CFG樁參數對328國道路基沉降影響規律研究

周元華

摘 要：為了研究CFG樁參數對公路路基最終沉降值的影響規律，本文以328國道鎮江段為研究對象，借助FLAC 3D有限元計算軟件，建立不同對比條件下實例工程路基沉降的三維模型。經過計算分析，沉降值與樁長成反比、與樁間距成正比。同時綜合各方案沉降值計算結果和造價，推薦樁長取7.0 m、樁間距取2.0 m。在該方案下，實例工程最大沉降值為2.55 cm，滿足要求。

關鍵詞：CFG樁;路基沉降;三維有限元計算;樁體參數

0 前言

快速化公路是現代綜合交通運輸體系的組成部分之一，是國家經濟發展的基礎支撐。根據“十三五”規劃，至2025年末，我國現代快速化公路網將基本覆蓋長江中下游地區以及華北大部分片區，屆時，總建設里程數量將突破12萬公里[1]。快速公路由于車輛荷載大、荷載密集，將導致路基中土體的孔隙水壓力大幅上升，產生塑性變形;由于快速公路路面的動荷載長期、循環傳遞至路基土體，引起土體塑性變形不斷累積，發生路基沉降現象。

本文以328國道鎮江段為研究對象，研究區域軟土地基以淤泥質粉質黏土、軟黏土為主，經分析選擇CFG剛性樁進行加固處理。本文借助FLAC-3D有限元軟件，通過建立三維數學模型，系統地分析樁長和樁間距對路基沉降的影響。

1 工程概況

312國道鎮江城區段改線工程為一級公路標準，設計速度100 km/h，主線雙向六車道，城鎮路段兩側設置非機動車道和人行道，項目起點在現312國道謝巷村南側，與谷陽湖路交叉處，順接規劃中的306省道，終點位于312國道與通江路交叉處，兼顧快速通行及地方疏通功能。主線長23.052 km，起點至243省道段采用城鎮斷面，路基寬度為58.0 m，橫斷面形式為：中間帶11.0 m（含兩側路緣帶），行車道2×3×3.75 m，側分帶2×2.0 m（含路緣帶），輔道2×7.0 m，人行橫道2×2.75 m。243省道至終點采用一般一級公路斷面，路基寬度33.5 m，橫斷面形式為：中間帶3.5 m（含路緣帶），行車道2×3×3.75 m，硬路肩2×3.0 m（含路緣帶），土路肩2×0.75 m。一般路段路面橫坡為2.0%，土路肩橫坡為4.0%。項目永久征地2 541.3畝，橋梁15座，互通式立交5處（其中3處預留），分離式立交2處。

項目區主要軟（弱）土主要為1-2層軟土及1-2a層軟弱土。其中，1-2層軟土土性為淤泥質粉質黏土，灰褐色、灰色，流塑狀態，局部為軟黏土，土質不均，夾粉土薄層，具高孔隙比，高壓縮性。1-2a層軟弱土土性主要為軟粉質黏土，該層主要為粉質黏土夾粉砂互層狀分布，灰色，軟塑，中等偏高壓縮性，土性欠均勻，呈透鏡體狀夾于1-2層之中。實例工程選擇CFG剛性樁進行加固處理。

2 CFG樁受力特性和變形特性分析

設樁與土收到的上部荷載為。在深度以上區域，樁體位移小于土體，此區間內上部荷載主要由土體承擔，因此，土體對樁的摩擦力方向豎直向下。在深度以下區域，樁體位移小于土體，此區間內上部荷載主要由樁體承擔，因此，土體對樁的摩擦力方向豎直向上。沿樁深方向，土體給樁的摩擦力在附近達到最大值。CFG樁位移、摩擦力分布特性見圖1。

根據文獻，CFG樁加固后地基承載力可按下式進行計算：

（1）

式中，為CFG樁加固后的地基承載力;為CFG樁所占的面積占加固區域面積的比例;為CFG樁的單樁截面面積;為CFG樁的單樁承載力;為樁前土體承載力折減系數，按照文獻取0.70～0.90;為樁前土體的承載力。

