CFG樁處理山區公路軟基的主要影響因素分析

蔡冬軍，謝 文

(重慶中設工程設計股份有限公司，重慶 400023)

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CFG樁處理山區公路軟基的主要影響因素分析

蔡冬軍，謝 文

(重慶中設工程設計股份有限公司，重慶 400023)

CFG樁處理山區公路后，其復合地基承載力、沉降量受較多因素影響。在路堤荷載作用下，常規理論方法難以分析其影響因素變化時應力應變規律。主要利用有限元軟件PLAXIS對山區高速公路CFG樁復合地基處理及路堤填筑施工進行模擬，通過對CFG樁樁長、樁間距以及復合地基褥墊層厚度這3個影響因素的變化進行對比分析，總結出各影響因素對CFG樁復合地基沉降量的影響規律，分析得出復合地基中CFG樁樁長、樁間距及褥墊層厚度的合理取值范圍。最終為實際工程中CFG樁復合地基的優化設計提供理論依據。

道路工程；軟土地基；CFG樁復合地基；沉降量；路堤荷載；有限元分析

西南山區軟土地基特點與沿海及內陸平原地區軟基不同，受山地地形限制，山區軟基具有復雜多樣的破壞形式和變形特征，且施工過程中復雜氣候、水文、地質等新問題更是日益突出，使得在公路工程建設中對山區軟土地基處理研究成為具有代表性的技術難題。

目前，軟基處理方案多種多樣，筆者主要利用有限元軟件PLAXIS對山區高速公路CFG樁復合地基處理及路堤填筑施工進行模擬，通過分析其水平豎直位移變化規律，為實際工程中CFG樁復合地基的設計施工提供參考依據[1]。

1 工程概況

貴州山區某高速公路工程中某段路線穿越耕地，場區為溶蝕～侵蝕低中山地貌，場區地表灌木叢生，植被較發育。

路段場區出露地層為第四系殘坡積層(Qe1+d1)亞黏土、軟黏土，下伏基巖為二疊系下統茅口組(P1m)灰巖，且巖層綜合產狀為322°<26°。

場區填方路基范圍內軟土深度為5～10 m，呈灰褐色軟黏土，高含水量且承載力低，易導致路基填方產生較大沉降及邊坡失穩。

經工程中地質勘測資料顯示，揭露土層如下：

1)粉質黏土(Qel+dl)：可塑狀灰黃色，少許黃色，頂部覆有耕土，含少量植物根系，為頂部硬殼層，勘測鉆探資料顯示厚度為2～4.5 m。

2)淤泥質土(Qel+dl)：含灰色、灰黑色，流塑狀到軟塑狀過渡，內有比例為10%～20%碎石，粒徑為1～10 mm間，由強風化泥質粉砂巖主要組成，場區內均有分布，經勘測鉆探，其厚度為3～12 m。

3)碎石土(Qel+dl)：灰黑色、含少許灰色，大部分為泥質粉砂巖鈣質泥巖組成，粒徑在40～80 mm間，結構大部為松散狀。濕至飽和含水，場區內均有分布，經勘測鉆探，其厚度為2～9.0 m。

4)含碎石粉質黏土(Qel+dl)：大部分呈黃色可塑狀，從流塑到軟塑狀過渡，由砂巖及泥質粉砂巖組成，其中碎石比例為25%～40%，一般分布在低洼路段，厚度在0～10 m間。

原設計中采用振動沉管碎石樁來處理本路段軟土地基，但處理效果較差。后經綜合分析，考慮采用CFG樁復合地基進行比對設計。故建立如下有限元模型進行計算分析。

2 有限元計算模型

結合上述工程現場，針對CFG樁復合地基中CFG樁樁長、樁間距、褥墊層厚度這3個因素的變化對復合地基中水平豎直位移變化的影響進行有限元模擬分析并總結出其變化規律[2-3]。

