CFG樁網(wǎng)復合地基在深厚軟弱地基中的研究與應用

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(河北工程技術學院 土木工程學院, 河北 石家莊 050091 )

1 概述

南桂一級公路，全長約380 km，該公路路基寬度為26 m，路面寬度為24 m，其中K158+500～K180+000段經(jīng)過深厚軟弱地基段。其由上到下的土層為粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土及細礫。粉質(zhì)黏土為粉黏粒，其顏色近似黃褐色，表面具有一定光澤，韌性中等，強度一般，無明顯搖擺現(xiàn)象。淤泥質(zhì)土的主要成分為黏粒，呈灰褐色，有刺鼻氣味，含有少量腐殖質(zhì)。粉質(zhì)黏土與第一層相似，不同的是，其含有部分砂礫，黏性相對較強。其中粉質(zhì)粘土及淤泥質(zhì)粘土的承載力很差，粘性較強，需要進行處理才能滿足路基要求。細礫表面呈灰褐色，級配型較好，其含有部分云母。各土層參數(shù)如表1所示。

針對軟土地基的處理，目前國內(nèi)外常用的方法[1-3]有加固土樁、粒料樁、真空堆載預壓、墊層處置、豎向排水板及樁網(wǎng)結構復合地基等。其中加固土樁[4-5]及粒料樁[6]主要適用于抗剪強度小于15 kPa的軟土地基；真空堆載預壓法[7]適用于缺少填土材料及工期較短的路基；豎向排水[8]及墊層處理[9]適用于軟土高度小于5 m的路基。本工程填土高度為6.37 m，填土高度較高且軟土厚度較大，綜合適用性及經(jīng)濟性，本工程選用CFG樁網(wǎng)復合地基進行處理。

表1 各土層參數(shù)Table 1 Soil layer parameters土層土層厚度/m各層土的承載力特征值/kPa容重γ/(kN·m-3)樁側摩阻力特征值/kPa粘聚力C/kPa內(nèi)摩擦角Ф/(°)壓縮模量E/MPa含水率/%孔隙比壓縮系數(shù)/MPa-1路堤填土6.3720.942.451.160.81粉質(zhì)粘土1.90123.519.122.817.2935.343.9740.321.120.77淤泥質(zhì)粘土3.197617.015.712.3515.392.7639.521.110.71粉質(zhì)粘土2.39123.519.122.817.2935.343.9738.061.090.67細礫19.671855.6117133.7314.252.0937.021.040.52

2 CFG樁網(wǎng)復合地基主要設計參數(shù)的初步確定

CFG樁網(wǎng)復合地基的主要設計參數(shù)有樁徑、樁長、樁身強度、樁間距、樁的布置形式及墊層材料的選擇等。

a.樁徑： 考慮到本工程的軟土成分主要為粉質(zhì)粘土及淤泥質(zhì)粘土，CFG樁有成樁質(zhì)量高、成樁速度快及無需考慮對相鄰樁體的影響等特點。目前國內(nèi)外CFG樁的主要樁徑為456、380和320 mm[10]。綜合本工程實際特點，初步采用400 mm樁徑的CFG樁。

b.樁長： CFG樁需要穿過軟弱地基并作用在持力層上[11]，根據(jù)表1可知，本工程中的細礫的承載力較大，為185 kPa。因此將其作為持力層，而軟土層厚度為1.9+3.19+2.39=7.48 m，本工程采用1 m的埋置深度，樁長初步采用8.5 m。

c.樁身強度：一般情況下樁體的強度介于6 MPa和21 MPa之間[12]，根據(jù)上文確定的樁長和樁徑，通過計算可知其對應的單個樁的承載力Ra為242.237 kN。由公式(1)可知樁身的強度應大于5.671 MPa，因此初步考慮樁身采用C10混凝土。

