路堤荷載下CFG樁-筏復合地基數值模擬研究

蔚宏

路堤荷載下CFG樁-筏復合地基數值模擬研究

蔚宏

樁-筏復合地基具有承載力高、穩定性好、可有效控制地基沉降和不均勻沉降等優點，近年來在高速公路工程中得到了廣泛應用。以某高速公路CFG樁-筏復合地基試驗段為背景，采用有限元軟件PLAXIS建立二維平面模型，對CFG樁-筏復合地基的地基沉降、筏板下樁、土應力分布和樁身位移進行了分析。結果表明：采用CFG樁-筏復合地基可有效控制地基沉降、均化筏板下樁、土應力分布和減小邊樁水平位移；地基土彈性模量對邊樁水平位移影響較大，而樁墻彈性模量對邊樁豎向位移影響更大。

一、引言

樁-筏復合地基自上而下由鋼筋混凝土板、碎石墊層、樁間土和豎向樁體組成，具有承載力高、穩定性好、施工速度快、沉降和不均勻沉降小和有效控制工后沉降等優點，自2005年首次應用于我國京津城際鐵路松軟土地基處理后，近年來在高速公路工程中得到了廣泛應用。不同于目前國內外已有較多研究的樁-網復合地基，針對樁-筏復合地基開展的研究還較少。本文通過建立數值模型，對采用CFG樁-筏復合地基加固的某高速公路試驗段進行研究，分析復合地基沉降、筏板下樁、土應力分布和樁身位移，并探討地基土和樁墻彈性模量及筏板厚度的影響。

二、工程概況與數值建模

1.數值建模

數值建模采用二維有限元軟件PLAXIS，根據對稱性，取半幅路基進行分析，X方向計算寬度取30m。路堤填土高4.8m，鋼筋混凝土筏板厚0.5m，筏板下碎石墊層厚0.2m，路堤頂面寬6.8m，底面寬14.0m，地基土為兩層各6m厚的黏土，下臥層為堅硬持力層，不考慮其變形。邊界條件為左側路基中線無水平位移，右側邊界由于超出水平位移影響范圍，也不考慮其水平位移，模型底面固定。

采用復合模量法對單樁進行轉化得到的樁墻長12m，端部位于堅硬持力層，間距2m，寬0.4m。在PLAXIS中，Plate為具有一定抗彎和抗壓剛度的結構單元，可以用于模擬墻、板、殼及襯砌等對象，為建模計算簡便，本文采用Plate模擬樁墻。

圖1　數值計算模型

圖1為數值計算模型，地基土、碎石墊層和路堤填土均采用實體單元進行模擬，屈服準則采用Mohr-Coulomb準則；鋼筋混凝土筏板也采用實體單元，屈服準則為理想彈性-塑性屈服準則。樁體密度取2200kg/m3，筏板密度取2500kg/m3，泊松比均取0.2，樁體和筏板彈性模量參照C20和C25混凝土取值，分別為2.55×104kPa和2.8×104kPa。其他土層參數見下表。

土層參數表

三、數值模擬結果分析

1.地基沉降

圖2為筏板頂面沉降分布曲線。隨路堤填土高度增加，筏板頂面沉降逐漸增大，增大速率較為均勻，路堤填筑完成時，路基中心筏板頂面沉降為25.5mm，路堤坡腳處筏板頂面沉降為3.6mm，即沿路基橫向的筏板頂面最大差異沉降為21.9mm；不同填土高度時路基中心附近樁間土和樁頂沉降沒有明顯差異，總體而言，筏板頂面沉降沿路基橫向變化較為均勻。

圖2　筏板頂面沉降分布曲線

2.應力分布

圖3為地基表面和筏板底面樁間土和樁頂應力隨路堤填土高度的變化曲線。隨路堤填土高度增加，地基表面和筏板底面樁間土和樁頂應力均逐漸增大，各填土高度下應力從小到大依次為地基表面樁間土、筏板底面樁間土、筏板底面樁頂和地基表面樁頂；不同填土高度下地基表面和筏板底面樁間土應力相差不大，路堤填筑完成時，二者差值僅為3.6kPa，而此時地基表面和墊層底面樁頂應力相差為32.3kPa。