2.1 模型幾何參數

根據CFG樁復合地基的組成特點，結合實際施工現場，建立如圖1的有限元分析模型。

圖1 有限元計算模型Fig.1 Finite element model

有限元分析模型組成結構為：

1)模型采取半幅路堤，高度為h1=5 m；頂面寬度為B=13.5 m；路堤邊坡坡率為n=1∶1.5；路堤坡底地基寬度L1=21 m。

2)設置級配碎石褥墊層，厚度為0.4 m。

3)CFG樁復合地基加固區，深度為h2=10 m。

4)CFG樁復合地基持力層其深度h3=10 m。

5)CFG樁復合地基中CFG樁樁長為11 m，樁徑d=0.4 m，樁間距S=1.4 m。

2.2 模型材料參數

土體參數見表1，CFG樁參數見表2。

表1 模型中土體參數

表2 CFG樁各項參數

2.3 本構模型邊界條件及荷載

在有限元PLAXIS軟件模擬施工過程中，假設條件為：

1) 根據路基橫截面的對稱性，建立模型時只計算半幅路基。計算時，取水平向寬度為50 m，豎向高度為25 m。經反復計算，地表下20 m處附加應力遠小于自重應力，故選擇此模型合理。

2) 模型中約束條件選為標準邊界約束條件，即模型左右邊界兩側為水平約束條件，模型底部邊界則為完全約束。

3) 地下水位對模型產生的影響忽略不計。

4) 模型中屈服準則采取摩爾-庫倫強度準則，且選用摩爾-庫倫理想彈塑性本構關系。

5) CFG樁采用板單元進行模擬。

6) CFG樁與土體接觸采用(Interface Element)接觸單元模擬；接觸面單元采用無厚度的Goodman單元，采用理想彈塑性的Mohr-Coulomb強度準則，在加固區范圍內，樁土接觸面剛度為29 kN/m，持力層范圍樁土接觸面剛度為52 kN/m。

7) 采用接觸單元模擬樁土接觸面作用性狀，土體間的界面強度折減因子系數為0.67，樁土間的界面強度折減因子系數為0.58[4]。

有限元計算模型網格劃分見圖2。

圖2 有限元Plaxis計算模型網格示意Fig.2 Plaxis finite element calculation model of grid

3 CFG樁復合地基施工階段數值模擬及結果分析

利用有限元PLAXIS軟件對CFG樁復合地基進行施工模擬[5]，具體施工步驟為：模擬地層初始應力狀態→施工CFG樁→鋪設褥墊層→分層填筑路堤。

施工過程中的有限元模型計算過程如下[6]。

3.1 模擬地層初始應力狀態

首先調整重力系數∑Mweight=1，再施加重力，產生初始應力場。這一步驟產生的位移將在下一步驟計算時歸0。

3.2 施工CFG樁

當地基中施工CFG樁時，加固區產生了沉降，由圖3可知其中最大豎直位移值為11.97mm。且CFG樁的施工導致一定范圍內的路基出現向上隆起。

圖3 施工完CFG樁后沉降等值云圖Fig.3 Settlement equivalent cloud after constructed CFG pile

3.3 施工鋪設褥墊層

在對CFG樁施工完畢后，在樁頂鋪設40cm厚的級配碎石褥墊層。由圖4可見，施工褥墊層時產生的最大沉降位移值為1.92 mm，累積豎直位移為13.89 mm。

圖4 施工完褥墊層后沉降等值云圖Fig.4 Settlement equivalent construction of finished cushion

3.4 分層填筑路堤

鋪筑褥墊層后，對路堤進行分層填筑。模型中路堤高度為4.6 m，分9層進行填筑，第一層填筑高度為0.6 m，后8層每層為0.5 m。圖5為分層填筑5層后模型沉降等值云圖。由圖5可知，此時最大豎向位移發生在路堤中心處，產生的最大沉降值為8.66 mm。累積沉降值為22.55 mm。