假設CFG樁在荷載的作用下，樁頂與樁身產生的沉降分別為和，且令樁前土體產生的沉降為。由于以深度為界，以上區域樁體沉降小于樁前土體沉降，因此樁體部分進入褥墊層中產生變形，記為：

（2）

同理，以下區域樁體沉降大于樁前土體沉降，因此樁體部分的變形記為：

（3）

因此，樁體上部和下部區域變形量的總和記為土體的壓縮總量，記為：

（4）

3 實例工程三維數學模型建立

根據實例工程設計資料及地勘資料，本工程區域總共有5個土層，自上而下分別是強風化巖、淤泥質粉質黏土、軟粉質黏土、細砂層、軟塑粘土，采用CFG樁進行加固處理。CFG樁長為7.0 m，直徑為0.6 m，樁間距為2.0 m。實例工程各土層及CFG樁的參數設置表見表1。

本文借助FLAC三維有限元計算軟件進行模型計算，其中初始條件與邊界設定條件見式（5）與式（6）。

在本文研究范圍內，初始時刻滿足以下條件：

、、

（5）

在式中，為初始水位值、為初始豎向應力、為初始孔隙水壓力。且這三個變量按以下規律變化：

，， （6）

式中，為水位變化過程線、、分別為豎向應力與孔隙水壓力變化過程線。

實例工程三維有限元計算模型網格劃分見圖3（a），在設計方案下的沉降分布見圖3（b）。

4 數模計算結果分析

4.1 樁體長度對對沉降影響分析

設計方案樁長為7.0 m，選擇樁體長度為5.0 m、6.0 m、8.0 m、9.0 m四組方案作為對比方案。其他條件不變情況下，各樁長下實例工程最終沉降云圖計算結果見圖4。

分析圖3、圖4可知：

（1）在各工況下，水平方向上，路基沉降的最大值均發生在路基中心區域，且以路基中心為主要沉降區域，向兩側邊坡逐漸遞減;豎直方向上，主要沉降區域均在地表層區域，且逐漸向下遞減，在土體深度9.2 m區域及以下部分，基本沒有土體沉降位移發生。

（2）樁體長度為5.0 m、6.0 m、7.0 m、8.0 m、9.0 m方案下，實例工程路基的最終沉降值分別為3.20 m、2.75 m、2.55 m、2.48 m、2.40 m。可見在其他條件一定的情況下，樁長越長，實例工程路基的最終沉降值越小。

（3）綜合各樁長下實例工程路基的最終沉降計算值以，同時考慮到本項目對地基沉降的設計目標值以及各方案的工程造價情況，同時本工程土體能感受到沉降的最大深度為9.2 m，樁長取7.0 m以上后對實例工程土體沉降影響較小，因此建議采用樁長為7.0 m的方案。

4.2 樁體間距對對沉降影響分析

設計方案樁間距為2.0 m，選擇樁間距為1.5 m、1.8 m、2.2 m、2.5 m四組方案作為對比方案。其他條件不變情況下，各樁間距下實例工程最終沉降云圖計算結果見圖5。

分析圖3、圖5可知：

（1）樁間距為1.5 m、1.8 m、2.0 m、2.2 m、2.5 m方案下，實例工程路基的最終沉降值分別為3.35 m、2.82 m、2.55 m、2.39 m、2.35 m。可見在其他條件一定的情況下，樁間距越小，實例工程路基的最終沉降值越小。

（2）分析可知，在樁間距為2.0 m時，縮小樁間距對實例工程路基的最終沉降值影響較小。同時考慮到各方案的工程造價，因此選擇2.0 m樁間距為建議值。

5 結論

本文以328國道鎮江段為研究對象，通過建立不同條件下公路路基沉降計算模型，分析了樁長和樁間距對實例工程路基沉降的影響。根據各對比方案的計算結果，推薦采用7.0 m樁長、2.0 m樁間距。這也與設計方案結果相吻合。因此，實例工程設計方案合理可行。

參考文獻：

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