深厚軟土區CMP樁與CFG樁組合樁型復合地基工作特性研究

李龍起，羅書學

(西南交通大學 土木工程學院，成都 610031)

CFG樁復合地基近年來已經在鐵路工程中得到廣泛應用［1］。隨著工程實踐的深入，更為復雜的地質條件不斷涌現，對沉降的控制也越來越嚴格，單純使用CFG樁往往難以滿足工程要求，于是出現了將CFG樁與其它樁型進行聯合使用的地基處理形式［2-4］。目前相關地基處理技術規范中主要針對單一形式的處理技術［5］，對于采用組合型地基處理方法尚未涉及。國內外研究較多的是將CFG樁與剛性樁聯合使用的復合地基處理技術，對于 CFG樁與柔性樁(如 CMP)聯用的復合地基的研究尚未見報道。而在該種形式的復合地基中，由于樁體之間和樁土之間的相互作用機制復雜，導致工程人員對于不同樁體間的工作特性等了解不夠。

本文針對哈大客運專線某路基段地基處理工程，研究了此種復合地基中CMP樁和CFG樁的不同作用，分析了加固后復合地基中土體特性的變化，所得結果對于指導客運專線建設具有參考意義。

1 工程概況

在建的哈大客運專線跨越深厚軟土區，軟土層厚度60 m左右(如圖1所示)，路基填筑高度6.0～6.3 m。設計采用了CFG樁和CMP聯用的復合地基處理方案，即以梅花形布置形式為基礎，在距離線路中心18 m范圍內設置CMP樁，樁長為12.0 m，樁徑0.5 m，樁間距為1.5 m。在 CMP樁間設置樁長為30 m的CFG樁，樁徑和樁間距同 CMP樁。經過處理后的CMP復合地基的承載力要求不小于150 kPa，CFG樁單樁承載力特征值要求不小于800 kN。CFG樁樁體強度等級相當于 C20，CMP樁采用水泥摻量14% ～15%的水泥土就地攪拌。

圖1 試驗段地質柱狀圖

2 研究方法

2.1 數值模型的建立

建模時采用平面應變模型，并取用中線右側部分進行分析。計算中水平向取路堤填筑寬度的3倍左右，約58 m，豎向取 CFG樁樁長的2倍約60 m，通過反復試算，在地表以下60 m左右的附加應力已遠小于自重應力的0.2倍，故采用此計算范圍是合理的。在計算中，土體采用15節點的Gauss三角形平面單元進行離散，CFG樁和CMP樁采用基于Mindlin梁理論的5節點樁單元進行離散化，模型共使用了2 757個單元及25 690個節點(見圖2)。模型的側面約束側向位移，底部約束豎向位移，頂部取為荷載已知的應力邊界。

圖2 有限元模型

2.2 材料參數的選取

根據相關資料［6-10］，鋼筋混凝土板、CFG 樁和CMP樁在軟土區承受上部路基荷載時均作用在彈性范圍內，因此在本數值模擬中將其均取為彈性材料。考慮褥墊層和地基土彈塑性破壞特性，在計算中選取Mohr-Coulomb準則作為屈服判別準則。

考慮到樁土之間的剛度差異較大，可能發生脫離現象，因此在樁土之間設置 Interface接觸單元，參照Plaxis使用手冊，接觸面折減參數 Rinter取為0.7，并采用Coulomb準則來判斷彈性和塑性變形行為。模型基本參數取值見表1。

表1 土層計算參數

3 結果分析

3.1 復合地基受力分析

3.1.1 CFG樁樁身受力分析

不同位置處CFG樁樁身的豎向附加應力分布圖如圖3所示。由圖3可知，在樁頂以下5 m范圍內，樁身的附加應力隨深度增加略有增大，最大值距樁頂端約1/6樁長，在5～20 m范圍內基本不變，達到20 m之后該值衰減較為明顯。產生這種現象的原因可做如下解釋:在地面以下7 m范圍內的土體的力學性質較差，樁周土體沉降較大對樁體施加額外的附加應力導致其略有增大，地面以下25～30 m范圍內土的工程力學性質相對于上部土層較好，導致樁身附加應力衰減的速率加快。

