巖溶洼地地區CFG樁復合地基沉降規律研究

李鵬，陳永凱

（1.中鐵工程設計咨詢集團有限公司鄭州設計院，鄭州450001; 2.北京首鋼國際工程技術有限公司，北京100043）

巖溶洼地地區CFG樁復合地基沉降規律研究

李鵬1，陳永凱2

（1.中鐵工程設計咨詢集團有限公司鄭州設計院，鄭州450001; 2.北京首鋼國際工程技術有限公司，北京100043）

依托百色—靖西高速公路工程6個路堤斷面及15個假設斷面的工程實例，結合分層總和法理論計算和abaqus仿真分析，針對巖溶洼地這種特殊軟土地質結構，進行沉降規律研究，結果表明；（1）CFG樁穿透型布樁時加固區沉降比重較大，平均為57.8%，摩擦樁布樁時，加固區沉降只有總沉降的14%；（2）下伏面局部不平整對路基沉降的影響與上覆土層壓縮模量關系密切；（3）采用破壞硬殼層的傳統CFG樁復合地基時，硬殼層的埋深對路基中心及坡腳處沉降影響較大。

巖溶洼地；CFG樁；復合地基；沉降規律

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.09.015

1 引言

歷經近20年的快速發展，我國在復雜地質條件下進行工程建設和設計的水平日趨成熟。我國國土面積較大，各類地形發育較充分，其中，西南地區如廣西、云南的山區往往分布有較發育的巖溶，針對公路、鐵路這類線長而面廣的工程，難免會遇到巖溶洼地軟土地基結構，這類軟土具有含水量高、孔隙比大、液限及塑性較高，容重、飽和度較大，滲透性、壓縮性和抗剪強度較低等工程特點，在這類巖溶洼地軟土地基上修筑高速公路的工程實例中，由于沉降過大導致的工程問題占了很大比例，這至少說明2點：（1）我們對巖溶洼地軟土的認知和研究還不足；（2）基于巖溶洼地軟土地基沉降規律還有待深入研究。

在路基的沉降變形中，施工期間的沉降可由后續的填土補償，影響運營安全的沉降主要包括：（1）路基基床在列車荷載下發生的彈塑性變形；（2）路基本體在自重作用下的壓實變形；（3）地基在荷載作用下的沉降[1]。前2項可以利用高壓實標準、優良填料進行控制，軟土地基的變形則耗時久、沉降值[2]大。

目前，國內外雖然對軟基沉降問題研究歷史較長，但基本都是以彈性理論為基礎且滿足一維應變狀態假設的分層總和法。然而在外力作用下的地基土變形特性非常復雜，因此，計算誤差較大。目前，國內對軟基沉降計算常引入修正系數φs和工后沉降系數ηti加以修正,不同的成果都對完善軟基沉降計算理論和工后沉降的評估具有十分積極的意義，也不可避免會存在局限性。然而，隨著仿真技術的不斷進步，以室內試驗得出的樁土接觸參數進行修正的有限元數值分析方法也越來越具有使用價值。

以工程中常見的巖溶洼地軟土為研究對象，基于百色—靖西CFG樁復合地基相關路基斷面，開展了路堤荷載下巖溶洼地地區CFG樁復合地基沉降規律研究。地基各土層參數如表1所示。

表1 地基各土層主要計算參數

理論計算部分采用《建筑地基基礎設計規范》（GB5007）[3]的應力面積法，計算公式：

式中，S為地基最終沉降量，mm；n1為加固區內的土層層數；n2為計算深度范圍內總的土層層數；φs為沉降計算修正系數，根據經驗和相關觀測資料確定；P0為基礎底面處的附加應力，kPa；Esi為基底以下第i層土的壓縮模量，MPa；zi為第i層土底面至基礎底面的距離，m；ξ為復合土層的模量提高系數為第i層土底面至基礎底面計算點范圍內的平均附加應力系數，該系數不能照搬建筑規范，應該重新推導，文獻[4]研究了路堤梯形分布荷載下路基中心附加應力系數曲線方程為：

式中，d為荷載分布寬度，m；αz為深度z處的平均附加應力系數，z為路基中線下深度，m；d'為路堤斷面頂面寬度，m。代入式（2），可以得到平均附加應力計算式，見郭再旭[5]推導。

