CFG樁+泡沫混凝土解決軟基橋頭跳車的聯(lián)合應用研究

盧蘭萍，張宇超，李明勛

摘要：為了減小路橋過渡段的差異沉降，緩解軟土地區(qū)的橋頭跳車問題，提出了一種采用CFG樁復合地基聯(lián)合換填泡沫混凝土加固軟基的方案。依托實際工程案例，采用有限元軟件MIDAS GTS/NX建立了CFG樁復合地基工況模型與原始工況模型，檢驗了CFG樁復合地基的有效性，然后建立了CFG 樁聯(lián)合臺后換填泡沫混凝土方案的模型進行固結(jié)沉降分析，并驗證了兩者聯(lián)合應用的優(yōu)越性。研究結(jié)果顯示：1）CFG樁復合地基對于軟基的加固效果顯著，其工期沉降比原始工況減少了18.32 cm;2）CFG樁復合地基加固軟基時，臺后換填泡沫混凝土使橋臺與路面的臺階型差異沉降相較于臺后普通路基填土工況減小了0.72 cm，對于橋頭跳車問題的治理效果良好;3）模擬結(jié)果與工程實測沉降數(shù)據(jù)對比誤差極小，說明了有限元模擬的可靠性。研究結(jié)果有效解決了常見的橋頭跳車問題，方案具有更安全、環(huán)保、可靠的特點，可為軟土地區(qū)的路橋過渡段工程提供一定的理論參考與借鑒。

關鍵詞：地基基礎工程;CFG樁;泡沫混凝土;軟土地基;橋頭跳車;數(shù)值模擬

中圖分類號：U416.1文獻標識碼：ADOI：10.7535/hbgykj.2021yx06012

Study on the combined application of CFG pile + foam concrete

in solving bump at bridge head on soft soil foundation

LU Lanping，ZHANG Yuchao，LI Mingxun

（School of Civil Engineering，Hebei University of Engineering，Handan，Hebei 056038，China）

Abstract：In order to reduce the differential sedimentation in the transition section and alleviate the problem of bump at bridge head on soft soil foundation，a scheme of CFG pile composite foundation combined with replacement of foam concrete to reinforce the soft foundation was proposed.Based on the actual project，the finite element software MIDAS GTS / NX was used to establish the models of CFG pile composite foundation and original foundation，and the effectiveness of CFG pile composite foundation was verified.Then the "CFG pile composite foundation + foam concrete" model was set up for consolidation sedimentation analysis to verify the advantages of joint application.The results show that：1） the soil settlement of the CFG pile composite foundation is reduced by 18.32 cm compared with the original working condition，which has a significant effect on soft foundation reinforcement;2） compared with the replacement of ordinary filling behind abutment，the combined application of CFG piles and foamed concrete reduces the differential settlement of the bridge abutment and the pavement by 0.72 cm，and the treatment effect the problem of bump at the bridge head is good;3） compared with the measured settlement data of the project，the error of the simulated results is extremely small，which shows the reliability of the finite element simulation.The research results can solve the common problems of bump at bridge head and the scheme has the characteristics of safety，environmental protection and reliability，which? can provide some theoretical reference for the design of transition sections of roads and bridges in soft soil areas.

Keywords：foundation engineering;CFG pile;foam concrete;soft soil foundation;bump at bridge head;numerical simulation

由于橋梁結(jié)構為剛性結(jié)構，道路基礎結(jié)構為剛性和柔性的混合結(jié)構，在車輛的反復碾壓下，路橋過渡段會形成不同程度的差異沉降，產(chǎn)生橋頭跳車問題，影響行車舒適性，降低通行能力，增加養(yǎng)護維修費用，甚至引起交通事故[1-2]。尤其是軟基地區(qū)，因其含水量較高、孔隙大、可壓縮性強、抗剪能力較低、固結(jié)緩慢，使得這種不均勻沉降更加突出，隱患更大。而橋頭道路的地基結(jié)構和臺后填土是影響橋頭跳車的主要因素，需重點解決。