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d. 樁間距：在正常使用情況下，以極限承載力為驗算條件，利用疊加沉降量作為衡量指標[13]，本文對樁間距為5.0、4.5、4.0、3.5倍樁徑幾種工況進行了計算，樁間距越小，治理效果越好，考慮到經(jīng)濟性及本工程特點，決定初步設計的樁間距采用4倍樁徑，即樁間距為1.60 m。

e. 樁的布置：目前常用的樁布置方式為正方形和梅花形[14]，本工程初步設計采用梅花形的布置方法。

f. 墊層的選擇：一味追求超厚的墊層是不經(jīng)濟的，而且墊層太厚會影響CFG的承載力，但太薄的墊層容易對填土路堤產(chǎn)生沖擊和剪切的作用，因此需選擇合理的墊層厚度[15]，根據(jù)本文的樁長、樁徑及樁間距，選擇50 cm作為墊層厚度，其材料為粒徑小于3 cm的級配碎石。

3 CFG 樁-網(wǎng)復合地基有限元分析

3.1 有限元模型的建立

根據(jù)表1中的填土及地基參數(shù)和上文初步確定的CFG樁網(wǎng)復合地基參數(shù)，本文利用ABAQUS有限元軟件建立CFG樁網(wǎng)復合地基的有限元模型，如圖1所示。本模型CFG樁共計32根，樁長為8.5 m，樁徑為0.4 m，樁間距為1.6 m。填方邊坡坡度為1 ∶ 1.5，在填方坡腳處各設置1個CFG樁作為邊樁。

圖1 有限元模型Figure 1 Finite element model

3.2 在荷載作用下復合地基的變形分析

3.2.1沉降分析

有限元沉降云圖見圖2，由圖可知，在路堤荷載作用下，樁及其周圍的沉降值較小，而樁間距處的沉降值較大，且各個樁的規(guī)律相似。橫向?qū)Ρ葮兜某两盗亢蜆堕g距的沉降量可知，路基中心處的樁沉降值和樁間距的沉降值最大，向兩側逐漸減小，而樁間距處的沉降量自下而上逐漸減小。綜上可知，樁體處的沉降值遠小于樁間距處的沉降值，這說明樁體顯著增加了軟土地基的豎向強度。

圖2 沉降云圖Figure 2 Settlement cloud map

3.2.2水平位移

水平位移云圖見圖3，由圖可知，最大水平位移出現(xiàn)在細礫持力層中，而樁土加固區(qū)的水平位移較小，其中水平位移較大的區(qū)域為樁下4.7 m處和坡腳12.5 m處。這說明CFG樁可以有效地將上部荷載傳遞至持力層中，減小樁土加固區(qū)的水平位移，加強樁土加固區(qū)的整體性。

圖3 水平位移云圖Figure 3 Horizontal displacement cloud map

3.2.3樁身附加應力分布規(guī)律

樁身附加應力云圖見圖4，由圖可知，持力層的應力云圖呈波浪形，路基中心處的樁身附加應力最大，逐漸向兩側減小，這說明相比于邊樁，位于路基中心附近的CFG樁承載的上部荷載更大。此外單獨分析8號樁的應力云圖可知，其最大應力值出現(xiàn)在距離樁底6.6 m處，因此可知該點為中性點，即樁身的沉降與路基土的沉降相同，其在6.6 m以下所受的摩擦力豎直向上。

圖4 樁身應力云圖Figure 4 Pile body stress cloud map

3.3 不同樁徑與樁長對治理效果的影響

為了對上文初步確定的CFG樁網(wǎng)復合地基的設計參數(shù)進行驗證，研究最優(yōu)的樁長和樁間距，本文對不同的樁長和樁間距的沉降量和水平位移進行仿真研究。

3.3.1樁長

取樁長落在持力層上及深入持力層1 m兩種工況，分別為工況1和工況2，即樁長為7.5 m和8.5 m。原點設置為產(chǎn)生最大沉降的點，每隔1.6 m對節(jié)點處的沉降值進行提取，以中心點的距離為X軸，兩種工況對應的沉降和水平位移如圖5、圖6所示。

圖5 不同樁長工況下的沉降值Figure 5 Settlement values under different pile length conditions

圖6 不同樁長工況下的水平位移Figure 6 Horizontal displacement under different pile length conditions

