CFG樁復(fù)合地基處理橋頭深厚軟基的沉降變形分析

劉明

摘要：文章以廣西某橋南岸向路橋過渡段為工程背景，采用ABAQUS有限元軟件分析手段，對CFG樁復(fù)合地基處理軟弱橋頭深厚基礎(chǔ)的沉降變形進(jìn)行了系統(tǒng)分析，研究了褥墊層厚度、褥墊層模量、樁體模量、樁間距以及樁長等多種因素影響下的沉降變形規(guī)律，模擬分析得到的地基處置效果和沉降變形規(guī)律可為實(shí)際工程的方案選擇優(yōu)化提供理論借鑒。

關(guān)鍵詞：CFG樁復(fù)合地基;深厚軟基;ABAQUS;沉降變形;方案優(yōu)化

中圖分類號：U443.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.10.031

文章編號：1673-4874（2019）10-0110-04

0引言

伴隨國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，我國的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)取得了飛躍式的進(jìn)步，路橋施工技術(shù)在世界上已處于領(lǐng)先水平。橋梁作為公路工程中重要的組成部分，其兩岸的地基需要承受不斷變化的車輛載荷以及回填土自重，橋頭地基需要具有高強(qiáng)度、高穩(wěn)定性和耐久性，但是由于路基沉降差異，往往會出現(xiàn)橋頭跳車現(xiàn)象，這在實(shí)際過程中需要引起重視和認(rèn)真解決。

路橋過渡段地基大部分是由壓縮性高、含水率高、抗剪強(qiáng)度低的軟弱土構(gòu)成，很容易產(chǎn)生不均勻沉降，故而需要對橋頭地基進(jìn)行特殊處理。目前，路橋過渡段地基處理的方法主要有密實(shí)法、水利攪拌樁法、CFG樁復(fù)合地基等。其中，CFG樁是由水泥、粉煤灰、碎石、砂、水等通過配比拌合而成的高強(qiáng)高粘結(jié)的樁體，具有承載力可調(diào)、適用性強(qiáng)、變形小、施工質(zhì)量易保證以及經(jīng)濟(jì)性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于路基工程建設(shè)當(dāng)中，并通過理論與實(shí)踐證明是一種不錯(cuò)的軟基處理方法。

但是，影響CFG樁復(fù)合地基性能發(fā)揮的因素多種多樣，在設(shè)計(jì)、施王時(shí)需要綜合考慮，否則會大大降低CFG樁基的工程效益。本文結(jié)合實(shí)際工程，采用數(shù)值分析方法，在褥墊層厚度、褥墊層模量、樁體模量、樁間距以及樁長等多種因素影響下，對CFG樁復(fù)合地基處理橋頭深厚軟基的沉降變形規(guī)律進(jìn)行對比分析，可為類似工程提供借鑒。

1CFG樁復(fù)合地基簡介

CFG樁復(fù)合地基屬于剛性樁，由CFG樁、樁間土以及褥墊層三者之間的相互協(xié)調(diào)來起到承擔(dān)路基填土和車輛載荷的作用，其工作原理見圖1。路橋過渡段產(chǎn)生跳車現(xiàn)象的主要原因?yàn)椋翰痪鶆虺两?、材料剛度差異、路基土流失、伸縮縫破損等。目前常用的處置方法包括地基處治和路堤處治兩個(gè)方面，CFG樁復(fù)合地基屬于前者。CFG樁復(fù)合地基的作用機(jī)理主要包括：樁體作用、擠密作用、對土的約束作用、排水固結(jié)作用、褥墊層作用以及筋帶加固作用。其在處理橋頭軟基引起的跳車現(xiàn)象時(shí)具有如下優(yōu)勢：（1）CFG樁復(fù)合地基具有高粘結(jié)強(qiáng)度特性，對承載力具有很強(qiáng)的調(diào)節(jié)性;（2）適用范圍很廣，對大部分不良地質(zhì)條件下的情況均可處治;（3）變形小，施工質(zhì)量易保正，同時(shí)兼顧良好的工程效益。故而本文將對CFG樁復(fù)合地基處理橋頭深厚軟基層后的沉降變形特性進(jìn)行系統(tǒng)分析。

2 模型建立

2.1工程背景

某大橋南岸接線高速公路含有大量的軟土地基，平均厚度達(dá)到20-30m，路基平均寬度為35m，通過現(xiàn)場地質(zhì)勘察，自地表向下分布地層為：亞黏土層（平均厚度為2m）、淤泥質(zhì)亞砂土層（平均厚度為6-7m）、淤泥質(zhì)亞黏土土層（平均厚度為20-30m）、亞黏土（局部分布，埋深35m以下）及細(xì)砂、粉砂層（平均厚度為10m）。本文在建模過程中，選擇亞黏土、淤泥質(zhì)黏土和粉砂層共三層作為分析對象。

2.2有限元模型

在建模過程中做出如下假設(shè)：（1）土體為理想彈塑性體;（2）褥墊層與地基表面以及樁體與樁間土之間是連續(xù)接觸的，不產(chǎn)生相對的滑移;（3）各土層、樁體等均為各向同性體;（4）符合Mohr-Coulomb本構(gòu)原理。以實(shí)際工程為背景，建立路面寬度為35m，采用對稱計(jì)算方式（即取路面17.5m寬）進(jìn)行數(shù)值分析。土體橫向長度為60m，豎向深度為40m，原設(shè)計(jì)方案的CFG樁體長度為32m，模量為2000MPa，褥墊層厚度為0.5m，模量為40MPa，樁間距取值為2m，采用8節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立模型及約束如圖2所示。

