水泥粉煤灰碎石樁復(fù)合地基對于軟基的加固效果研究

盧蘭萍， 張澤浩， 張宇超

(河北工程大學(xué)土木工程學(xué)院， 邯鄲 056038)

中國的河谷、海濱等地形區(qū)域多為粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)黏土等軟性土體，呈現(xiàn)含水率高、抗剪強(qiáng)度低、孔隙大易壓縮的特點，尤其在路橋過渡段，由于公路軟土地基的承載穩(wěn)定性極差，很容易形成沉降差，引發(fā)橋頭跳車問題。因此在道路工程設(shè)計施工時，軟基的加固處理尤為重要。隨著工程經(jīng)驗的積累，目前已有多種有效的處理措施，如換填法、強(qiáng)夯法、復(fù)合地基法等，其中水泥粉煤灰碎石(cement fly ash gravel，CFG)樁復(fù)合地基對于加固軟基效果顯著。

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時間的行車荷載，可以有效緩解不均勻沉降。黎璽克[1]進(jìn)行了FLAC3D數(shù)值分析,并與單樁現(xiàn)場試驗結(jié)果對比分析，結(jié)果大致吻合，證明了CFG樁復(fù)合地基的加固效果顯著，也證明了數(shù)值模擬的可靠性。徐林榮等[2]現(xiàn)場試驗CFG樁復(fù)合樁基，探究其沉降控制機(jī)理，并且通過長期觀測其樁土應(yīng)力分布情況與荷載分擔(dān)比，對復(fù)合地基的設(shè)計參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。潘宏鑫[3]基于銀川CFG樁復(fù)合地基工程為背景，建立有限元模型，施加不同荷載觀察沉降變形，分析了不同褥墊層厚度與樁長對其作用效果的影響。羅剛[4]研究改進(jìn)了CFG樁復(fù)合地基的變形計算方法，在此過程中，重點考慮了沒有同步變形的土體以及樁土的相對滑移，并將改進(jìn)后的算法與規(guī)范進(jìn)行對比，同時在工程中加以應(yīng)用，確定改進(jìn)算法的可行性。沈政等[5]采用一定比例的水泥加粉煤灰的固化劑配比，結(jié)合固化后的含水率、強(qiáng)度以及承載力進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：采用5%水泥和2%粉煤灰對固化深度為1 m時的承載力更好。孫世國等[6]采用有限元方法開展了采用CFG樁進(jìn)行地基處理的數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明：對于地基承載力足夠大，但地基差異沉降過大的不良地基，采用CFG樁來協(xié)調(diào)地基變形具有良好效果。上述研究成果均顯示出CFG樁廣闊的應(yīng)用前景，但對CFG樁加固公路路基的研究較少。

為此，基于福州市的一個路橋過渡段CFG樁復(fù)合地基工程，采用有限元軟件MIDAS GTS/NX建立過渡段縱斷面CFG樁復(fù)合地基模型，進(jìn)行靜力固結(jié)模擬計算，并就同一樁點處的沉降，借鑒陳俊豪[7]所做的橫斷面模擬沉降結(jié)果以及現(xiàn)場沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，驗證CFG樁復(fù)合地基加固軟基的有效性以及有限元模擬的準(zhǔn)確性。

1 工程概況

該工程規(guī)劃道路紅線寬40 m，設(shè)計速度為40 km/h，設(shè)置雙向四車道。樁號CK1+021.7～CK1+051.7路橋過渡段，根據(jù)工程地質(zhì)勘探報告，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2.0～4.0 m，主要由黏性土、砂土及碎石土堆填，硬雜質(zhì)含量約30%，粒徑為5～15 cm，均勻性差；淤泥層層厚1.8～4.6 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5.0～11 m，局部為(含泥)細(xì)砂或細(xì)中砂。淺灰、灰黃，主要成分為細(xì)粒石英砂，濕，稍密狀態(tài)，飽和，級配一般，局部含泥。選取路段路基填筑高度取實際計算高度近似為2.5 m。

2 有限元模型的建立

分別建立天然地基模型與CFG樁復(fù)合模型進(jìn)行對比分析研究。根據(jù)《城市道路工程設(shè)計規(guī)范》(CJJ 37—2012)[8]，該工程道路設(shè)計交通量預(yù)測年限為15年，故在模擬施工完成后，對所建模型分別添加行車荷載，加載運行15年，荷載取1 m土柱簡化計算，為19 kPa，分析最終的沉降云圖。

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)勘探資料確定計算模型的大致尺寸。所建模型路面層共0.67 m；地基高度從雜填土頂面取到細(xì)砂層底部共24 m,地基長取40 m；路基填筑高度2.5 m，寬度取自橋臺向路面延伸30 m。CFG樁復(fù)合地基的參數(shù)選取依據(jù)工程項目實際參數(shù)，具體選取依據(jù)與結(jié)果如表1所示。幾何模型示意圖如圖1所示。

