CFG樁復(fù)合地基處理橋頭跳車問題研究

韋春艷

摘要：為研究CFG樁復(fù)合地基處理橋頭跳車問題，文章基于某城市高速公路的橋梁與軟土路基過渡段的地基處理實(shí)際工程，通過ABAQUS建立數(shù)值模型進(jìn)行計(jì)算，分析CFG樁樁徑、樁間距、樁長(zhǎng)和樁身彈性模量對(duì)路基加固效果的影響。結(jié)果表明：（1）當(dāng)路橋過渡段為未設(shè)置CFG樁的普通軟土路基時(shí)，隨著荷載作用次數(shù)的增加，路基的累計(jì)沉降在不斷增大，產(chǎn)生明顯的橋頭跳車現(xiàn)象，導(dǎo)致車輛行駛的平順性較差，因此對(duì)路橋過渡段的軟土路基進(jìn)行地基處理，以減小其累計(jì)沉降量是非常必要的；（2）隨著樁徑、樁長(zhǎng)、樁身彈性模量的不斷增大，路基的累計(jì)沉降不斷減小，隨著樁間距的不斷增大，路基的累計(jì)沉降不斷增大。

關(guān)鍵詞：CFG樁；橋頭跳車；影響因素；數(shù)值計(jì)算；ABAQUS

中圖分類號(hào)：U418 A 36 128 4

0 引言

隨著交通強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的不斷推進(jìn)，我國(guó)交通工程建設(shè)取得了舉世矚目的成就，與此同時(shí)，因各類復(fù)雜的地理環(huán)境和工程地質(zhì)條件，導(dǎo)致大量工程項(xiàng)目在實(shí)施的過程中遇到了前所未有的挑戰(zhàn)，其中之一就是軟土沉降問題［1］。在我國(guó)東部和中部地區(qū)軟土分布廣泛，而軟土具有抗剪強(qiáng)度低、壓縮性大、排水固結(jié)慢等一系列不利于工程的性質(zhì)，若未在工程建設(shè)前采取恰當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行處理，則常會(huì)導(dǎo)致軟土地基在服役過程中發(fā)生沉降過大或者不均勻沉降的問題，直接影響工程安全性與使用年限［2］。

目前，規(guī)范已經(jīng)給出的地基處理方法有很多，如換填墊層、堆載法、強(qiáng)夯法、復(fù)合地基法等［3］。復(fù)合地基法又包括碎石樁、水泥攪拌樁、CFG樁等［4］。國(guó)內(nèi)外的學(xué)者對(duì)CFG樁在軟土地基中的應(yīng)用以及研究已有了較為豐富的成果。何玉瓊等［5］利用FLAC 3D軟件計(jì)算抗滑樁和CFG樁加固路基的地表沉降，發(fā)現(xiàn)CFG樁可有效降低沉降量、提高地基承載力和減少地基塑性區(qū)域。 盧蘭萍等［6］利用Midas GTS/NX軟件建立天然地基與CFG樁復(fù)合地基模型，進(jìn)行靜力固結(jié)分析，發(fā)現(xiàn)CFG樁復(fù)合地基加固軟基具有很好的效果。趙明志等［7］優(yōu)化了CFG樁承載時(shí)總體豎向位移的計(jì)算公式經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，提升了CFG樁沉降計(jì)算的精度。王帥等［8］進(jìn)行了不同荷載下的試驗(yàn)，得到了豎向位移與兩種阻力之間的非線性規(guī)律，通過試驗(yàn)與有限元數(shù)值計(jì)算的對(duì)比驗(yàn)證了此規(guī)律的準(zhǔn)確性。

本文為研究影響CFG樁復(fù)合地基變形及力學(xué)性能的因素，基于某城市高速公路的橋梁與軟土路基過渡段的地基處理實(shí)際工程，通過ABAQUS軟件建立數(shù)值模型進(jìn)行計(jì)算，分析CFG樁樁徑、樁間距、樁長(zhǎng)和樁身彈性模量對(duì)路基加固效果的影響，以期對(duì)工程實(shí)踐起到一定的指導(dǎo)作用。

1 CFG樁加固地基的基本原理

CFG樁是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌和形成的高粘結(jié)強(qiáng)度樁。CFG樁加固軟弱地基的基本原理是使樁和樁間土通過褥墊層形成復(fù)合地基，共同承擔(dān)上部荷載，從而提高地基的工程性質(zhì)。CFG樁復(fù)合地基的組成形式如圖1所示。CFG樁對(duì)軟土地基的作用主要包括樁體作用、擠密作用和褥墊層作用［9］。

