，發(fā)生路基沉降現(xiàn)象。

本文以328國道鎮(zhèn)江段為研究對(duì)象，研究區(qū)域軟土地基以淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、軟黏土為主，經(jīng)分析選擇CFG剛性樁進(jìn)行加固處理。本文借助FLAC-3D有限元軟件，通過建立三維數(shù)學(xué)模型，系統(tǒng)地分析樁長和樁間距對(duì)路基沉降的影響。

1 工程概況

312國道鎮(zhèn)江城區(qū)段改線工程為一級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)速度100 km/h，主線雙向六車道，城鎮(zhèn)路段兩側(cè)設(shè)置非機(jī)動(dòng)車道和人行道，項(xiàng)目起點(diǎn)在現(xiàn)312國道謝巷村南側(cè)，與谷陽湖路交叉處，順接規(guī)劃中的306省道，終點(diǎn)位于312國道與通江路交叉處，兼顧快速通行及地方疏通功能。主線長23.052 km，起點(diǎn)至243省道段采用城鎮(zhèn)斷面，路基寬度為58.0 m，橫斷面形式為：中間帶11.0 m（含兩側(cè)路緣帶），行車道2×3×3.75 m，側(cè)分帶2×2.0 m（含路緣帶），輔道2×7.0 m，人行橫道2×2.75 m。243省道至終點(diǎn)采用一般一級(jí)公路斷面，路基寬度33.5 m，橫斷面形式為：中間帶3.5 m（含路緣帶），行車道2×3×3.75 m，硬路肩2×3.0 m（含路緣帶），土路肩2×0.75 m。一般路段路面橫坡為2.0%，土路肩橫坡為4.0%。項(xiàng)目永久征地2 541.3畝，橋梁15座，互通式立交5處（其中3處預(yù)留），分離式立交2處。

項(xiàng)目區(qū)主要軟（弱）土主要為1-2層軟土及1-2a層軟弱土。其中，1-2層軟土土性為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，灰褐色、灰色，流塑狀態(tài)，局部為軟黏土，土質(zhì)不均，夾粉土薄層，具高孔隙比，高壓縮性。1-2a層軟弱土土性主要為軟粉質(zhì)黏土，該層主要為粉質(zhì)黏土夾粉砂互層狀分布，灰色，軟塑，中等偏高壓縮性，土性欠均勻，呈透鏡體狀?yuàn)A于1-2層之中。實(shí)例工程選擇CFG剛性樁進(jìn)行加固處理。

2 CFG樁受力特性和變形特性分析

設(shè)樁與土收到的上部荷載為。在深度以上區(qū)域，樁體位移小于土體，此區(qū)間內(nèi)上部荷載主要由土體承擔(dān)，因此，土體對(duì)樁的摩擦力方向豎直向下。在深度以下區(qū)域，樁體位移小于土體，此區(qū)間內(nèi)上部荷載主要由樁體承擔(dān)，因此，土體對(duì)樁的摩擦力方向豎直向上。沿樁深方向，土體給樁的摩擦力在附近達(dá)到最大值。CFG樁位移、摩擦力分布特性見圖1。

根據(jù)文獻(xiàn)，CFG樁加固后地基承載力可按下式進(jìn)行計(jì)算：

（1）

式中，為CFG樁加固后的地基承載力;為CFG樁所占的面積占加固區(qū)域面積的比例;為CFG樁的單樁截面面積;為CFG樁的單樁承載力;為樁前土體承載力折減系數(shù)，按照文獻(xiàn)取0.70～0.90;為樁前土體的承載力。

假設(shè)CFG樁在荷載的作用下，樁頂與樁身產(chǎn)生的沉降分別為和，且令樁前土體產(chǎn)生的沉降為。由于以深度為界，以上區(qū)域樁體沉降小于樁前土體沉降，因此樁體部分進(jìn)入褥墊層中產(chǎn)生變形，記為：

（2）

同理，以下區(qū)域樁體沉降大于樁前土體沉降，因此樁體部分的變形記為：

（3）

因此，樁體上部和下部區(qū)域變形量的總和記為土體的壓縮總量，記為：

（4）

3 實(shí)例工程三維數(shù)學(xué)模型建立

根據(jù)實(shí)例工程設(shè)計(jì)資料及地勘資料，本工程區(qū)域總共有5個(gè)土層，自上而下分別是強(qiáng)風(fēng)化巖、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、軟粉質(zhì)黏土、細(xì)砂層、軟塑粘土，采用CFG樁進(jìn)行加固處理。CFG樁長為7.0 m，直徑為0.6 m，樁間距為2.0 m。實(shí)例工程各土層及CFG樁的參數(shù)設(shè)置表見表1。