表1 CFG樁復(fù)合地基參數(shù)設(shè)計Table 1 Parameter design of CFG pile composite foundation

圖1 幾何模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of geometric model

2.2 材料參數(shù)及本構(gòu)模型選取

在有限元計算中，假設(shè)各構(gòu)件均為各向同性材料,根據(jù)不同材料實際特性來選取不同的彈塑性本構(gòu)模型。橋臺，路面鋪裝，墊層，樁采用線彈性模型，地基土層及路堤填土均采用摩爾-庫倫本構(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-區(qū)域劃分[10-14]。為了提高網(wǎng)格質(zhì)量，路基、路面、以及樁與砂墊層的尺寸控制為0.2 m，地基底面單元長度為0.8 m，地基頂面單元長度為0.2 m，從下向上梯度遞減。天然地基模型的總劃分網(wǎng)格數(shù)為62 046，CFG樁復(fù)合地基模型網(wǎng)格數(shù)為40 791。邁達(dá)斯軟件自動添加邊界約束。模型網(wǎng)格劃分示意圖如圖2所示。結(jié)合工程地質(zhì)勘探報告及室內(nèi)土工材料試驗,所涉及的路面材料及材料物理力學(xué)取值如表2所示。

圖2 模型網(wǎng)格劃分示意圖Fig.2 Schematic diagram of model mesh generation

3 模擬結(jié)果分析

3.1 天然地基模型

天然地基模型模擬施工完成時與加載15年之后最終的豎向沉降云圖如圖3所示?？梢钥闯觯烊坏鼗Ｐ驮趦蓚€時間節(jié)點的最大沉降值依次為18.29、36.84 cm，計算可得最大工后沉降為18.55 cm。

為保證所建模型模擬的可靠性，以樁號CK1+035處地基表面的節(jié)點為觀測點，提取該節(jié)點在天然地基加載模型中的工期沉降值與最終的累積沉降值，如圖3所示，天然地基模型沉降值依次為16.25、33.80 cm，可計算得出天然地基工后沉降值為17.55 cm。相較于橫斷面模型所做模擬結(jié)果17.5 cm，相差極小。

根據(jù)《公路軟土地基路堤設(shè)計與施工技術(shù)細(xì)則》(JJG/T D31-02—2013)[15]，該工程從路面竣工之日至15年設(shè)計使用年限末，其容許沉降值不得大于10 cm,根據(jù)模擬結(jié)果顯示，天然軟土地基無法保證沉降要求，因此應(yīng)對其進(jìn)行加固處理。

3.2 CFG樁復(fù)合地基模型

CFG樁復(fù)合地基模型模擬施工完成時與加載15年之后最終的豎向沉降云圖如圖4所示?？梢钥闯?，在兩個時間節(jié)點的最大沉降值依次為2.56、6.51 cm，計算可得最大工后沉降為3.95 cm，相較于天然地基，沉降值減小了13.6 cm，并且沉降結(jié)果符合規(guī)范要求，CFG樁復(fù)合地基對于軟土地基的加固效果顯著。

同樣提取樁號CK1+035處地基表面節(jié)點的工期沉降值與最終的沉降值，如圖4所標(biāo)示，沉降值依次為為2.54、6.27 cm，計算得工后沉降值為3.73 cm。樁號CK1+035處理論計算結(jié)果為36 mm，橫斷面模型模擬沉降結(jié)果為37 mm，與本文模擬結(jié)果相差極小。

表2 材料物理力學(xué)指標(biāo)Table 2 Physical and mechanical indexes of materials

圖3 天然地基加載模型沉降云圖Fig.3 Cloud diagram of natural foundation loading model settlement

圖4 CFG樁復(fù)合地基加載模型的沉降云圖Fig.4 Settlement nephogram of CFG pile composite foundation loading model

4 軟基加固效果對比分析

4.1 15年后有限元模擬對比分析

為確定CFG樁復(fù)合地基對于軟土地基的加固效果，以CK1+035所在節(jié)點為觀測點，提取天然地基與CFG樁復(fù)合地基沉降云圖在該處的沉降值，以年為單位依次提取，繪制路基沉降隨時間變化曲線，與橫斷面有限元計算結(jié)果做對比，結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 天然地基加載模型CK1-035處沉降對比Fig.5 Comparison of settlement at CK1-035 of natural foundation loading model

圖6 CFG樁復(fù)合地基加載模型CK1+035處沉降對比Fig.6 Comparison of settlement at CK1 +035 of CFG pile composite foundation loading model

對比圖5、圖6可知，所建縱斷面模型中，樁號CK1+035處加載15年期間的沉降變化趨勢，相較于橫斷面模型中樁號CK1+035處的沉降趨勢，無論是天然地基，還是CFG樁復(fù)合地基，都大致相同。