泡沫混凝土作為一種新型的輕質(zhì)材料，其自重輕，可以減小對軟土地基的附加應力，從而減小土層的沉降量，緩解橋頭跳車現(xiàn)象，且自立性良好，可以減小對擋土墻或臺背的側(cè)向力[3]。CFG樁復合地基是由CFG樁、樁間土和褥墊層共同協(xié)調(diào)作用，主要的作用機理是樁、樁間土和褥墊層共同承擔地基上部的路堤填土自重和長時間的行車荷載，可以有效加固軟基，減小沉降。WATABE等[4]研究了泡沫輕質(zhì)土填筑東京機場跑道項目，并且通過分析豎向沉降位移隨時間的變化關系，得出該材料可作為良好填筑材料的結(jié)論。杜素云等[5]、駱建生[6]、鄭寒釗[7]在軟土路基項目中應用泡沫輕質(zhì)土，并與傳統(tǒng)填土進行對比分析，結(jié)果均顯示采用泡沫輕質(zhì)土可以有效減小路基沉降。薛新華等[8]、郅彬等[9]進行了大型室內(nèi)試驗和現(xiàn)場的CFG樁復合地基工程試驗，研究樁土共同作用機理，總結(jié)了CFG樁復合地基的沉降規(guī)律及影響因素。黎璽克[10]、潘宏鑫[11]基于實踐工程，通過有限元模擬計算沉降變形，并與現(xiàn)場試驗結(jié)果對比，證明了CFG樁復合地基應用的有效性。

從上述研究可以看出，之前研究多是單獨應用CFG樁復合地基或泡沫混凝土加固軟基減小沉降，但是對于軟基的路橋過渡段，單獨加固軟基或減輕路基并不能很好地緩解橋頭跳車問題，因此本文依托實際工程案例提出在軟基路橋過渡段臺后回填區(qū)內(nèi)換填泡沫混凝土，聯(lián)合CFG樁復合地基來減少路橋過渡段的不均勻沉降，并建立有限元模型計算分析，驗證其有效性，可為類似工程提供參考。

1工程概況

依托福州市某道路工程，規(guī)劃道路紅線寬40 m，設計速度為40 km/h，設置雙向四車道。根據(jù)工程地質(zhì)勘探報告，該處地層結(jié)構自上而下有雜填土、淤泥、細砂，其中雜填土層厚1.5～3.5 m，主要由黏性土、砂土及碎石土堆填，硬雜質(zhì)含量約30%，粒徑約5～15 cm，均勻性差;淤泥層層厚5.3～11.5 m，深灰色，飽和，流塑狀態(tài)，含腐殖質(zhì)，有臭味，不均勻地夾少量粉細砂，稍有光澤，搖振反應慢，干強度及初性中等;細砂層厚6.5～10.5 m，局部為（含泥）細砂或細中砂，主要成分為細粒石英砂，濕，稍密狀態(tài)，飽和，級配一般，局部含泥。橋頭路基填土高度為5 m。根據(jù)工程地質(zhì)勘探報告及室內(nèi)土工材料試驗，本文所涉及的材料物理力學特征取值如表1所示。

2有限元模型的建立

為了探究在CFG樁復合地基處理下，臺后回填泡沫混凝土在工程中處理橋頭跳車問題的優(yōu)越性[12]，采用大型巖土有限元分析軟件MIDAS GTS/NX建立相關有限元計算模型，即先建立原始工況與最優(yōu)方案的CFG樁復合地基工況有限元模型，對比分析驗證CFG樁復合地基的應用有效性;然后建立在CFG復合地基處理下，臺后換填普通填土與泡沫混凝土的有限元模型，再進行沉降對比分析，驗證CFG樁聯(lián)合泡沫混凝土共同緩解橋頭跳車問題的有效性。

