CFG樁+泡沫混凝土解決軟基橋頭跳車的聯(lián)合應(yīng)用研究

盧蘭萍，張宇超，李明勛

摘要：為了減小路橋過渡段的差異沉降，緩解軟土地區(qū)的橋頭跳車問題，提出了一種采用CFG樁復(fù)合地基聯(lián)合換填泡沫混凝土加固軟基的方案。依托實(shí)際工程案例，采用有限元軟件MIDAS GTS/NX建立了CFG樁復(fù)合地基工況模型與原始工況模型，檢驗(yàn)了CFG樁復(fù)合地基的有效性，然后建立了CFG 樁聯(lián)合臺(tái)后換填泡沫混凝土方案的模型進(jìn)行固結(jié)沉降分析，并驗(yàn)證了兩者聯(lián)合應(yīng)用的優(yōu)越性。研究結(jié)果顯示：1）CFG樁復(fù)合地基對(duì)于軟基的加固效果顯著，其工期沉降比原始工況減少了18.32 cm;2）CFG樁復(fù)合地基加固軟基時(shí)，臺(tái)后換填泡沫混凝土使橋臺(tái)與路面的臺(tái)階型差異沉降相較于臺(tái)后普通路基填土工況減小了0.72 cm，對(duì)于橋頭跳車問題的治理效果良好;3）模擬結(jié)果與工程實(shí)測(cè)沉降數(shù)據(jù)對(duì)比誤差極小，說明了有限元模擬的可靠性。研究結(jié)果有效解決了常見的橋頭跳車問題，方案具有更安全、環(huán)保、可靠的特點(diǎn)，可為軟土地區(qū)的路橋過渡段工程提供一定的理論參考與借鑒。

關(guān)鍵詞：地基基礎(chǔ)工程;CFG樁;泡沫混凝土;軟土地基;橋頭跳車;數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：U416.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.7535/hbgykj.2021yx06012

Study on the combined application of CFG pile + foam concrete

in solving bump at bridge head on soft soil foundation

LU Lanping，ZHANG Yuchao，LI Mingxun

（School of Civil Engineering，Hebei University of Engineering，Handan，Hebei 056038，China）

Abstract：In order to reduce the differential sedimentation in the transition section and alleviate the problem of bump at bridge head on soft soil foundation，a scheme of CFG pile composite foundation combined with replacement of foam concrete to reinforce the soft foundation was proposed.Based on the actual project，the finite element software MIDAS GTS / NX was used to establish the models of CFG pile composite foundation and original foundation，and the effectiveness of CFG pile composite foundation was verified.Then the "CFG pile composite foundation + foam concrete" model was set up for consolidation sedimentation analysis to verify the advantages of joint application.The results show that：1） the soil settlement of the CFG pile composite foundation is reduced by 18.32 cm compared with the original working condition，which has a significant effect on soft foundation reinforcement;2） compared with the replacement of ordinary filling behind abutment，the combined application of CFG piles and foamed concrete reduces the differential settlement of the bridge abutment and the pavement by 0.72 cm，and the treatment effect the problem of bump at the bridge head is good;3） compared with the measured settlement data of the project，the error of the simulated results is extremely small，which shows the reliability of the finite element simulation.The research results can solve the common problems of bump at bridge head and the scheme has the characteristics of safety，environmental protection and reliability，which? can provide some theoretical reference for the design of transition sections of roads and bridges in soft soil areas.

Keywords：foundation engineering;CFG pile;foam concrete;soft soil foundation;bump at bridge head;numerical simulation

由于橋梁結(jié)構(gòu)為剛性結(jié)構(gòu)，道路基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)為剛性和柔性的混合結(jié)構(gòu)，在車輛的反復(fù)碾壓下，路橋過渡段會(huì)形成不同程度的差異沉降，產(chǎn)生橋頭跳車問題，影響行車舒適性，降低通行能力，增加養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用，甚至引起交通事故[1-2]。尤其是軟基地區(qū)，因其含水量較高、孔隙大、可壓縮性強(qiáng)、抗剪能力較低、固結(jié)緩慢，使得這種不均勻沉降更加突出，隱患更大。而橋頭道路的地基結(jié)構(gòu)和臺(tái)后填土是影響橋頭跳車的主要因素，需重點(diǎn)解決。