當(dāng)CFG樁復(fù)合地基在受到上部荷載時(shí)，樁與樁間土首先會(huì)按照與基礎(chǔ)的接觸面積來(lái)分擔(dān)荷載，由于CFG樁的變形模量遠(yuǎn)大于樁間土的變形模量，樁間土沉降比樁體沉降大，樁與樁間土產(chǎn)生相對(duì)位移；褥墊層在上部荷載作用下也會(huì)產(chǎn)生一定變形，即樁體會(huì)向上刺入褥墊層中，荷載向樁身集中。由于褥墊層的壓縮模量遠(yuǎn)大于樁間土的壓縮模量，樁間土與褥墊層之間的相互作用力減小，上部荷載也將通過褥墊層向樁體轉(zhuǎn)移。CFG樁、樁間土以及褥墊層之間相互作用，使其在受外部荷載的過程中具有很好的整體性［10］。

2 數(shù)值模型的建立

2.1 ABAQUS軟件簡(jiǎn)介

ABAQUS作為應(yīng)用相當(dāng)廣泛的通用有限元軟件，在處理巖土工程問題時(shí)同樣具有很明顯的優(yōu)勢(shì)，如軟件可以提供大量巖土材料常用的本構(gòu)模型，還可以進(jìn)行包括溫度場(chǎng)、滲流場(chǎng)等的多場(chǎng)耦合計(jì)算，軟件的交互性與很多軟件相比更好，操作較為簡(jiǎn)便。其工作流程如圖2所示。

2.2 數(shù)值模型

本文基于某城市高速公路橋梁與軟土路基過渡段的地基處理實(shí)際工程建立數(shù)值模型并進(jìn)行計(jì)算分析。橋梁全長(zhǎng)31.0 m，寬度為12 m。該地的場(chǎng)地土具有壓縮性高、孔隙比大、天然含水率高、抗剪強(qiáng)度低的特點(diǎn)，在外部荷載的作用下會(huì)產(chǎn)生較大沉降。利用ABAQUS軟件建立有限元模型進(jìn)行計(jì)算分析，并在保證其符合工程實(shí)際情況的基礎(chǔ)上盡可能簡(jiǎn)化其計(jì)算程度。本文選取路面的計(jì)算寬度為12 m，模型自上而下分別為高度為4.0 m的吹填土、厚度為6.0 m的淤泥質(zhì)亞黏土、厚度為5.0 m的粉砂、厚度為15.0 m的黏土。樁間距為2 m，樁長(zhǎng)為16 m，樁直徑為0.5 m。褥墊層厚度為0.5 m，CFG樁、橋臺(tái)的本構(gòu)模型采用彈塑性模型，下部軟土地基采用摩爾-庫(kù)侖模型。在設(shè)置模型的邊界條件時(shí)，分別對(duì)前后左右四個(gè)土體邊界進(jìn)行約束，限制路基的水平位移，在模型底部設(shè)置水平和豎直約束。相關(guān)模型如圖3所示。

計(jì)算過程中對(duì)該模型施加模擬車輛的移動(dòng)荷載，車輛模型的質(zhì)量為26.11 t，前輪等效矩形長(zhǎng)度為0.32 m，寬度為0.20 m，后輪等效矩形長(zhǎng)度為0.45 m，寬度為0.31 m。

路基模型的各結(jié)構(gòu)層參數(shù)取值如表1所示；CFG樁復(fù)合地基的參數(shù)取值如表2所示；橋梁模型的參數(shù)取值如下頁(yè)表3所示。

3 復(fù)合地基沉降因素分析

為研究CFG樁復(fù)合地基的沉降特性、受力性狀及其影響因素，本節(jié)通過設(shè)計(jì)不同的試驗(yàn)工況，采用ABAQUS 有限元分析軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，分別研究樁間距、樁長(zhǎng)、樁徑對(duì)CFG樁復(fù)合地基加固效果的影響。

3.1 樁徑對(duì)復(fù)合地基的影響

分別選取樁徑為0.4 m、0.5 m、0.6 m、0.7 m、0.8 m、1.0 m進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，分析樁徑變化對(duì)CFG樁復(fù)合地基沉降的影響。通過數(shù)值計(jì)算的結(jié)果，可得不同樁徑下的復(fù)合地基豎向沉降。不同荷載作用次數(shù)下路基的累計(jì)沉降隨樁徑的變化如圖4所示。