圖3 CFG樁樁身附加應力曲線

3.1.2 CMP樁受力分析

如圖4所示，在路基填筑荷載影響下，不同位置處的CMP樁樁身附加應力值基本相同，其分布規律表現為:樁頂應力最大，隨著樁深的增加，在樁頂以下0～2 m范圍以內附加應力急劇減小，然后趨于緩和，整體呈現出附加應力上部大，中下部小的分布特點。此外與圖3比較可知，CMP樁的樁身附加應力要比CFG樁小2個量級。由此可見，與 CFG樁樁身附加應力相比，CMP樁承受的附加應力較小，樁土協調工作能力較CFG樁明顯提高，CFG樁是應力擴散的主體，CMP樁的作用主要是改善淺表層流塑狀土，保證CFG樁的成樁質量。

圖4 CMP樁樁身附加應力曲線

3.1.3 樁間土受力分析

線路中心處樁間土附加應力隨土層深度的變化規律如圖5所示。由圖5可知，在CFG樁樁長范圍內(0～30 m)，受樁土剛度巨大差異的影響，絕大部分荷載由CFG樁所承擔，樁間土附加應力非常小，其值不足10 kPa，且變化幅度很小;在樁端附近，樁間土附加應力急劇增加，最大值約達到了110 kPa;此后隨著深度的增加，樁間土附加應力又逐漸減小，基本上呈線性分布，待深度到達60 m時，附加應力值減小至約70 kPa，這種效應類似于靜力觸探中的“超前滯后”效應。這種現象可以解釋為:在地面以下約27 m范圍之內，上部荷載傳來的附加應力主要由CFG樁直接向地基深部傳遞，樁間土的附加應力值較小，在接近樁端處，CFG樁的附加應力向周圍的土體中擴散，引起樁端處土體附加應力迅速增大，該種工作性狀類似于實體深基礎。

圖5 路基中心處樁間土附加應力與土層深度關系曲線

3.2 復合地基變形分析

圖6為不同位置處的豎向沉降曲線圖。從圖上可以看出，實測地基的最終最大總豎向變形約72 mm，其中CFG樁加固區變形約16 mm，下臥層變形約56 mm。說明地基變形主要由下臥層的變形引起，其所占比例約78%。在加固區范圍內，中心處地面以下5 m范圍內的土體沉降相對于5～30 m加固區的沉降要大，這主要是由于在此范圍內應力較大并且存在淤泥質黏土，土體力學性質較差，受力后產生較大的塑性變形所致，隨著離線路中心距離的增加，這種現象逐漸變得不明顯，這主要是由于臨近坡腳處上部荷載較小的緣故，說明在地表淺層的力學性質較差的土體壓縮沉降特性主要與上部荷載有關。

圖6 各縱斷面上地基豎向沉降變形曲線

圖7給出了不同高程上各水平剖面的地基豎向變形曲線圖。由圖7可知，在路基填筑影響下，地基形成了沉降盆，在線路中線處豎向變形最大，遠離中線，沉降減小，在距中線大約50 m的位置，沉降變形已接近于0，這表明離線路中線約50 m的范圍內為沉降變形影響區域。此外比較不同高程處的沉降變形曲線可以看出，在CFG樁加固深度范圍內，由于水平方向土體綜合剛度的差異，沉降盆變化幅度較大，而在CFG樁加固深度以外，土層在水平向的剛度基本一致，沉降盆變化幅度相對較小。在樁頂褥墊層處，樁的“刺入”現象較為明顯，而在樁端處這種現象不太明顯。

圖7 各水平剖面上地基總變形曲線

4 結論

本文結合我國哈大客運專線某地基處理工程，研究了CFG樁和CMP樁組合樁型復合地基的受力和變形特性，通過研究得出了以下結論:

1)組合樁型復合地基中主要是CFG樁承受上部路基填土傳來的荷載，CMP樁對于提高地基承載力的貢獻有限，其主要貢獻是改善流塑狀土的工程特性，便于CFG樁的施工。

2)無論是CFG樁還是CMP樁，其附加應力均沿樁身呈現衰減的趨勢，而樁間土在加固區范圍內附加應力變化較小，在下臥層范圍內則衰減迅速，說明下臥層是承受應力擴散的主體部分。

3)復合地基的豎向變形主要發生在下臥層中，通過計算結合現場試驗，本工點的下臥層沉降變形約占總沉降的78%。

4)復合地基在水平方向呈“沉降盆”狀分布，在地面處的差異沉降變形大，在樁端處的差異沉降變形較小，說明在褥墊層中樁體的上端“刺入”現象較為明顯，而在下臥層中的“刺入”現象則較小。

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