圖3　樁、土應力隨填土高度變化曲線

圖4為路堤填筑完成時地基表面和筏板底面樁間土和樁頂應力沿路基橫向分布曲線。隨距路基中心距離增加，地基表面和筏板底面樁間土和樁頂應力均逐漸減小，其中地基表面樁頂應力減小速率最快，筏板底面樁頂應力減小速率次之，而地基表面樁間土應力減小速率最小；從路基中心到路堤坡腳，地基表面和筏板底面樁間土和樁頂應力減小幅度從小到大依次為地基表面樁間土（65.3kPa）、筏板底面樁間土（68.1kPa）、筏板底面樁頂（111.7 kPa）和地基表面樁頂（126.4kPa）。

圖4　樁、土應力沿路基橫向分布曲線

3.樁身位移

圖5　邊樁位移隨填土高度變化曲線

圖5為邊樁沿地基深度的水平位移和豎向位移隨填土高度變化曲線。隨路堤填土高度增加，邊樁各深度處水平位移和豎向位移均逐漸增大，不同的是邊樁各深度處水平位移增大速率較為均勻，而豎向位移增大速率隨填土增加而明顯減小；各填土高度下，邊樁水平位移隨地基深度增加先迅速增大后逐漸減小，最大水平位移發生在地基深度1.5～3m范圍內，而豎向位移隨地基深度逐漸減小，最大豎向位移始終發生在地基表面。總體而言，路堤填筑對樁-筏復合地基中樁體位移影響不大，路堤填筑完成時，邊樁最大水平位移僅為3.92mm，而最大豎向位移僅為1.74 mm。

四、參數分析

上述分析表明樁-筏復合地基可以有效控制地基沉降、均化筏板下樁、土應力分布和減小邊樁水平位移。為進一步了解不同工程地質條件和樁型對樁-筏復合地基工作性狀的影響，同時優化鋼筋混凝土筏板結構的設計，通過開展參數分析，探討地基土彈性模量和樁墻彈性模量對筏板頂面沉降和邊樁位移的影響。

1.地基土彈性模量

圖6為路堤填筑完成時地基土彈性模量對筏板頂面沉降的影響。隨地基土彈性模量增大，筏板頂面沉降快速減小，沿路基橫向的筏板頂面差異沉降也隨之減小，地基土彈性模量為2MPa時，差異沉降達26.0mm，而地基土彈性模量增大至10MPa時，差異沉降僅為12.2mm。

圖6　地基土彈性模量對筏板頂面沉降的影響

圖7　地基土彈性模量對邊樁位移的影響

圖7為路堤填筑完成時地基土彈性模量對邊樁位移的影響。隨地基土彈性模量增大，邊樁各深度豎向位移逐漸減小，但減小幅度不大，而邊樁水平位移變化在6m深度處存在拐點，地基深度小于6m時，邊樁水平位移逐漸減小，但在深度大于6m時逐漸增大。總體而言，地基土彈性模量對邊樁水平位移影響較大，特別是當地基土為高壓縮性土時，邊樁上部水平位移顯著大于下部，且承擔明顯的彎矩作用，因此在工程設計中應予以重視。

2.樁墻彈性模量

圖8為路堤填筑完成時樁墻彈性模量對筏板頂面沉降的影響。隨樁墻彈性模量增大，筏板頂面沉降逐漸減小，沿路基橫向的筏板頂面差異沉降也隨之減小，但減小幅度不大，隨樁墻彈性模量從400MPa增大至1200MPa，路基中心筏板頂面沉降僅從29.8mm減小為24.0mm，而差異沉降也僅從24.7mm減小至20.9mm。

圖8　樁墻彈性模量對筏板頂面沉降的影響

五、結語

1.路堤柔性荷載作用下，采用樁-筏復合地基可以有效控制地基沉降、均化筏板下樁、土應力分布和減小邊樁水平位移，從而滿足軟弱地基上高速公路和鐵路路堤沉降控制要求，并防止路堤荷載作用下的地基失穩。

2.地基土彈性模量對邊樁水平位移影響較大，地基土彈性模量較小時邊樁會承擔明顯的彎矩作用，在工程設計中應予以重視，而樁墻彈性模量則對邊樁豎向位移的影響更大。

（作者單位：靈河高速公路原神段建設管理處）