泡沫混凝土作為一種新型的輕質(zhì)材料，其自重輕，可以減小對(duì)軟土地基的附加應(yīng)力，從而減小土層的沉降量，緩解橋頭跳車現(xiàn)象，且自立性良好，可以減小對(duì)擋土墻或臺(tái)背的側(cè)向力[3]。CFG樁復(fù)合地基是由CFG樁、樁間土和褥墊層共同協(xié)調(diào)作用，主要的作用機(jī)理是樁、樁間土和褥墊層共同承擔(dān)地基上部的路堤填土自重和長(zhǎng)時(shí)間的行車荷載，可以有效加固軟基，減小沉降。WATABE等[4]研究了泡沫輕質(zhì)土填筑東京機(jī)場(chǎng)跑道項(xiàng)目，并且通過分析豎向沉降位移隨時(shí)間的變化關(guān)系，得出該材料可作為良好填筑材料的結(jié)論。杜素云等[5]、駱建生[6]、鄭寒釗[7]在軟土路基項(xiàng)目中應(yīng)用泡沫輕質(zhì)土，并與傳統(tǒng)填土進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果均顯示采用泡沫輕質(zhì)土可以有效減小路基沉降。薛新華等[8]、郅彬等[9]進(jìn)行了大型室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)的CFG樁復(fù)合地基工程試驗(yàn)，研究樁土共同作用機(jī)理，總結(jié)了CFG樁復(fù)合地基的沉降規(guī)律及影響因素。黎璽克[10]、潘宏鑫[11]基于實(shí)踐工程，通過有限元模擬計(jì)算沉降變形，并與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，證明了CFG樁復(fù)合地基應(yīng)用的有效性。

從上述研究可以看出，之前研究多是單獨(dú)應(yīng)用CFG樁復(fù)合地基或泡沫混凝土加固軟基減小沉降，但是對(duì)于軟基的路橋過渡段，單獨(dú)加固軟基或減輕路基并不能很好地緩解橋頭跳車問題，因此本文依托實(shí)際工程案例提出在軟基路橋過渡段臺(tái)后回填區(qū)內(nèi)換填泡沫混凝土，聯(lián)合CFG樁復(fù)合地基來減少路橋過渡段的不均勻沉降，并建立有限元模型計(jì)算分析，驗(yàn)證其有效性，可為類似工程提供參考。

1工程概況

依托福州市某道路工程，規(guī)劃道路紅線寬40 m，設(shè)計(jì)速度為40 km/h，設(shè)置雙向四車道。根據(jù)工程地質(zhì)勘探報(bào)告，該處地層結(jié)構(gòu)自上而下有雜填土、淤泥、細(xì)砂，其中雜填土層厚1.5～3.5 m，主要由黏性土、砂土及碎石土堆填，硬雜質(zhì)含量約30%，粒徑約5～15 cm，均勻性差;淤泥層層厚5.3～11.5 m，深灰色，飽和，流塑狀態(tài)，含腐殖質(zhì)，有臭味，不均勻地夾少量粉細(xì)砂，稍有光澤，搖振反應(yīng)慢，干強(qiáng)度及初性中等;細(xì)砂層厚6.5～10.5 m，局部為（含泥）細(xì)砂或細(xì)中砂，主要成分為細(xì)粒石英砂，濕，稍密狀態(tài)，飽和，級(jí)配一般，局部含泥。橋頭路基填土高度為5 m。根據(jù)工程地質(zhì)勘探報(bào)告及室內(nèi)土工材料試驗(yàn)，本文所涉及的材料物理力學(xué)特征取值如表1所示。

2有限元模型的建立

為了探究在CFG樁復(fù)合地基處理下，臺(tái)后回填泡沫混凝土在工程中處理橋頭跳車問題的優(yōu)越性[12]，采用大型巖土有限元分析軟件MIDAS GTS/NX建立相關(guān)有限元計(jì)算模型，即先建立原始工況與最優(yōu)方案的CFG樁復(fù)合地基工況有限元模型，對(duì)比分析驗(yàn)證CFG樁復(fù)合地基的應(yīng)用有效性;然后建立在CFG復(fù)合地基處理下，臺(tái)后換填普通填土與泡沫混凝土的有限元模型，再進(jìn)行沉降對(duì)比分析，驗(yàn)證CFG樁聯(lián)合泡沫混凝土共同緩解橋頭跳車問題的有效性。