2.1幾何模型的建立

模型選取路橋過渡段的縱斷面，根據(jù)地質(zhì)勘探資料確定計算模型的大致尺寸。所建模型地基高度從雜填土頂部取到細砂層底部共28.1 m，地基長取46 m;路基填筑高度5 m，寬度取自橋臺向路面延伸36 m;路面層共0.58 m。模型取自橋臺向路面延伸的15 m范圍為臺后換填區(qū)進行重點研究分析，模擬臺后回填時，采用階梯式回填，每層回填厚度為1 m。

為更嚴謹?shù)仳炞C臺后換填泡沫混凝土的有效性，首先要使CFG樁復合地基發(fā)揮最大加固效果，因此選取多個樁體參數(shù)，控制單一變量，進行參數(shù)組合模擬，結(jié)合沉降結(jié)果與造價統(tǒng)計分析確定最優(yōu)參數(shù)組合，進行下一步的研究。由于工程中樁的造價按樁長70元/m計算，故暫不考慮樁徑的影響，僅考慮樁間距與樁長，最終各組合的沉降結(jié)果統(tǒng)計如表2所示。通過表2數(shù)據(jù)顯示，綜合考慮沉降與造價后，樁長15.5 m、樁間距1.5 m、樁徑400 mm為最優(yōu)參數(shù)組合，以此建立CFG樁復合地基模型，路面結(jié)構和模型整體結(jié)構的幾何模型示意圖如圖1所示。

2.2材料參數(shù)及本構模型選取

在有限元計算中，假設各構件均為各向同性材料，根據(jù)不同材料實際特性來選取不同的彈塑性本構模型[13-14]。橋臺、路面鋪裝、墊層以及樁采用線彈性模型，地基土層、臺后回填土以及路堤填土均采用摩爾-庫侖本構模型。CFG樁采用軟件中的1D梁屬性，其他構件為2D平面應變屬性。網(wǎng)格劃分采用2D德勞內(nèi)三角形網(wǎng)格自動-區(qū)域劃分。模型網(wǎng)格劃分示意圖如圖2所示。

固結(jié)沉降分析時，還需設置土體邊界條件、排水邊界條件以及非固結(jié)條件，在此有限元軟件中自動添加土體邊界約束，為模擬CFG樁復合地基實際的排水功能，對CFG樁與砂墊層設置排水邊界條件，由于橋臺的剛度極大，相對于路基變形極小，故設置其為非固結(jié)條件，然后添加自重與行車荷載，創(chuàng)建施工階段管理，最后進行運行分析。

3CFG樁復合地基的應用有效性分析

針對原始工況與CFG樁復合地基處理的工況，分別模擬實際施工流程，原始工況模擬65天完成路面施工，CFG樁復合地基工況歷時95天完成路面施工，然后進行固結(jié)沉降分析，最后對比完工時的工期累積沉降變化。2種工況下的沉降云圖如圖3所示。

由圖3可看出原始工況下的最大工期沉降為20.5 cm，CFG樁復合地基處理下的最大工期沉降為2.18 cm，相較于原始工況減小了18.32 cm，證明CFG樁復合地基的應用對于減小路橋過渡段的沉降有顯著效果。但是由圖3 b）可以看出路基部分的最小沉降值約1.6 cm，在完工后，道路通車運行期間，土體固結(jié)沉降會繼續(xù)進行，不均勻沉降會越來越大，橋頭跳車問題必然會發(fā)生，故本文提出CFG樁復合地基處理后，可在臺后換填輕質(zhì)材料泡沫混凝土以進一步減小路基沉降，降低出現(xiàn)橋頭跳車問題的可能性。

4CFG樁+泡沫混凝土沉降模擬分析

建立CFG樁復合地基處理下的臺后換填泡沫混凝土有限元模型，并與臺后回填普通填土以及原始工況進行沉降對比分析，模擬實際施工流程完成施工，并模擬通車運行6個月，將車輛荷載簡化為11 kPa的均布荷載[15]。