圖5 第5層路堤填筑完后沉降等值云圖Fig.5 Settlement equivalent cloud after the fifth layer of embankment

3.5 路堤填筑結束

在分層填筑完路堤后，觀測其沉降云圖(圖6)，在路堤中心出產生最大沉降，此步驟產生的最大沉降值為13.12 mm。累積沉降值為35.67 mm。

圖6 分層填筑完路堤后沉降等值云圖Fig.6 Settlement equivalent cloud after finished filling embankment

經過上述有限元分析軟件PLAXIS在路堤荷載作用下對CFG樁復合地基處理軟基的施工模擬[7]，可得如下的變形規律：

1)由模擬施工過程結束后由最終垂直位移可知：上部路堤的豎直位移大于下部路堤的豎直位移，水平方向上則是路堤兩邊的豎直沉降量要比中間沉降量小。同時，在樁體作用下，樁周土體沉降量也要小于樁頂處土體的沉降量。故當復合地基承受荷載施加作用時，CFG樁起到減少加固區土層沉降量的作用。

2)分析模擬施工過程結束后水平位移圖可知：路堤水平位移由中心至邊坡處逐漸增大，由路堤頂面處到底面逐漸增大。復合地基中，隨著地基深度的增大，水平位移逐漸增大，在樁底加固區與持力層接觸面達到最大值。

3)分析路堤填筑后產生的土體有效應力云圖可知：在路堤荷載作用下，土體有效應力隨地基深度增大而增大。樁體模量與土體模量差值較大，故導致樁體與樁周土體產生不均勻沉降。可由圖3～圖6知，復合地基中樁承擔大部分荷載作用，故樁周土體的有效應力要小于樁端頂處有效應力。

4 不同加固形式下的加固效果分析

在路堤荷載作用下CFG樁復合地基變形及受力易受諸多因素影響[8-9]。筆者運用PLAXIS軟件對CFG樁復合地基中樁長、樁間距、褥墊層厚度變化分別進行對比分析，當分析某一因素對復合地基工作形狀影響時，保持原模型其他參數不變，通過分析結果可以更好的認識CFG樁復合地基加固軟基時的工作性狀[10-12]。

4.1 CFG樁樁長變化分析

計算時保持模型其他參數不變，僅變化CFG樁樁長，分別取10，11，12 m。經有限元PLAXIS軟件分析，得到模型中路基表面、路基中部CFG樁水平位移、豎直位移變化數據，繪制成變化曲線圖。圖7為不同CFG樁樁長填筑路基時路堤底部水平、垂直位移分布。

圖7 樁長變化對路基表面豎直、水平位移影響分析Fig.7 Influence analysis of length variation on vertical and horizontal displacement of roadbed surface

由圖7可知，當CFG樁樁長從10～11 m變化時，土體水平豎直位移減小幅度較大；但當樁長從11～12 m變化時，水平豎直位移變化幅度較小。故當復合地基中樁長增大到一定長度時，再增加樁長對減小復合地基水平位移、沉降量效果不大，從經濟因素上考慮屬于浪費。從控制復合地基位移變化的角度看，設置樁長時有臨界樁長，在其他條件一定的情況下，此臨界樁長與上部荷載附加應力影響范圍有關，當樁長超過應力影響范圍時，樁體長度對控制沉降的作用就可以忽略了。

4.2 CFG樁樁間距變化分析

計算時保持模型其他參數不變，僅變化CFG樁樁間距，分別取1.2，1.4，1.6 m。經有限元PLAXIS軟件分析，得到模型中路基表面、路基中部CFG樁水平位移、豎直位移變化數據，繪制成變化曲線圖。圖8為不同CFG樁樁間距填筑路基時路堤底部水平垂直位移分布。

圖8 樁間距變化對路基表面豎直、水平位移影響分析Fig.8 Influence analysis of pile spacing change on vertical and horizontal displacement of roadbed surface