本文借助FLAC三維有限元計(jì)算軟件進(jìn)行模型計(jì)算，其中初始條件與邊界設(shè)定條件見式（5）與式（6）。

在本文研究范圍內(nèi)，初始時(shí)刻滿足以下條件：

、、

（5）

在式中，為初始水位值、為初始豎向應(yīng)力、為初始孔隙水壓力。且這三個(gè)變量按以下規(guī)律變化：

，， （6）

式中，為水位變化過程線、、分別為豎向應(yīng)力與孔隙水壓力變化過程線。

實(shí)例工程三維有限元計(jì)算模型網(wǎng)格劃分見圖3（a），在設(shè)計(jì)方案下的沉降分布見圖3（b）。

4 數(shù)模計(jì)算結(jié)果分析

4.1 樁體長度對(duì)對(duì)沉降影響分析

設(shè)計(jì)方案樁長為7.0 m，選擇樁體長度為5.0 m、6.0 m、8.0 m、9.0 m四組方案作為對(duì)比方案。其他條件不變情況下，各樁長下實(shí)例工程最終沉降云圖計(jì)算結(jié)果見圖4。

分析圖3、圖4可知：

（1）在各工況下，水平方向上，路基沉降的最大值均發(fā)生在路基中心區(qū)域，且以路基中心為主要沉降區(qū)域，向兩側(cè)邊坡逐漸遞減;豎直方向上，主要沉降區(qū)域均在地表層區(qū)域，且逐漸向下遞減，在土體深度9.2 m區(qū)域及以下部分，基本沒有土體沉降位移發(fā)生。

（2）樁體長度為5.0 m、6.0 m、7.0 m、8.0 m、9.0 m方案下，實(shí)例工程路基的最終沉降值分別為3.20 m、2.75 m、2.55 m、2.48 m、2.40 m?？梢娫谄渌麠l件一定的情況下，樁長越長，實(shí)例工程路基的最終沉降值越小。

（3）綜合各樁長下實(shí)例工程路基的最終沉降計(jì)算值以，同時(shí)考慮到本項(xiàng)目對(duì)地基沉降的設(shè)計(jì)目標(biāo)值以及各方案的工程造價(jià)情況，同時(shí)本工程土體能感受到沉降的最大深度為9.2 m，樁長取7.0 m以上后對(duì)實(shí)例工程土體沉降影響較小，因此建議采用樁長為7.0 m的方案。

4.2 樁體間距對(duì)對(duì)沉降影響分析

設(shè)計(jì)方案樁間距為2.0 m，選擇樁間距為1.5 m、1.8 m、2.2 m、2.5 m四組方案作為對(duì)比方案。其他條件不變情況下，各樁間距下實(shí)例工程最終沉降云圖計(jì)算結(jié)果見圖5。

分析圖3、圖5可知：

（1）樁間距為1.5 m、1.8 m、2.0 m、2.2 m、2.5 m方案下，實(shí)例工程路基的最終沉降值分別為3.35 m、2.82 m、2.55 m、2.39 m、2.35 m。可見在其他條件一定的情況下，樁間距越小，實(shí)例工程路基的最終沉降值越小。

（2）分析可知，在樁間距為2.0 m時(shí)，縮小樁間距對(duì)實(shí)例工程路基的最終沉降值影響較小。同時(shí)考慮到各方案的工程造價(jià)，因此選擇2.0 m樁間距為建議值。

5 結(jié)論

本文以328國道鎮(zhèn)江段為研究對(duì)象，通過建立不同條件下公路路基沉降計(jì)算模型，分析了樁長和樁間距對(duì)實(shí)例工程路基沉降的影響。根據(jù)各對(duì)比方案的計(jì)算結(jié)果，推薦采用7.0 m樁長、2.0 m樁間距。這也與設(shè)計(jì)方案結(jié)果相吻合。因此，實(shí)例工程設(shè)計(jì)方案合理可行。

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