2.1幾何模型的建立

模型選取路橋過渡段的縱斷面，根據(jù)地質(zhì)勘探資料確定計(jì)算模型的大致尺寸。所建模型地基高度從雜填土頂部取到細(xì)砂層底部共28.1 m，地基長(zhǎng)取46 m;路基填筑高度5 m，寬度取自橋臺(tái)向路面延伸36 m;路面層共0.58 m。模型取自橋臺(tái)向路面延伸的15 m范圍為臺(tái)后換填區(qū)進(jìn)行重點(diǎn)研究分析，模擬臺(tái)后回填時(shí)，采用階梯式回填，每層回填厚度為1 m。

為更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)仳?yàn)證臺(tái)后換填泡沫混凝土的有效性，首先要使CFG樁復(fù)合地基發(fā)揮最大加固效果，因此選取多個(gè)樁體參數(shù)，控制單一變量，進(jìn)行參數(shù)組合模擬，結(jié)合沉降結(jié)果與造價(jià)統(tǒng)計(jì)分析確定最優(yōu)參數(shù)組合，進(jìn)行下一步的研究。由于工程中樁的造價(jià)按樁長(zhǎng)70元/m計(jì)算，故暫不考慮樁徑的影響，僅考慮樁間距與樁長(zhǎng)，最終各組合的沉降結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表2所示。通過表2數(shù)據(jù)顯示，綜合考慮沉降與造價(jià)后，樁長(zhǎng)15.5 m、樁間距1.5 m、樁徑400 mm為最優(yōu)參數(shù)組合，以此建立CFG樁復(fù)合地基模型，路面結(jié)構(gòu)和模型整體結(jié)構(gòu)的幾何模型示意圖如圖1所示。

2.2材料參數(shù)及本構(gòu)模型選取

在有限元計(jì)算中，假設(shè)各構(gòu)件均為各向同性材料，根據(jù)不同材料實(shí)際特性來選取不同的彈塑性本構(gòu)模型[13-14]。橋臺(tái)、路面鋪裝、墊層以及樁采用線彈性模型，地基土層、臺(tái)后回填土以及路堤填土均采用摩爾-庫侖本構(gòu)模型。CFG樁采用軟件中的1D梁屬性，其他構(gòu)件為2D平面應(yīng)變屬性。網(wǎng)格劃分采用2D德勞內(nèi)三角形網(wǎng)格自動(dòng)-區(qū)域劃分。模型網(wǎng)格劃分示意圖如圖2所示。

固結(jié)沉降分析時(shí)，還需設(shè)置土體邊界條件、排水邊界條件以及非固結(jié)條件，在此有限元軟件中自動(dòng)添加土體邊界約束，為模擬CFG樁復(fù)合地基實(shí)際的排水功能，對(duì)CFG樁與砂墊層設(shè)置排水邊界條件，由于橋臺(tái)的剛度極大，相對(duì)于路基變形極小，故設(shè)置其為非固結(jié)條件，然后添加自重與行車荷載，創(chuàng)建施工階段管理，最后進(jìn)行運(yùn)行分析。

3CFG樁復(fù)合地基的應(yīng)用有效性分析

針對(duì)原始工況與CFG樁復(fù)合地基處理的工況，分別模擬實(shí)際施工流程，原始工況模擬65天完成路面施工，CFG樁復(fù)合地基工況歷時(shí)95天完成路面施工，然后進(jìn)行固結(jié)沉降分析，最后對(duì)比完工時(shí)的工期累積沉降變化。2種工況下的沉降云圖如圖3所示。

由圖3可看出原始工況下的最大工期沉降為20.5 cm，CFG樁復(fù)合地基處理下的最大工期沉降為2.18 cm，相較于原始工況減小了18.32 cm，證明CFG樁復(fù)合地基的應(yīng)用對(duì)于減小路橋過渡段的沉降有顯著效果。但是由圖3 b）可以看出路基部分的最小沉降值約1.6 cm，在完工后，道路通車運(yùn)行期間，土體固結(jié)沉降會(huì)繼續(xù)進(jìn)行，不均勻沉降會(huì)越來越大，橋頭跳車問題必然會(huì)發(fā)生，故本文提出CFG樁復(fù)合地基處理后，可在臺(tái)后換填輕質(zhì)材料泡沫混凝土以進(jìn)一步減小路基沉降，降低出現(xiàn)橋頭跳車問題的可能性。

4CFG樁+泡沫混凝土沉降模擬分析

建立CFG樁復(fù)合地基處理下的臺(tái)后換填泡沫混凝土有限元模型，并與臺(tái)后回填普通填土以及原始工況進(jìn)行沉降對(duì)比分析，模擬實(shí)際施工流程完成施工，并模擬通車運(yùn)行6個(gè)月，將車輛荷載簡(jiǎn)化為11 kPa的均布荷載[15]。