2 項目區土層結構下的沉降特征分析

根據項目區K84+800渠來路基段地質資料采用上述理論計算方法，對不同布樁方案進行沉降計算和優化設計結果匯總如表2和圖1。

結論：如不進行地基處理，沉降高達95cm，工后沉降系數取30%～40%，顯然沉降會超標，方案C沉降相對較大，穿透型布樁時加固區的沉降占比例較大，平均為57.8%，而摩擦樁加固區沉降僅占總沉降的14%?？梢?，穿透型布樁可以充分發揮CFG樁復合地基的加固效果。由圖2可見幾種加固方案的豎向沉降曲線主要分為3種類別：方案A、B、D、E和預設方案的沉降曲線的變化幅度較小，數值也較小；方案C沉降值最大；長短樁方案F的沉降介于中間，由這3類沉降曲線的變化幅度可知以樁端位于強風化砂巖為界，樁長深入該層，對沉降的控制意義不大，樁端為進入該層，沉降值過大，這種情況下選擇長短樁，即長樁進入穩定持力層，短樁未達到穩定持力層既安全又經濟。

表2 沉降匯總表

圖1 不同加固方案的Abaqus沉降曲線

3 地基不同土層結構下的沉降計算

地貌學認為巖溶具有青—壯—老年期組成的巖溶旋回[6]不斷沉積和溶蝕，將會產生不同的地基結構，假設有3層土分別為：硬殼層黏土、黏土、淤泥，厚度均為3m，隨機組合，為了突顯軟硬對比，硬殼層黏土設置2組，故土層組合分為a、b兩大組，其中，a組硬殼層黏土壓縮模量取20MPa；b組硬殼層黏土壓縮模量取50MPa。樁長同取10m，樁徑0.5m，樁間距1.5m，樁端持力層為強風化砂巖，其他參數保持不變，這樣共有12種組合：a、b組各有“黏硬淤”“黏淤硬”“淤硬黏”“淤黏硬”“硬黏淤”“硬淤黏”6種組合，采用Abaqus仿真分析，得沉降曲線如圖2和圖3。

圖2 a組合地基表面沉降曲線

圖3 b組合地基表面沉降曲線

4 下伏面局部不平整對沉降規律的影響

巖溶洼地地區由于巖溶化的持續發展，地基下伏基巖往往不是平整的，會出現很多巖溶地貌：石芽殘丘、峰林地形、溶蝕準平原低矮的殘峰分布、塌陷的溶洞等，隨著后續構造運動，上覆土層逐漸沉積，最終出現了下伏面局部不平整的地基結構，采用Abaqus簡化建模，將這種局部的不平整簡化為規則的矩形體，結合工程路基斷面：基床表層單側寬13m，坡腳距中心線寬38m，模擬了3種情況：（1）局部不平整出現在路基中心線至路肩范圍內（0～13m）；（2）在路基邊坡范圍以內（13～38m）；（3）在距路基中心6.5～38m范圍內。建模分析并匯總沉降曲線如圖4。

圖4 下伏巖層存在局部不平整時的沉降曲線

5 結論

論文第針對項目區實際工點進行了分析和總結，對不同土層組合及下伏面局部不平整現象進行了假設研究并得出結論，以上共計21種情況，對巖溶洼地地區軟土CFG樁復合地基的沉降規律具有一定參考意義。

【1】王其昌.高速鐵路土木工程[M].成都：西南交通大學出版社，1999.

【2】張敏靜,羅強等.高速鐵路穿透型CFG樁復合地基沉降計算修正系數研究[J].巖土力學，2013(2)∶519-525.

【3】GB 50007-2011.建筑地基基礎設計規范[S].

【4】陳開圣,劉宇峰.分層總和法在路基沉降計算中應注意的幾個問題[J].巖土工程技術，2005,19(10)∶43-45.

【5】郭在旭.路堤荷載下CFG樁復合地基沉降計算研究[D].成都：西南交通大學，2010.

【6】劉冬.武廣客運專線紅黏土地基沉降計算與預測方法研究 [D].長沙：中南大學，2009.

Research on Settlement Regularities of CFG Pile Composite Foundation in Karst Depression Area

LI Peng1,CHEN Yong-kai2
(1.Zhengzhou Design Institute of China Railway Engineering Consulting Group Co.Ltd.,Zhengzhou 450001,China; 2.Beijing Shougang International Engineering Technology Co.Ltd.,Beijing 100043,China)

Based on project examples of 6 embankment sections and 15 hypothetical sections in Baise—Jingxi Expressway,combined with theoretical calculation with layering summation method and abaqus simulation analysis,settlementregularities are studied for the special weak geological structurein karst depressions.Theresults showed that,(1)the settlement in the reinforced areais clearer whenpenetrating CFG pile is used,with an average of 57.8%,while the friction pileisused,the numberis 14% oftotal settlement;(2)the influence of uneven underlying surface to subgrade settlement is closely related to overburden compression modulus;(3)with traditional CFG pile composite foundation which destroys crustlayer,the depth of the crustlayer has a greatimpacton settlement of the central subgrade and the toe.

karst depression;CFG pile;composite foundation;settlementregularities

TU473

A

1007-9467（2016）09-0031-03

2016-07-25

李鵬（1988～），男，山東菏澤人，助理工程師，從事鐵路路基設計研究。