當(dāng)該過渡段為未設(shè)置CFG樁的普通軟土路基時(shí)，在荷載作用次數(shù)達(dá)到200萬(wàn)次時(shí)，路基的累計(jì)沉降量為37.7 mm；當(dāng)荷載作用次數(shù)達(dá)到400萬(wàn)次時(shí)，路基的累計(jì)沉降量為42.5 mm，相比于荷載作用次數(shù)200萬(wàn)次時(shí)增加了12.7%；當(dāng)荷載作用次數(shù)達(dá)到600萬(wàn)次時(shí)，路基的累計(jì)沉降量為45.6 mm，相比于荷載作用次數(shù)400萬(wàn)次時(shí)增加了7.3%。隨著荷載作用次數(shù)的增加，路基的累計(jì)沉降在不斷增大，增加的幅度逐漸減小。超過25 mm的累計(jì)沉降會(huì)產(chǎn)生輕微的橋頭跳車現(xiàn)象，超過30 mm的累計(jì)沉降會(huì)產(chǎn)生明顯的橋頭跳車現(xiàn)象，導(dǎo)致車輛行駛的平順性較差，因此對(duì)路橋過渡段的軟土路基進(jìn)行地基處理，以減小其累計(jì)沉降量是非常必要的。

如圖4所示，隨著荷載作用次數(shù)的不斷增大，路基累計(jì)沉降不斷增大。當(dāng)樁徑為0.4 m時(shí)，荷載作用次數(shù)達(dá)到200萬(wàn)次時(shí)路基的累計(jì)沉降量為25.1 mm，隨著樁徑的不斷增大，路基的累計(jì)沉降不斷減小，當(dāng)樁徑為1.0 m時(shí)，荷載作用次數(shù)達(dá)到200萬(wàn)次時(shí)路基的累計(jì)沉降量減小到16.9 mm，荷載作用次數(shù)達(dá)到600萬(wàn)次時(shí)路基的累計(jì)沉降量也僅為18.4 mm，小于橋頭輕微跳車的25 mm差異沉降要求。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)樁徑≥0.6 m時(shí)，即使荷載作用次數(shù)達(dá)到600萬(wàn)次，路基累積沉降均＜25 mm?？紤]節(jié)約成本，樁徑取0.6 m為最優(yōu)選擇。

3.2 樁間距對(duì)復(fù)合地基的影響

分別選取樁間距為1.4 m、1.6 m、1.8 m、2.0 m、2.5 m進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，分析樁間距對(duì)CFG樁復(fù)合地基沉降的影響。通過數(shù)值計(jì)算的結(jié)果，可得不同樁間距下的復(fù)合地基豎向沉降。不同荷載作用次數(shù)下路基的累計(jì)沉降隨樁間距的變化如圖5所示。

如圖5所示，隨著荷載作用次數(shù)的不斷增大，路基累計(jì)沉降不斷增大。當(dāng)樁間距為2.5 m時(shí)，荷載作用次數(shù)達(dá)到200萬(wàn)次、400萬(wàn)次、600萬(wàn)次時(shí)路基的累計(jì)沉降量分別為27.5 mm、28.2 mm、28.9 mm，均超過了橋頭輕微跳車的25 mm差異沉降要求，因此2.5 m的樁間距不能滿足對(duì)該過渡段的地基處理要求。而當(dāng)樁間距分別為1.4 m、1.6 m、1.8 m、2.0 m時(shí)，荷載作用次數(shù)達(dá)到200萬(wàn)次、400萬(wàn)次、600萬(wàn)次時(shí)路基的累計(jì)沉降量均＜25 mm，達(dá)到橋頭輕微跳車的差異沉降要求。結(jié)合項(xiàng)目成本要求，樁間距取2.0 m為最優(yōu)選擇。

3.3 樁長(zhǎng)對(duì)復(fù)合地基的影響

改變樁長(zhǎng)即改變復(fù)合地基的處理深度。分別選取樁長(zhǎng)為14.0 m、16.0 m、18.0 m、20.0 m、22.0 m進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，分析樁長(zhǎng)對(duì)CFG樁復(fù)合地基沉降的影響。通過數(shù)值計(jì)算的結(jié)果，可得不同樁長(zhǎng)下的復(fù)合地基豎向沉降。不同荷載作用次數(shù)下路基的累計(jì)沉降隨樁長(zhǎng)的變化如圖6所示。