4.1固結(jié)完成時(shí)的沉降模擬分析

原始工況模型共運(yùn)行245天，另外2個(gè)模型共運(yùn)行分析時(shí)間都為275天。根據(jù)沉降結(jié)果可知，原始工況下土體在158天左右完成固結(jié)沉降;CFG樁復(fù)合地基處理下，無論臺(tái)后回填普通填土，還是臺(tái)后換填泡沫混凝土，土體都在185天左右完成固結(jié)沉降，即通車運(yùn)行90天左右。3種方案固結(jié)完成時(shí)的沉降位移結(jié)果對(duì)比如表3所示，此時(shí)的沉降云圖如圖4所示。提取臺(tái)后填土與普通路基填土交界面上的點(diǎn)為沉降觀測(cè)點(diǎn)，如圖4 a）所示。

通過表3對(duì)觀測(cè)點(diǎn)沉降值的提取，對(duì)比可發(fā)現(xiàn)CFG樁復(fù)合地基處理下無論臺(tái)后回填材料是普通填土，還是泡沫混凝土，相對(duì)于原始工況，土體的沉降位移都有明顯的減小，且減小了約90%的沉降。觀察表3發(fā)現(xiàn)，換填泡沫混凝土后的最大沉降值減小不明顯，這是因?yàn)槟Ｐ偷淖畲蟪两蛋l(fā)生在遠(yuǎn)橋臺(tái)端，即模型的最右端，此處沒有換填泡沫混凝土，其沉降也對(duì)橋頭跳車問題影響不大。而通過觀察回填區(qū)內(nèi)3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的沉降值，可知換填泡沫混凝土后，近橋臺(tái)端的沉降皆有明顯的改善，累積沉降比普通回填土減小了1.13 cm，這是由于泡沫混凝土材料自重輕，降低了傳遞到地基土層中的附加應(yīng)力，且壓縮模量較大，抗壓縮能力也強(qiáng)，因此在荷載作用下，近橋臺(tái)的路面沉降會(huì)降低。

在沉降云圖中紅色區(qū)域?yàn)槌两底畲蠓秶鷧^(qū)域，沉降依次遞減顯示為黃綠藍(lán)三色。通過觀察圖4的沉降云圖可知，CFG樁+泡沫混凝土工況下，所有顏色區(qū)域的沉降值都比CFG樁+普通回填土工況下要小。在CFG樁+普通回填土工況下，紅色區(qū)域占比60.4%左右，大范圍在路基土層中，且最近出現(xiàn)在距離橋臺(tái)端6 m處;黃色區(qū)域范圍為17.6%左右，僅少部分出現(xiàn)于距橋臺(tái)3 m范圍內(nèi)，大范圍在地基土層中;綠色占比13.1%，都在地基土層中。而CFG樁+泡沫混凝土工況下，紅色區(qū)域占比約46.5%，雖大范圍也在路基土層中，但是最近出現(xiàn)在距橋臺(tái)13 m處;黃色區(qū)域占比為17.6%，均出現(xiàn)在距橋臺(tái)的更遠(yuǎn)端，對(duì)橋頭跳車問題影響較小;綠色區(qū)域占比21.0%，大都分布于距橋臺(tái)約7 m范圍內(nèi)的地基與路基土層中。藍(lán)色均出現(xiàn)在地基土層范圍中，故不做比較?？偠灾?，CFG樁+泡沫混凝土工況下的沉降值更小，沉降分布也更合理，可有效緩解不均勻沉降問題。

由于橋頭跳車問題的發(fā)生主要是由于長(zhǎng)時(shí)間荷載作用下橋臺(tái)與道路的剛度差而導(dǎo)致發(fā)生的差異沉降[16]，因此比較分析3種工況下的臺(tái)階型高差，默認(rèn)橋臺(tái)的沉降為0，提取3種工況下橋臺(tái)與路面交界點(diǎn)，即路面線0點(diǎn)的沉降值，結(jié)果顯示原始工況下為8.32 cm。CFG樁+普通回填土工況下，沉降為1.6 cm;CFG樁+泡沫混凝土工況下，沉降為0.88 cm。計(jì)算可知CFG樁+泡沫混凝土?xí)r，臺(tái)階型高差比原始工況減小了7.44 cm，比CFG樁+普通回填土工況減小了0.72 cm。證明臺(tái)后換填泡沫混凝土可以有效減小臺(tái)階差。