提取所做天然地基與CFG樁復(fù)合地基加載模型15年內(nèi)的沉降值，繪制對比圖(圖7)?？梢悦黠@看出，經(jīng)CFG樁復(fù)合地基加固后的土體沉降值明顯降低，這是由于CFG樁復(fù)合地基的墊層可較均勻的分散上部荷載，使樁和樁間土共同發(fā)揮作用，合理承擔(dān)上部應(yīng)力，避免了應(yīng)力集中現(xiàn)象的發(fā)生，同時樁與樁間土之間存在的摩檫力也有效的增強(qiáng)了土體的承載能力。同時可觀察到CFG樁復(fù)合地基曲線相對天然地基更早趨于平緩，這是由于在承擔(dān)荷載時，樁間土更易產(chǎn)生壓縮變形，此時樁體會承擔(dān)大部分荷載，并沿樁體傳至持力層，隨著豎向應(yīng)力的增大，樁間土固結(jié)完成，土體密度增大，變形能力降低，此時聯(lián)合樁體的承載作用會使得整個地基的承載力大大增強(qiáng)，沉降減小。并且CFG樁復(fù)合地基自身墊層和樁體的排水作用，也加快了土體的固結(jié)，使沉降變形更快的趨于穩(wěn)定。

圖7 沉降趨勢對比Fig.7 Comparison of settlement trend

4.2 1年后現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析

路段在2017年5月通車，對樁號CK1+035處路中沉降進(jìn)行監(jiān)測，并進(jìn)行了2017年5月—2018年5月的沉降數(shù)據(jù)統(tǒng)計，以30 d為節(jié)點，繪制現(xiàn)場監(jiān)測沉降曲線，如圖8所示。

圖8 現(xiàn)場監(jiān)測沉降曲線Fig.8 Field monitoring settlement curve

所建CFG樁復(fù)合地基加載一年時的沉降云圖如圖9所示，分別為施工完成時與加載一年完畢時的沉降云圖，提取樁號CK1+035處地基節(jié)點的沉降值并加以標(biāo)注，計算可得加載一年的工后沉降值為22.7 mm，然后以30 d為節(jié)點，提取該點處的沉降值，與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制沉降對比結(jié)果如圖10所示?？梢钥闯?，在運行前幾個月，監(jiān)測沉降值與有限元模擬沉降值有明顯偏差，原因分析可能是由于有限元模擬時，施加行車荷載為均布荷載，且道路在一年的時間里都在承擔(dān)此荷載，而實際道路通行時，在剛開始運行階段，車輛通行量較少，道路承載也相對減弱，故監(jiān)測沉降量小于模擬結(jié)果。隨著道路投入使用的時間增長，車輛到達(dá)正常通行量，兩條曲線變化趨勢相似，也逐漸吻合，這說明有限元模擬可以有效反映工程實際，為其提供參考。

綜上所述，CFG樁復(fù)合地基對于軟土地基的加固效果良好，同時通過與橫斷面模擬沉降結(jié)果以及現(xiàn)場沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)的對比分析，證明了有限元模擬的準(zhǔn)確性與可靠性，對工程實際具有一定的指導(dǎo)意義。

圖9 CFG樁復(fù)合地基加載模型的沉降云圖Fig.9 Settlement nephogram of CFG pile composite foundation loading model

圖10 現(xiàn)場監(jiān)測與有限元模擬沉降對比曲線Fig.10 Comparison curve of field monitoring and finite element simulation settlement

5 結(jié)論

為研究軟土地區(qū)CFG樁復(fù)合地基的加固效果，基于福州市的一個路橋過渡段CFG樁復(fù)合地基工程，取其過渡段的縱斷面，運用有限元軟件MIDAS GTS NX分別建立天然地基與CFG樁復(fù)合地基加載模型，并進(jìn)行了靜力固結(jié)分析研究，同時提取同一節(jié)點處的沉降值，與橫斷面模擬沉降結(jié)果以及現(xiàn)場沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)的對比分析。得出如下結(jié)論。

(1)CFG樁復(fù)合地基對軟基的加固效果良好。相同加載條件下，相較于天然地基，CFG樁復(fù)合地基的工后沉降降低了78%。

(2)所做縱斷面模型的沉降模擬結(jié)果具有一定的準(zhǔn)確性。與橫斷面模擬結(jié)果進(jìn)行對比，在相同載荷條件下，相同節(jié)點處的沉降值相差極小。

(3)將模擬結(jié)果與該工程一年的沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)相同節(jié)點處的沉降變化趨勢，前期稍有偏差，后期逐漸吻合，說明模擬結(jié)果可以大致反應(yīng)工程實際，本文模擬具有一定的可靠性。

通過對該CFG樁復(fù)合地基工程的有限元模擬，雖然證明了CFG樁復(fù)合地基對軟土地基的良好的加固效果，以及有限元模擬的可靠性，但是僅是對該項目本地區(qū)土體情況的驗證，并不能說明應(yīng)用在其他地區(qū)時CFG樁復(fù)合地基也能表現(xiàn)出好的加固效果，還需針對工程的具體情況做進(jìn)一步模擬驗證。