由圖6可知，隨著荷載作用次數(shù)的不斷增大，路基累計(jì)沉降不斷增大。當(dāng)樁長(zhǎng)為14.0 m時(shí)，荷載作用次數(shù)達(dá)到200萬(wàn)次、400萬(wàn)次、600萬(wàn)次時(shí)路基的累計(jì)沉降量分別為25.1 mm、26.5 mm、27.2 mm，均超過了橋頭輕微跳車25 mm的差異沉降要求；同時(shí)，CFG樁的持力層為黏土層，當(dāng)樁長(zhǎng)為14.0 m時(shí)，CFG樁的樁端位置未達(dá)到持力層，因此14.0 m的樁長(zhǎng)不能滿足對(duì)該過渡段的地基處理要求。當(dāng)樁長(zhǎng)為16.0 m時(shí)，荷載作用次數(shù)達(dá)到200萬(wàn)次、400萬(wàn)次時(shí)路基的累計(jì)沉降量均＜25 mm，但荷載作用次數(shù)達(dá)到600萬(wàn)次時(shí)，路基的累計(jì)沉降量為25.8 mm，超過橋頭輕微跳車25 mm的差異沉降要求。當(dāng)樁長(zhǎng)分別為18.0 m、20.0 m、22.0 m時(shí)，荷載作用次數(shù)達(dá)到200萬(wàn)次、400萬(wàn)次、600萬(wàn)次時(shí)路基的累計(jì)沉降量均＜25 mm，達(dá)到橋頭輕微跳車的差異沉降要求。結(jié)合項(xiàng)目成本要求，樁長(zhǎng)取18.0 m為最優(yōu)選擇。

3.4 樁身彈性模量對(duì)復(fù)合地基的影響

改變樁身的彈性模量就是改變復(fù)合地基的整體剛度。分別選取樁身強(qiáng)度等級(jí)為C15、C20、C25、C35、C50進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，對(duì)應(yīng)的樁身彈性模量分別為22 000 MPa、25 500 MPa、28 000 MPa、31 500 MPa、34 500 MPa。通過數(shù)值計(jì)算的結(jié)果，可得不同樁身彈性模量下的復(fù)合地基豎向沉降。不同荷載作用次數(shù)下路基的累計(jì)沉降隨樁身彈性模量的變化如圖7所示。

如圖7所示，隨著荷載作用次數(shù)的不斷增大，路基累計(jì)沉降不斷增大。隨著樁身彈性模量的不斷增大，路基累計(jì)沉降量逐漸減小。以荷載作用次數(shù)400萬(wàn)次為例，樁身強(qiáng)度等級(jí)從C15提升至C50時(shí)，對(duì)應(yīng)的樁身彈性模量增加了56.8%，但路基累計(jì)沉降量?jī)H減小了8.9%，減小的幅度比較有限。在荷載作用次數(shù)達(dá)到400萬(wàn)次時(shí)，樁身強(qiáng)度等級(jí)分別為C15、C20、C25、C35、C50時(shí)對(duì)應(yīng)的路基累計(jì)沉降均小于橋頭輕微跳車25 mm的差異沉降要求。在荷載作用次數(shù)達(dá)到600萬(wàn)次時(shí)，除樁身彈性模量為22 000 MPa時(shí)，路基累計(jì)沉降不滿足橋頭輕微跳車25 mm的差異沉降要求外，其余情況均滿足要求。結(jié)合項(xiàng)目成本要求，樁身強(qiáng)度取C20為最優(yōu)選擇。

4 結(jié)語(yǔ)

本文為研究影響CFG樁復(fù)合地基變形及力學(xué)性能的因素，基于某城市高速公路的橋梁與軟土路基過渡段的地基處理實(shí)際工程，通過ABAQUS軟件建立數(shù)值模型進(jìn)行計(jì)算，分析CFG樁樁徑、樁間距、樁長(zhǎng)和樁身彈性模量對(duì)路基加固效果的影響，所得結(jié)論如下：

（1）當(dāng)路橋過渡段為未設(shè)置CFG樁的普通軟土路基時(shí)，隨著荷載作用次數(shù)的增加，路基的累計(jì)沉降在不斷增大，會(huì)產(chǎn)生明顯的橋頭跳車現(xiàn)象，導(dǎo)致車輛行駛的平順性較差。因此，對(duì)路橋過渡段的軟土路基進(jìn)行地基處理，以減小其累計(jì)沉降量是非常必要的。

（2）隨著樁徑的不斷增大，路基的累計(jì)沉降不斷減小，當(dāng)樁徑≥0.6 m時(shí)，路基累積沉降均＜25 mm，因此樁徑取0.6 m為最優(yōu)選擇。隨著樁間距的不斷減小，路基的累計(jì)沉降不斷減小，當(dāng)樁間距＜2.0 m時(shí)，路基的累計(jì)沉降量均＜25 mm，因此樁間距取2.0 m為最優(yōu)選擇。隨著樁長(zhǎng)的不斷增大，路基的累計(jì)沉降不斷減小，當(dāng)樁長(zhǎng)＞18.0 m時(shí)，路基的累計(jì)沉降量均＜25 mm，樁長(zhǎng)取18.0 m為最優(yōu)選擇。隨著樁身彈性模量的不斷增大，路基的累計(jì)沉降不斷減小，當(dāng)樁身彈性模量＞25 500 MPa時(shí)，路基的累計(jì)沉降量均＜25 mm，樁身強(qiáng)度取C20為最優(yōu)選擇。

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收稿日期：2022-12-20