通過以上對(duì)比分析可知CFG樁+泡沫混凝土工況下，由于泡沫混凝土填筑過渡段路基是現(xiàn)場(chǎng)階梯狀澆筑的，保證了每層的有效剛度是遞減的，達(dá)到路橋剛?cè)徇^渡的效果，符合有限元模擬得出的路橋過渡段整體沉降減小，離橋臺(tái)越遠(yuǎn)，沉降越大，且沉降分布范圍更為合理，車輛過渡更加平穩(wěn)的結(jié)果。

4.2完工時(shí)的沉降模擬分析

3種方案沉降觀測(cè)點(diǎn)1，2，3的歷時(shí)沉降如圖5所示。由圖5可知CFG樁復(fù)合地基的工況在95天完成施工時(shí)，已完成了近90%的沉降，而原始工況在65天完成施工時(shí)，也已完成了近91%的沉降。說明沉降主要發(fā)生在工程填筑施工時(shí)期，完工時(shí)兩者的豎向沉降云圖如圖6所示。

從圖6中可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于施工過程中產(chǎn)生的工期沉降，3種工況的沉降規(guī)律均為離橋臺(tái)越遠(yuǎn)，路面沉降值就越大?；贑FG樁復(fù)合地基，臺(tái)后換填泡沫混凝土?xí)r，臺(tái)后換填區(qū)范圍內(nèi)的最小沉降值約為1.0 cm，最大沉降值出現(xiàn)在距離橋臺(tái)14 m左右，約為1.9 cm，且過渡平穩(wěn);而臺(tái)后普通填土回填下，臺(tái)后回填區(qū)最小沉降值約為1.8 cm，最大沉降值出現(xiàn)在距離橋臺(tái)6 m左右，沉降約為2.0 cm然后趨于穩(wěn)定。說明在填筑施工時(shí)期，臺(tái)后換填泡沫混凝土?xí)r，整體沉降都較普通填土要小，尤其近橋臺(tái)端的沉降明顯降低，且在整個(gè)回填區(qū)內(nèi)的沉降分布均勻，可以使車輛更平穩(wěn)地通過過渡段，保障乘坐人員的安全性和舒適性。

隨后，對(duì)該工程通車后進(jìn)行一年的沉降監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示臺(tái)后換填區(qū)范圍內(nèi)的最大累積沉降為2.1 cm，符合橋頭沉降的控制標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)比固結(jié)完成時(shí)的模擬計(jì)算沉降值相差0.2 cm，在接受范圍之內(nèi)，模擬沉降結(jié)果合理，也佐證了有限元模擬的可行性，可為工程實(shí)際提供一定的理論參考。

5結(jié)語

筆者通過在軟基路橋過渡段應(yīng)用CFG樁+泡沫混凝土的方法來減少路橋過渡段不均勻沉降，以達(dá)到緩解橋頭跳車問題的目的，并以工程實(shí)例為背景采用有限元軟件MIDAS GTS/NX建立模型進(jìn)行沉降分析，結(jié)論如下。

1）CFG樁復(fù)合地基能夠有效加固軟土地基，減小沉降，但是CFG樁復(fù)合地基處理后路面的最小工期沉降值約為1.6 cm，后期仍有發(fā)生橋頭跳車問題的風(fēng)險(xiǎn)。

2）在CFG樁復(fù)合地基處理下，臺(tái)后換填泡沫混凝土相較于回填普通回填土的路面與橋臺(tái)臺(tái)階型高差減小了0.72 cm，且回填區(qū)范圍內(nèi)沉降云圖大部分顯示為綠色，標(biāo)志著近橋臺(tái)端范圍內(nèi)的沉降更小，更有利于車輛的平穩(wěn)過渡，駕駛員與乘客的安全性與舒適性也更高。

3）泡沫混凝土相對(duì)于其他的輕質(zhì)回填材料更環(huán)保，施工也更方便快捷，且其自立性良好，對(duì)橋臺(tái)結(jié)構(gòu)物造成的側(cè)向力極小，研究結(jié)果顯示與CFG樁復(fù)合地基的聯(lián)合應(yīng)用，對(duì)于橋頭跳車問題的治理效果良好，與該工程的實(shí)踐監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的誤差也在合理范圍內(nèi)。

后期可建立該方案的三維土體模型，更全面地分析土體的沉降變化規(guī)律，證明該方案的有效性。另外，該方案的實(shí)踐較少，也需更多的實(shí)踐工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來佐證有限元模擬的可靠性。

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