CFG樁處理高填方軟弱地基沉降分析

張 博

（中交遠洲交通科技集團有限公司 山西分公司，山西 太原 030006）

引言

軟土路基具有壓縮程度高、固結時間長等特點。軟土路基容易造成路面開裂、影響行車舒適性，嚴重的會造成路基滑動甚至垮塌，帶來嚴重的后果[1]。目前針對軟土路基的處理方法主要分為兩類。第一類是對天然路基進行土質改良，包括預壓排水固結、振密等措施，另外一類則是在軟弱路基中加入增強體，包括橫向增強體和縱向增強體。橫向增強體主要是在軟弱路基中加入土工格柵土工布等，提高軟弱路基的承載力，減小不均勻沉降?？v向增強體則在土體中打入剛性樁、施作柔性樁等形成復合地基，提高土體的模量達到減小沉降的目的[2-3]。目前針對軟弱路基的處理研究也得到了不少的成果。黃生根等研究了有樁帽CFG樁的承載能力、受力特性和樁土之間的相互作用關系[4]。付廣新以數值模擬為手段，研究了高填方路堤樁-網復合地基的受力特征及沉降特性面，為樁土復合地基的數值研究提供了一定的參考[5]。隨著研究的深入，運用樁處理地基的技術得到了一定的提升，并逐漸用于更多的基礎工程。CFG樁在處理軟弱地基中具有樁體作用、擠密作用、褥墊層作用[6-7]。

1 工程概況

某擬建雙向四車道高速公路區(qū)段為填方路段，道路路基寬為20 m，填方坡率為1∶1.5，填方高度為10 m。其下為深厚的軟弱路基，不能達到路基的設計要求，需要對其進行處理。該軟弱路基第一層土為8.5 m厚的軟塑粉質黏土，其下為強風化砂巖和中風化砂巖。巖層基本水平，屬于典型的沉積巖地層構造。根據地勘報告其巖層參數見表1。

表1 土層參數

為了處理道路路基使其滿足設計要求，采用CFG樁對軟弱地基進行處理加固，采用梅花形布置，根據《建筑地基基礎設計規(guī)范》（GB50007-2011）的要求，樁端應進入持力層深度宜為樁身直徑的1～3倍，因此本次樁長擬定為10 m。CFG樁的參數分析模擬方案見表2。

表2 CFG樁模擬方案參數

2 有限元模型建立

在有限元模型的分析過程中，為了消除邊界對模型計算的影響，在路堤兩側各取40 m寬。同時為了避免填方體一次性填筑對計算帶來的誤差影響，以及考慮對施工過程影響，建立模型見圖1。

圖1 模型（m）

根據樁土的不同性質，采用不同的材料本構模型進行模擬。樁在實際工程中處于彈性受力狀態(tài)，因此選用各向同性的彈性本構模型進行模擬。軟塑黏土和砂巖符合摩爾庫倫屈服準則，采用摩爾庫倫本構模型。碎石墊層及填方土體同樣采用M-C準則。各材料的參數取值見表3。

表3 模型參數

該填方路堤在縱向上的邊界條件和受力基本沒變化，因此可將該問題簡化為平面應變問題。在邊界設置上，由于由地基土體的約束，認為地基土在水平方向上是不產生位移的，因此左右邊界約束其水平位移，可發(fā)生豎向沉降位移。底部邊界水平和豎向均限制位移。在網格劃分中，墊層網格大小控制為0.2 m，填土和粉質黏土土層網格大小為0.5 m，下部基巖層為1 m，中間線條為過渡長度。網格劃分模型見圖2。