由圖8可知，當樁間距從1.2～1.6m逐漸變化時，路基表面水平位移隨著樁間距的增大而增大，路基表面豎直位移變化量較小。故當復合地基中樁間距設置為一定值時，再減小樁間距，增多樁體數量從沉降分析、施工技術及施工成本上考慮無必要。

4.3 復合地基褥墊層厚度變化分析

計算時保持模型其他參數不變，僅變化復合地基褥墊層厚度，分別取0.4，0.6，0.8 m。經有限元PLAXIS軟件分析，得到模型中路基表面、路基中部CFG樁水平位移、豎直位移變化數據，繪制成變化曲線圖。圖9為不同復合地基褥墊層厚度填筑路基時路堤底部水平垂直位移分布。

圖9 褥墊層厚度變化對路基表面豎直、水平位移影響分析Fig.9 Influence analysis of cushion thickness on vertical and horizontal displacement of roadbed surface

由圖9可知，當復合地基褥墊層厚度從0.4～0.8 m逐漸變化時，路基表面水平位移隨著褥墊層厚度的增大而減小，但路基表面豎直位移變化量不明顯。故當復合地基中褥墊層厚度設置為0.4 m時，再增大褥墊層厚度，從水平豎直位移綜合分析及經濟因素上考慮不劃算。

5 結 論

筆者運用有限元PLAXIS軟件對山區高速公路CFG樁復合地基處理及路堤填筑施工進行模擬，并進一步分析在復合地基樁長、樁間距及褥墊層厚度因素變化時路基的水平豎直位移變化規律，最終為實際工程中CFG樁復合地基的設計施工提供參考依據。通過以上分析過程，可得結論如下：

1)樁長從10 m增加到11 m時，復合地基中土體水平豎直位移減小幅度較大，樁長繼續增加到12 m時，水平豎直位移減小幅度不明顯。故當復合地基中樁長增大到一定長度時，再增加樁長對減小復合地基水平位移、沉降量效果不大，故此工程中樁長合理長度為11 m。

2)當復合地基中樁間距從1.2～1.6 m逐漸變化時，路基表面豎直位移變化量較小，路基表面水平位移隨著樁間距的增大而增大。理論上應盡量減小樁間距以控制路基表面豎直水平位移，但綜合分析，過小的樁間距會導致成本費用增加和施工技術難題，故現場施工建議合理樁間距為1.4 m。

3)模擬施工時，褥墊層厚度從0.4→0.6→0.8 m變化過程中，路基表面水平位移隨褥墊層厚度的增大而減小，但路基表面豎直位移變化量并不明顯。故從路基總沉降量、施工技術及施工成本考慮，褥墊層厚度設置在0.4 m時能達到最佳效果。

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Analysis of Major Factors Affecting CFG Piles Treating Soft Foundation in Mountain Highway

Cai Dongjun, Xie Wen

(Chongqing Zhongshe Engineering Design Co. Ltd., Chongqing 400023, China)

After CFG pile treated the mountain road, its composite foundation bearing capacity, and settlement were affected by many factors. Under Embankment loads, conventional theoretical approach is difficult to analyze the impact of changes in the stress-strain law factors. Finite element analysis software PLAXIS was used to simulate CFG pile composite foundation treatment and embankment construction. Through the analysis of CFG pile length, pile spacing and composite foundation cushion thickness variation, the influence of various factors on the CFG pile composite foundation settlement was summed up, and CFG pile composite foundation pile length,pile spacing and cushion thickness of a reasonable range were analyzed. Ultimately it provides theoretical basis for practical engineering CFG pile composite foundation optimized design.

road engineering; soft soil foundation; CFG pile composite foundation; settlement; embankment load; finite element analysis

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.02.08

2013-08-15；

2013-12-17

蔡冬軍(1984—)，男，湖北公安人，工程師，碩士，主要從事道路與交通工程方面的研究。E-mail：cqjtcdj@163.com。

U412

A

1674-0696(2015)02-033-06