由圖5、圖6可知: 工況1對應的最大沉降值為7.895 cm，大于工況2所對應的7.321 cm。且距離中心點越近，兩種工況的差距越大;當距離中心點的距離為16 m時，兩種工況的沉降值相同;當距離中心點的距離大于16 m時，工況2的沉降值反而大于工況1的沉降值。在整個路基范圍內(nèi)，工況1的水平位移均大于工況2的水平位移，這說明樁長越大，其對水平位移的約束能力越強。綜上可知，樁長越小，樁的側向摩擦力越小，沉降值越大，因此樁身需深入至持力層內(nèi)，該工程的樁長建議為工況2，即樁長為8.5 m。

3.3.2樁間距

定義工況1樁間距為4 m，工況2樁間距為4.5 m，采用控制變量法，僅改變樁間距，兩種工況下對應的沉降值和水平位移如圖7、圖8所示。

圖7 不同樁間距工況下的沉降值Figure 7 Settlement values under different pile spacing conditions

圖8 不同樁間距工況下的水平位移Figure 8 Horizontal displacement under different pile spacing conditions

由圖7、圖8可知，工況1與工況2差別較小。這說明工況2中的樁已很好地發(fā)揮了作用，一味追求較小的樁間距并不能起到預想的效果，反而會增加樁的數(shù)量從而增加成本。由圖可知，當距離中心點小于9.6 m時，工況1的水平位移大于工況2的水平位移，當距離中心點距離大于9.6 m時，工況2的水平位移大于工況1的水平位移，且兩者對應的最大水平位移差別較小，這說明工況2對應的沉降值更為均勻。因此本工程采用工況2，即樁間距采用4.5倍的樁徑。

3.4 不等樁長對治理效果的影響

根據(jù)有限元計算結果，邊樁承受的應力小于其他樁，為了工程的經(jīng)濟性，是否可以在一定程度上減小邊樁的長度。與上文相似，利用控制變量法，將邊樁長度減小，將邊樁設置為7.5 m。將邊樁8.5 m定義為工況1，即等樁長，將邊樁7.5 m定義為工況2，即不等樁長。兩種工況下對應的沉降值和水平位移如圖9、圖10所示。

由圖9、圖10可知，工況2的沉降值要大于工況1的沉降值，但兩者差距較小，且沉降規(guī)律相同，均為隨著距離中心點處的距離越大，沉降值越小;當距離中心點間距小于12.8 m時，工況1的水平位移大于工況2的水平位移;當距離中心點間距大于12.8 m時，工況2的水平位移大于工況1的水平位移。綜上可知，在保證其他樁長不變的情況下，適當減小邊樁的長度，對沉降值及水平位移影響較小，因此推薦不等樁長，將其設置在持力層頂部，邊樁長度為7.5 m。

圖9 不等樁長工況下的沉降值Figure 9 Settlement values under different pile length conditions

圖10 不等樁長距工況下的水平位移Figure 10 Horizontal displacement under unequal pile length conditions

4 結論

針對南桂公路K158+500～K180+000段深厚軟弱地基處理問題，本文經(jīng)對比選用CFG樁網(wǎng)復合地基對該段進行處理，通過計算初步確定了CFG樁網(wǎng)復合地基的主要設計參數(shù)。利用有限元軟件ABAQUS對復合地基在荷載作用下的沉降、水平位移及樁身應力分布規(guī)律進行了研究。從不同的樁長、樁間距及邊樁長度等角度對復合地基的沉降值及水平位移進行了仿真分析，主要結論為：

a.樁體需深入至持力層內(nèi)，且樁長越長，沉降值和水平位移越小，樁身的側向摩擦力越大。

b.較小的樁間距會使路基中心處的樁承受較大的荷載，造成路基中部樁的沉降值變大，而合理的樁間距可以有效發(fā)揮樁間土的承載力。

c.邊樁無需深入持力層內(nèi)，采用不等樁長的布置形式，既可以滿足沉降要求，又能減小工程造價。