圖2 有限元計算模型

3 有限元模擬結果分析

3.1 施工階段模擬

根據實際施工過程將該填方路堤的施工過程進行階段模擬，見表4。

表4 CFG樁施工階段模擬說明

3.2 路基頂面沉降分析

根據建立的模型得到在不同樁徑、不同樁間距的設計參數下，填方路堤地表沉降曲線，見圖3～圖5。

圖3 路基頂面沉降曲線（樁徑0.4 m）

圖4 路基頂面沉降曲線（樁徑0.5 m）

圖5 路基頂面沉降曲線（樁徑0.6 m）

從圖3～圖5可以看出，在不同樁徑樁間距下，路面地表的沉降都呈現(xiàn)為U字形，道路中線附近的路面沉降值最大，并向道路邊緣遞減，在道路邊緣處的地表沉降值最小。究其原因，在初始地應力平衡之后，原狀地基土已經達到平衡狀態(tài)。在路堤填筑過程中，下部軟弱地基會在填土的重力下進一步受力，土體中的空隙水進一步被排出，土顆粒之間的間隙會被進一步壓縮，從而發(fā)生固結沉降，宏觀表現(xiàn)為地表的下沉。由于路中央的填土受到周圍土體的橫向約束，土體無法發(fā)生較大的水平位移，土顆粒只能發(fā)生豎向的移動，因此路中央的地表沉降量最大。越靠近路邊緣的土顆粒水平向約束力越弱，因此土顆粒的部分位移轉化為橫向位移，從而表現(xiàn)為地面的水平位移，尤其是在坡腳處表現(xiàn)更為明顯。

分析圖3可知，當樁間距為1.6 m時，道路中心線處的路基頂面沉降值為73.11 mm，道路邊緣處的路基頂面沉降為60.91 mm，橫向路基頂面沉降差值為12.20 mm。同樣當樁間距分別為2.0 m和2.4 m時，橫向路基頂面沉降差值為13.39 mm、13.80 mm，這說明隨著樁間距的增大，道路中線和道路邊緣的沉降差值也逐漸增大。

由圖3可以得出，從道路中線至距路中線左右6 m的位置，地表的沉降都比較接近。而在距路中線6 m至路邊緣的范圍內，地表的沉降較路中心線出現(xiàn)了大幅度減小。此U形曲線出現(xiàn)拐點的位置并非固定，這與填土的彈性模量和泊松比等具有一定關系。

從圖3～圖5還可以看出，樁間距為1.6 m時路面的沉降最小，其次是2.0 m，樁間距為2.4 m時沉降最大，這說明隨著樁間距的增大，路面的沉降也逐漸變大。并且樁間距從1.6 m到2.0 m，沉降變化很大，2.0 m和2.4 m的樁間距沉降差異較小。

3.3 樁頂沉降分析

從圖6～圖8可以看出，在不同樁間距參數下，樁頂的沉降位移變化曲線并不一致。

從圖6可以看出，在樁間距為1.6 m時，從道路邊緣到道路中線至右邊緣，樁頂的沉降位移總體呈現(xiàn)出W形分布，在道路中心線和道路邊線處的樁頂位移較大。道路中心處的中心樁頂沉降為3.85 mm，道路邊緣處的邊樁沉降為5.5 mm，其中-13號樁的樁頂沉降最大為13.7 mm，沉降差值約為9.85 mm。

從圖7可以看出，在樁間距為2.0 m的設計下，樁頂沉降位移表現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律。道路中心的中心樁沉降最大，為13.98 mm。隨著與道路中線的距離增加，樁頂沉降位移逐漸減小，邊樁處的樁頂位移最小為3.78 mm，沉降差值為10.20 mm，這與路面的沉降趨勢一致。

從圖8可以看出，在樁間距為2.4 m時，樁頂的沉降位移也表現(xiàn)出上下波動的變化趨勢。中心樁的樁頂沉降位移為10.34 mm，邊樁沉降為5.14 mm，最大樁頂沉降為13.71 mm，沉降差為8.57 mm。

圖6 樁頂沉降曲線（樁間距1.6 m）

圖7 樁頂沉降曲線（樁間距2.0 m）

圖8 樁頂沉降曲線（樁間距2.4 m）

根據復合地基的彈性模量計算方法可知，不同樁徑、樁距下的復合地基模量不一樣，從而導致不同樁徑樁間距下的復合地基的沉降不一樣。表現(xiàn)為路面沉降和樁頂沉降都存在一定的差異?？闯鰳俄數某两挡町惒⒉淮?，說明在該樁徑樁間距的設計工況下對樁頂的沉降影響不大。

4 結語

（1）在不同的樁徑樁間距下，路面沉降曲線為U形，道路中線沉降最大，并向道路邊緣遞減，在道路邊緣處的地表沉降值最小。（2）樁間距1.6 m時沉降最小，樁間距2.0 m和2.4 m的沉降較大且比較接近。隨著樁間距的增大，道路中線和道路邊緣的沉降差值也逐漸增大。（3）由于樁徑樁間距以及樁位置的不同，使CFG樁加固軟弱地基的彈性模量不一樣，樁頂沉降的變化趨勢不一致，但樁頂沉降差別不大。