高速鐵路CFG樁復合地基沉降影響因素分析

崔 剛

（中鐵十八局貴廣鐵路工程指揮部，貴陽 550000）

高速鐵路CFG樁復合地基沉降影響因素分析

崔 剛

（中鐵十八局貴廣鐵路工程指揮部，貴陽 550000）

CFG樁具有承載力高、沉降量小、工期短等優點，已廣泛應用于工程建筑地基處理中，而CFG樁在高鐵地基中的應用僅處于起步階段。文章以哈大高鐵北沙河特大橋小里程端為研究對象，通過在地基土為凍土和非凍土的情況下改變CFG樁體參數及路基高度，以有限元軟件ADINA對地基進行多次模擬，得出各參數的改變與地基沉降的關系，對CFG樁復合地基在高速鐵路中的應用具有一定的指導意義。

CFG樁；復合地基；高鐵路基；ADINA；沉降值

高速鐵路在資源、環境可持續發展戰略上占據明顯的優勢，發展高速鐵路已在國際上形成共識。在全世界范圍內，高速鐵路正在如火如荼地發展之中，高速鐵路是一個具有國際性和時代性的概念［1－4］。在高鐵的建設中，對路基的要求十分嚴格，甚至要求其工后沉降量小于15 mm。實驗和實踐證明CFG樁復合地基能夠滿足上述沉降要求［5］，但是CFG樁復合地基在高鐵中的應用還尚屬于起步階段［6］，其沉降特性還未詳細研究。本文以哈大高鐵北沙河特大橋小里程端為研究對象，利用有限元軟件進行模擬，對其沉降特性進行了分析，對CFG樁復合地基應用于高速鐵路中的方案優化具有重大的指導意義。

1 工程概況

北沙河特大橋小里程端的施工段以填方通過。基床表層填0.4 m厚的級配碎石，以下依次為0.3 m厚的中粗砂，1.0 m厚的非凍脹土和1.4 m厚的AB組土。地基土為20 m的粘土，粘土地基的加固采用CFG樁復合地基。路堤設計如圖1所示。

圖1 哈大高鐵北沙河特大橋段路堤設計圖（單位：mm）

2 有限元模擬

計算斷面選自哈大高鐵北沙河特大橋段，綜合考慮工程情況，采用大型有限元軟件ADINA對該斷面進行模擬，地基以上土層分為2層，地基為單層土，地基土的參數選擇分別從非凍土，變溫凍結，恒溫凍結，變溫融化，恒溫融化5方面考慮，土體采用Mohr-Coulomb材料模型，各層土體材料由上至下的具體參數如表1所示。

建立模型時，為了方便計算，考慮到路堤的對稱性，取一半路基和地基建立模型。可影響范圍取地基以下20 m，從路堤邊界向外延伸10 m。將問題轉化為平面應變問題，土體和樁采用4節點平面單元，根據實際工程情況和查閱材料的相關資料，樁采用Isotropic材料模型，彈性模量E＝2×109 kPa，泊松比μ＝0.25計算，樁和土之間接觸關系采用ADINA程序提供的接觸組、接觸面及接觸對來模擬。樁間距為1 m，樁徑為0.5 m，做復合地基，建立二維部分路堤的模型如2所示。

表1 模型土體參數選用表

圖2 高鐵路基有限元模型及網格劃分

3 模擬結果及分析

CFG樁的樁徑一般取0.4 m 或0.5 m［7］，在模擬過程中，首先以哈大路基高度為研究對象，選擇樁間距為2 m，樁徑為0.4 m，在地基土處于非凍狀態，以及地基土經過凍結，融化過程后的情況進行模擬，再考慮樁徑為0.5 m的情況進行模擬，得出路基沉降累計值見圖 3；再分別選擇樁徑0.4 m和0.5 m，以地基土為凍土，不同樁間距進行模擬，得到的路基沉降值見圖 4；最后分別選擇樁徑0.4 m和0.5 m，以地基土為凍土，對不同的路基高度的高鐵路基進行模擬，得到的路基沉降值見圖5。