2.3參數(shù)及方案設(shè)置

在模型建立過程中，需要設(shè)置壓縮模量、泊松比、滲透系數(shù)、土體孔隙比以及流體重度等多種參數(shù)，結(jié)合現(xiàn)場及室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，分別得到了各部位的計(jì)算參數(shù)值，如表1所示。以褥墊層厚度、褥墊層模量、樁體模量、樁間距以及樁長為變量，每種方案中以某一變量為可變影響因子，其余為固定影響因子，設(shè)置5種模擬方案，如表2所示。

3 模擬分析

3.1褥墊層厚度的影響

不同褥墊層厚度下路面中心和邊緣處的最大沉降變形模擬結(jié)果見圖3。從圖中可以看到：路面中心處的沉降量明顯大于邊緣處的沉降，大約為后者的2-3倍;隨著褥墊層厚度的逐漸增大，路面的沉降變形逐漸減小;原方案褥墊層厚度為0.5m時(shí)，其路面的沉降變形最小。但是從圖中可以觀察到，當(dāng)褥墊層厚度>0.3m后，路面的沉降變形減小趨勢已不是很明顯，表明褥墊層厚度對于沉降變形的影響減弱。在本工程實(shí)際過程中，應(yīng)適當(dāng)控制褥墊層厚度，在充分考慮設(shè)計(jì)要求、施工復(fù)雜程度以及工程造價(jià)上，適當(dāng)減小褥墊層厚度，也能滿足相應(yīng)的要求。

3.2 褥墊層模量的影響

不同褥墊層模量下路面的沉降變形量見圖4。從圖4中可以看到：隨著褥墊層模量的增加，路面中心處和邊緣處的最大沉降變形量基本呈線性降低，中心處的沉降變形約為邊緣處的3倍;與褥墊層厚度對沉降變形的影響（見圖3）相比，褥墊層模量對于沉降變形的影響較小。在實(shí)際工程中，若增加褥墊層模量可以在一定程度上降低沉降變形，但在增加褥墊層模量的同時(shí)，意味著也增大了施工復(fù)雜程度，對工期和造價(jià)不利。原方案的模量為40MPa，故建議保持。

3.3 樁體模量的影響

不同樁體模量下路面的沉降變形情況見圖5。從圖中可以看到：隨著樁體模量的逐漸增加，路面沉降逐漸減小，且每增加模量一次，其減小幅度越小;中心線處的沉降量是邊緣處的2-4倍，且模量越大，相差量越大，表明樁體模量增大對路面邊緣處沉降的影響程度大于中線處的影響程度。在實(shí)際施工過程中，適當(dāng)增加樁體模量可以帶來減小沉降的效果，但樁體模量增加意味著施工工藝難度和工程造價(jià)的增加。因此，結(jié)合模擬成果，認(rèn)為原方案中2000MPa的設(shè)計(jì)價(jià)值合理可行。

3.4 樁間距的影響

不同樁間距情況下路面沉降變形情況見圖6。從圖6中可以觀察到：隨著樁間距的逐漸增大，路面的沉降逐漸增加，中心線處的沉降變形約為邊緣處2-4倍，且樁間距越大，此值越小，表明樁間距對邊緣處的沉降影響程度大于中心線處。在中心線處，每遞增0.4m的樁間距，沉降增加量分別為].]cm、1.8cm、0.8cm以及1.1cm;而在邊緣處，每遞增。.4m的樁間距，沉降增加量分別為1.1cm、1.8cm、0.8cm和1.0cm?？梢姌堕g距從2.0cm增加至2.4cm的過程中，其沉降變形的影響程度最大，表明原方案將樁間距定為2m是科學(xué)合理的。但是在實(shí)際施工過程中若都按照2m間距進(jìn)行施工，雖然會達(dá)到預(yù)期效果，但考慮經(jīng)濟(jì)和工程量因素，認(rèn)為僅需要在沉降大的位置對樁間距進(jìn)行適當(dāng)加密，而在沉降小的位置可適當(dāng)將樁間距增大，對樁的布置需要視情況靈活變通。

3.5樁長的影響

不同樁長對路面沉降的影響見圖7。從圖中可以觀察到：隨著樁長的逐漸增加，路面的沉降量呈逐漸降低趨勢，但降低幅度隨著樁長的增加而逐漸減小，路面中線處的沉降量約為邊緣處的2-3倍，當(dāng)樁長>32m后，沉降量降低幅度很小，表明此時(shí)樁已經(jīng)深入持力層，再繼續(xù)增加樁長對沉降減小效果會越來越小，于工程造價(jià)不利。在實(shí)際施工過程中，建議可適當(dāng)增加原方案中32m的樁長，但增加量不宜過多，以確保樁身深入持力層，同時(shí)不至于增加特別大的施工難度和工程費(fèi)用。

4 結(jié)語

（1）褥墊層厚度、樁體模量、樁間距以及樁長對地基的沉降影響大于褥墊層模量。

（2）褥墊層厚度在原方案上可適當(dāng)減小;褥墊層模量和樁體模量建議保持原設(shè)計(jì)方案;樁間距應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行加密或者減小;樁長在原設(shè)計(jì)32m基礎(chǔ)上建議適當(dāng)增加，以確保深入持力層，但不建議增加太多。

（3）結(jié)合研究成果及規(guī)律，認(rèn)為在結(jié)合施工難易度，滿足工程設(shè)計(jì)需求以及減少工程投資的基礎(chǔ)上對設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化可達(dá)到解決橋頭跳車的目的。