4.1固結(jié)完成時的沉降模擬分析

原始工況模型共運行245天，另外2個模型共運行分析時間都為275天。根據(jù)沉降結(jié)果可知，原始工況下土體在158天左右完成固結(jié)沉降;CFG樁復合地基處理下，無論臺后回填普通填土，還是臺后換填泡沫混凝土，土體都在185天左右完成固結(jié)沉降，即通車運行90天左右。3種方案固結(jié)完成時的沉降位移結(jié)果對比如表3所示，此時的沉降云圖如圖4所示。提取臺后填土與普通路基填土交界面上的點為沉降觀測點，如圖4 a）所示。

通過表3對觀測點沉降值的提取，對比可發(fā)現(xiàn)CFG樁復合地基處理下無論臺后回填材料是普通填土，還是泡沫混凝土，相對于原始工況，土體的沉降位移都有明顯的減小，且減小了約90%的沉降。觀察表3發(fā)現(xiàn)，換填泡沫混凝土后的最大沉降值減小不明顯，這是因為模型的最大沉降發(fā)生在遠橋臺端，即模型的最右端，此處沒有換填泡沫混凝土，其沉降也對橋頭跳車問題影響不大。而通過觀察回填區(qū)內(nèi)3個觀測點的沉降值，可知換填泡沫混凝土后，近橋臺端的沉降皆有明顯的改善，累積沉降比普通回填土減小了1.13 cm，這是由于泡沫混凝土材料自重輕，降低了傳遞到地基土層中的附加應力，且壓縮模量較大，抗壓縮能力也強，因此在荷載作用下，近橋臺的路面沉降會降低。

在沉降云圖中紅色區(qū)域為沉降最大范圍區(qū)域，沉降依次遞減顯示為黃綠藍三色。通過觀察圖4的沉降云圖可知，CFG樁+泡沫混凝土工況下，所有顏色區(qū)域的沉降值都比CFG樁+普通回填土工況下要小。在CFG樁+普通回填土工況下，紅色區(qū)域占比60.4%左右，大范圍在路基土層中，且最近出現(xiàn)在距離橋臺端6 m處;黃色區(qū)域范圍為17.6%左右，僅少部分出現(xiàn)于距橋臺3 m范圍內(nèi)，大范圍在地基土層中;綠色占比13.1%，都在地基土層中。而CFG樁+泡沫混凝土工況下，紅色區(qū)域占比約46.5%，雖大范圍也在路基土層中，但是最近出現(xiàn)在距橋臺13 m處;黃色區(qū)域占比為17.6%，均出現(xiàn)在距橋臺的更遠端，對橋頭跳車問題影響較小;綠色區(qū)域占比21.0%，大都分布于距橋臺約7 m范圍內(nèi)的地基與路基土層中。藍色均出現(xiàn)在地基土層范圍中，故不做比較。總而言之，CFG樁+泡沫混凝土工況下的沉降值更小，沉降分布也更合理，可有效緩解不均勻沉降問題。

由于橋頭跳車問題的發(fā)生主要是由于長時間荷載作用下橋臺與道路的剛度差而導致發(fā)生的差異沉降[16]，因此比較分析3種工況下的臺階型高差，默認橋臺的沉降為0，提取3種工況下橋臺與路面交界點，即路面線0點的沉降值，結(jié)果顯示原始工況下為8.32 cm。CFG樁+普通回填土工況下，沉降為1.6 cm;CFG樁+泡沫混凝土工況下，沉降為0.88 cm。計算可知CFG樁+泡沫混凝土時，臺階型高差比原始工況減小了7.44 cm，比CFG樁+普通回填土工況減小了0.72 cm。證明臺后換填泡沫混凝土可以有效減小臺階差。