圖3 路基沉降值隨時間變化圖

由上圖可以看出：樁徑為0.5 m時的路基沉降值要小于樁徑為0.4 m時的路基沉降值；樁徑為0.5 m與樁徑為0.4 m相比，凍土和非凍土的沉降差距在減小，說明加大樁徑更適合于凍土路基的加固；不論任何樁徑，凍土的沉降值都大于非凍土的沉降值，其原因是凍土要經歷凍結、融化的反復循環過稱，其間地下水起到主導作用，每次循環都會改變土體的結構使土體在荷載作用下更易壓縮；非凍土要比凍土的沉降值更早趨于穩定，其原因也在于非凍土結構的改變。

圖4 路基沉降值隨樁間距變化圖

由圖4可知，隨著樁間距的增大，沉降量在逐步增大；樁徑為0.5 m時，樁間距在1.6 m時滿足規范要求，樁間距大于1.6 m時沉降值明顯增加；樁徑為0.4 m時，樁間距為1.3 m時能滿足規范的要求。

由圖5可以看出，隨著路基高度的增加，路基的沉降值在逐步增加，樁徑為0.4 m，樁間距為0.8 m時，路基6以下時都能滿足要求，樁間距為1 m時能滿足5.5 m以下的路基的沉降要求；樁徑為0.5 m，樁間距為1 m時，能滿足6.5 m以下的路基要求，樁間距為1.3 m時能滿足5.5 m以下路基的產將要求。

圖5 路基沉降值隨路基高度變化值

4 結 論

CFG樁復合地基能夠滿足凍土高鐵路基的沉降要求，隨著樁間距的增大，路基的最終沉降量會增大，隨著樁徑的增大，路基最終沉降量會減小，但綜合考慮經濟成本，要根據實際工程情況找到最佳的樁徑與樁間距的組合，通過對哈大高鐵的路基模擬，該路基的最合適配比是樁徑為0.5 m，樁間距為1.6 m。

［1］錢立新.世界高速鐵路的發展水平和中國高速鐵路的技術進展［J］.鐵路采購與物流，2009（10）：19-21.

［2］Andersen L，Soren R K.Nielsen Boundary element analysis of the steady-state response of an elastic half-space to a moving force on its surface［J］.Engineering Analysis with Boundary Elements，2003，27：23-38.

［3］Rossi F，Nicolini A.A simple model to Predict train-induced vibration：theoretical Formulation and experimental validation［J］.Environmental Impact Assessment Review.2003，23：305-322.

［4］薛戰軍.展望中國高速鐵路發展的戰略意義［J］.科技創新導報，2008（7）：55.

［5］冷景巖，崔維孝.高速鐵路CFG樁復合地基設計方案試驗研究［J］.鐵道建筑，2009（7）：53-55.

［6］高建.高速鐵路CFG樁復合地基沉降控制研究［M］.廣州：華南理工大學出版社，2010.

［7］彭聲應，張繼文，劉皖懷，等.高速鐵路CFG樁復合地基預制樁帽施工工藝研究［J］.鐵道建筑，2009（7）：86-87.

（編輯 胡志平）

High-Speed Railway CFG Pile Composite Foundation Settlement Influence Factors Analysis

Cui Gang
（Guiyang-Guangzhou railway construction conductor of China Railway 18 Bureau Group Co.，Ltd，Guizhou 550000，Guiyang）

Because of high bearing capacity and small settlement of CFG pile，CFG pile have been used widely in foundation treatment of engineering construction，but it has applicant in high-speed railway roadbed only in the initial stage.In this paper，based on the project of Beishahe of Hada high-speed rail，simulated with the finite element model by ADINA by changing the parameters of CFG pile and roadbed height in the situation of permafrost and unpermafrost of foundation，obtained the relationship of parameters and foundation settlement，it has the directive significance for high-speed railway with CFG pile composite foundation.

CFG pile；composite；high-speed foundation；finite element software of ADINA；sedimentation value

TU471

A

1674-4764（2013）S2-0170-03

10.11835／j.issn.1674-4764.2013.S2.044

2013-09-30

國家自然科學基金（50978131）

崔剛（1979-），男，高級工程師，主要從事交通土建方面研究，（E-mail）wwwlngdzp＠126.com。