柔性荷載下CFG樁復合地基沉降特性的數值模擬分析

謝理民

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司杭州分院 杭州 310017）

0 前 言

甬臺溫客運專線設計車速250km／h，路基變形和工后沉降量要求嚴格，從而對路基處理的設計和施工質量提出了很高的要求.對于全段軟土及可壓縮性粘性土，根據不同土層的厚度及其物理力學指標、地面及基底橫坡，和線路所處位置，按照無渣軌道的變形控制條件，共對全段14.207 km的軟弱地基進行處理設計，設計的地基處理措施中包括CFG樁復合地基.

高速鐵路路基承擔的荷載是由剛度很小的路堤傳遞的，為柔性基礎下復合地基.目前國內外對于剛性基礎下復合地基的工作性狀已開展了較多的研究工作，但對基礎剛度對復合地基性狀的影響尤其是柔性基礎下復合地基工作性狀的研究工作較少［1－5］，對柔性基礎下樁、土變形特性還缺乏全面的了解.

本文取自甬臺溫客運專線具有代表性的斷面進行數值模擬［6－9］，對影響CFG復合地基變形的各種因素進行分析，為高速鐵路應用CFG復合地基提供理論依據.

1 計算模型

根據斷面設計圖，取計算寬度大于4倍路基寬度，計算寬度為100m；樁長取20m，下臥土層10m，由于下伏基巖，計算深度取40m，巖土層分為4層.路堤高度2m，坡度1∶1.5，墊層厚度0.6m，作用荷載取200kPa.圖1為計算模型簡圖.計算時土的本構模型采用Mohr－Coulomb模型，樁體混凝土采用線彈性模型，考慮樁土之間的相對滑動及土體和樁體的重力.地表面處節點自由，其它邊界節點為鉸支.

圖1 計算模型簡圖

為了解墊層模量、樁身強度及樁底土層的壓縮性對復合地基沉降特性的影響，取不同的方案進行計算.墊層模量分別取20，30，50，100，200和400MPa；樁身模量分別取1×103，3×103，5×103，1×104，2×104MPa；樁底土分別取20，30，40，50MPa進行計算.

2 CFG樁復合地基沉降特性數值模擬

CFG樁復合地基沉降分布見圖2，由圖中可見，樁的上下兩端存在明顯的刺入變形，樁的上下兩端附近的土層面沉降均呈V形分布.離路堤中線越近，加固區和下臥土層沉降越大.對于樁頂上刺變形，中心樁處最大，隨著樁體遠離路堤中線，其上刺量變小，但邊樁處稍有反彈.路堤中線附近樁頂上刺變形比較均勻，在路堤邊線附近樁頂上刺變形減小較快.對于樁底下刺變形，中心樁處下刺量最大，隨著樁體與路堤中線距離的增加，總體上呈減小的趨勢.

圖2 CFG樁復合地基沉降分布（豎向放大50倍）

在樁身上部，土的位移大于樁的位移，故樁上作用有負摩阻力.由于中心樁樁土相對位移比邊樁的大，則其“中性點”位置也要比邊樁深.

樁頂應力云圖見圖3，從圖中可以看出，墊層在CFG樁頂形成了明顯的土拱，正因為拱效應的存在使墊層承受的應力向樁頂集中，從而發揮樁的作用.

圖3 樁頂應力云圖

3 數值模擬結果分析

3.1 身彈性模量對復合地基沉降的影響

取中心樁的沉降作為代表，不同樁身彈性模量的模擬計算結果見圖4，路基沉降與樁身彈性模量的關系曲線見圖5.由圖5可看出：（1）隨樁身彈性模量的增大，路基沉降總體呈減少的趨勢；（2）樁身彈性模量小于3GPa時，樁身彈性模量對復合地基沉降影響較大；（3）樁身彈性模量達到3GPa后，樁身彈性模量對復合地基沉降影響顯著減小；特別當樁身彈性模量達到5GPa后，變化幅度僅為7.1%.說明在200kPa的荷載作用下，復合地基沉降基本不受樁身彈性模量影響.

圖4 不同樁身彈性模量的模擬計算結果

圖5 路基沉降與樁身彈性模量的關系曲線

3.2 墊層彈性模量對復合地基沉降的影響

取中心樁的沉降作為代表，不同墊層彈性模量的模擬計算結果見圖6，路基沉降與墊層彈性模量的關系曲線見圖7.由圖7可看出：（1）隨墊層彈性模量的增大，路基沉降總體呈減少的趨勢；（2）墊層彈性模量小于50MPa時，隨著墊層彈性模量的增大，沉降量急劇減少；（3）墊層彈性模量達到50MPa后，關系曲線基本成直線，說明在200kPa的荷載作用下，墊層彈性模量基本不對復合地基的沉降產生影響.

3.3 樁底土壓縮模量對復合地基沉降的影響

圖6 不同墊層彈性模量的模擬計算結果

圖7 路基沉降與墊層彈性模量的關系曲線

同樣取中心樁的沉降進行分析，下臥土層不同壓縮模量的模擬計算結果見圖8，路基沉降與墊層彈性模量的關系曲線見圖9.由圖9可看出：（1）隨下臥土層壓縮模量的增大，路基沉降量減少；（2）下臥土層壓縮模量大于40MPa時，路基沉降量有變緩的趨勢；（3）在200kPa的荷載作用下，當下臥土層壓縮模量為20MPa時，路基中部的沉降明顯出現差異，不均勻程度加大；下臥土層壓縮模量大于30MPa時，路基中部的沉降相對較均勻.但總體來看，下臥土層的壓縮模量對復合地基的沉降影響比較大.

圖8 下臥土層不同壓縮模量的模擬計算結果

圖9 路基沉降與墊層彈性模量的關系曲線

4 結 論

1）隨樁身彈性模量的增大，路基沉降總體呈減少的趨勢；樁身彈性模量小于3GPa時，樁身彈性模量對復合地基沉降影響較大；樁身彈性模量達到3GPa后，樁身彈性模量對復合地基沉降影響顯著減??；特別當樁身彈性模量達到5GPa后，復合地基沉降基本不受樁身彈性模量影響.

2）隨墊層彈性模量的增大，路基沉降總體呈減少的趨勢；墊層彈性模量小于50MPa時，隨著墊層彈性模量的增大，沉降量急劇減少；墊層彈性模量達到50MPa后，墊層彈性模量基本不對復合地基的沉降產生影響.

3）隨下臥土層壓縮模量的增大，路基沉降量減少；下臥土層壓縮模量大于40MPa時，路基沉降量有變緩的趨勢.但總體來看，下臥土層的壓縮模量對復合地基的沉降影響比較大.

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