通過以上對比分析可知CFG樁+泡沫混凝土工況下，由于泡沫混凝土填筑過渡段路基是現(xiàn)場階梯狀澆筑的，保證了每層的有效剛度是遞減的，達到路橋剛?cè)徇^渡的效果，符合有限元模擬得出的路橋過渡段整體沉降減小，離橋臺越遠，沉降越大，且沉降分布范圍更為合理，車輛過渡更加平穩(wěn)的結(jié)果。

4.2完工時的沉降模擬分析

3種方案沉降觀測點1，2，3的歷時沉降如圖5所示。由圖5可知CFG樁復合地基的工況在95天完成施工時，已完成了近90%的沉降，而原始工況在65天完成施工時，也已完成了近91%的沉降。說明沉降主要發(fā)生在工程填筑施工時期，完工時兩者的豎向沉降云圖如圖6所示。

從圖6中可以發(fā)現(xiàn)，對于施工過程中產(chǎn)生的工期沉降，3種工況的沉降規(guī)律均為離橋臺越遠，路面沉降值就越大。基于CFG樁復合地基，臺后換填泡沫混凝土時，臺后換填區(qū)范圍內(nèi)的最小沉降值約為1.0 cm，最大沉降值出現(xiàn)在距離橋臺14 m左右，約為1.9 cm，且過渡平穩(wěn);而臺后普通填土回填下，臺后回填區(qū)最小沉降值約為1.8 cm，最大沉降值出現(xiàn)在距離橋臺6 m左右，沉降約為2.0 cm然后趨于穩(wěn)定。說明在填筑施工時期，臺后換填泡沫混凝土時，整體沉降都較普通填土要小，尤其近橋臺端的沉降明顯降低，且在整個回填區(qū)內(nèi)的沉降分布均勻，可以使車輛更平穩(wěn)地通過過渡段，保障乘坐人員的安全性和舒適性。

隨后，對該工程通車后進行一年的沉降監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果顯示臺后換填區(qū)范圍內(nèi)的最大累積沉降為2.1 cm，符合橋頭沉降的控制標準，對比固結(jié)完成時的模擬計算沉降值相差0.2 cm，在接受范圍之內(nèi)，模擬沉降結(jié)果合理，也佐證了有限元模擬的可行性，可為工程實際提供一定的理論參考。

5結(jié)語

筆者通過在軟基路橋過渡段應用CFG樁+泡沫混凝土的方法來減少路橋過渡段不均勻沉降，以達到緩解橋頭跳車問題的目的，并以工程實例為背景采用有限元軟件MIDAS GTS/NX建立模型進行沉降分析，結(jié)論如下。

1）CFG樁復合地基能夠有效加固軟土地基，減小沉降，但是CFG樁復合地基處理后路面的最小工期沉降值約為1.6 cm，后期仍有發(fā)生橋頭跳車問題的風險。

2）在CFG樁復合地基處理下，臺后換填泡沫混凝土相較于回填普通回填土的路面與橋臺臺階型高差減小了0.72 cm，且回填區(qū)范圍內(nèi)沉降云圖大部分顯示為綠色，標志著近橋臺端范圍內(nèi)的沉降更小，更有利于車輛的平穩(wěn)過渡，駕駛員與乘客的安全性與舒適性也更高。

3）泡沫混凝土相對于其他的輕質(zhì)回填材料更環(huán)保，施工也更方便快捷，且其自立性良好，對橋臺結(jié)構物造成的側(cè)向力極小，研究結(jié)果顯示與CFG樁復合地基的聯(lián)合應用，對于橋頭跳車問題的治理效果良好，與該工程的實踐監(jiān)測數(shù)據(jù)的誤差也在合理范圍內(nèi)。

后期可建立該方案的三維土體模型，更全面地分析土體的沉降變化規(guī)律，證明該方案的有效性。另外，該方案的實踐較少，也需更多的實踐工程監(jiān)測數(shù)據(jù)來佐證有限元模擬的可靠性。

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