CFG樁軟基處理的數值模擬及變形特性研究

張 榮

(中鐵十二局集團四公司 西安市 710000)

0 引言

在我國西部地區，存在著大面積的軟土地層，這些軟土地層多分布于河谷區和丘間坦谷區地帶，主要是因地表排水不暢，地面長期積水浸泡形成，對當地高速公路的建設產生了較大的影響。軟弱地層主要為淤泥質土和軟塑狀黏土，其含水量高、孔隙比大、壓縮模量小、承載力低[1]，如果不能很好地處理這些軟弱地基，路基以路堤通過時易產生不均勻沉降、土體剪切失穩等現象，從而影響高速公路的建設。所以，對存在軟土層的地基必須進行加固處理，以達到上部路基的沉降和穩定性要求。

一般軟土地基的處理，主要采用換填和排水固結等手段[2]，但是對于軟土層厚度和上部路基填筑高度較大的路段，換填和排水固結對地基承載力的提升有限，同時需要耗費大量的時間和物力，往往無法滿足公路沉降和施工工期的要求。在此背景下，CFG樁(水泥粉煤灰碎石樁)憑借其承載力提高幅度大、地基沉降變形小、施工速度快且造價低等優勢被廣泛應用于軟土地區高速公路的建設中[3-5]。

眾多的專家學者對CFG樁復合地基承載性能和承載力、沉降的計算進行了大量的研究。任鵬等[6]根據川北某高層建筑項目，通過對CFG樁復合地基的現場測試得出了樁-土應力隨外荷載的變化規律；薛新華等[7]通過大型的室內模擬試驗，探究了樁長、樁間距和褥墊層厚度對某鐵路客運專線項目中CFG樁復合地基的樁土應力比及沉降量的影響；趙明華等[8]依據荷載傳遞法并選用彈塑性模型，分析了CFG樁復合地基在樁-土-褥墊層互相作用下的荷載傳遞方式。劉際雨等[9]運用ABAQUS有限元軟件研究了樁長、樁徑以及褥墊層厚度等參數對樁土應力比和復合地基沉降的影響規律。

目前CFG樁復合地基的應用已經較為廣泛，但是理論研究部分仍然不能滿足實際工程的需要，理論計算得出的地基沉降變形、承載力值與實測值的差距較大，軟土地區柔性荷載下CFG樁復合地基的承載特性也尚不明確。鑒于此，以德遂高速第TJ4標段CFG樁復合地基路段為案例，運用MIDAS GTS NX有限元軟件對CFG樁復合地基進行數值模擬，分析了CFG樁樁長和樁身模量對復合地基承載特性的影響規律。

1 工程概況

德陽中江至遂寧高速公路是四川省規劃建設的“16.8.8”網中的18條聯絡線之一、綿陽至遂寧高速(綿陽-中江-遂寧)的后半部分，它連接了京昆(G5)、滬蓉(G42)和成渝環線(G93)三條國家高速公路。對進一步改善區域交通狀況，提高公路運輸能力，構建西部綜合交通樞紐，完善區域高速公路路網起著至關重要的作用。

德遂高速TJ4標段Z4K115+460～ Z4K115+750段全長290 m，位于丘間谷地，主要為魚塘、水稻田，場地穩定性不足，地質概況如下：①層為洪坡積層(Q4pl+dl)軟塑狀淤泥質黏土，平均厚度1.40 m，承載力基本容許值在60 kPa左右；②層為洪坡積層(Q4pl+dl)軟塑狀黏土，平均厚度4.10 m，承載力基本容許值在90 kPa左右；③層為洪坡積層(Q4pl+dl)可塑狀粉質黏土，平均厚度4.50 m，承載力基本容許值在120 kPa左右；④層為侏羅系上統蓬萊鎮組(J3p)全風化泥巖，平均厚度10 m，承載力基本容許值在180 kPa左右，地基土的性質和參數見表1。

表1 地基土性質和參數

由于天然地基承載力較差，不能滿足上部路基基礎持力層的要求，所以該工程采用CFG樁復合地基進行地基處理，以滿足上部荷載和地基穩定性的要求。

本次所采用的CFG單樁直徑為0.5 m，樁間距為1.5 m，采用正方形布置，設計樁長為10.5 m，從地表一直到全風化泥巖層。具體布樁形式如圖1所示。

圖1 CFG樁布置方式

2 CFG樁復合地基模型建立及分析工況

2.1 CFG樁復合地基有限元模型

利用MIDAS GTS NX軟件建立圖2所示的有限元計算模型，為了消除邊界效應對計算結果的影響，模型左右兩側分別擴展20 m，總寬度為85 m，地基土厚度為20 m。路基填土部分底邊寬45 m，頂邊寬15 m，邊坡坡率取1∶1.5，填土高度10 m，分五次填筑，每次填筑高度為2 m。為了增加計算結果的準確性，對關鍵區域的網格進行加密，褥墊層按0.25 m進行播種，地基中部按0.5 m進行播種，模型共計19380個單元。

圖2 CFG樁有限元網格劃分

地基土、路基填土和褥墊層均采用理想彈塑性本構模型(Mohr-Coulomb)進行模擬，CFG樁采用線彈性材料模擬，各材料的力學參數見表2。考慮樁土間的界面接觸，接觸形式為庫倫摩擦。

表2 材料力學參數

2.2 分析工況

采用控制變量法研究CFG樁樁長和樁身模量對地基沉降變形的影響規律，建立樁長分別為10.0 m、10.5 m、11.0 m、11.5 m、12.0 m 和樁身模量為1 GPa、15 GPa、30 GPa、45 GPa的模型。具體模擬工況如表3所示。

表3 數值模擬工況表

3 CFG樁復合地基施工數值模擬

在程序施工階段的設置中，首先第一階段對地基土進行初始地應力平衡(在自重作用下位移清零)，然后第二階段將CFG樁和褥墊層的網格激活，最后分五個階段逐步激活路基填土網格。豎向位移結果取路基中心到路基坡腳處各樁樁頂為觀測點。圖3給出了布置樁長為10.5 m，樁身模量為15 GPa的CFG樁和未布置CFG樁2種工況下路基橫斷面沉降量的變化曲線。由圖3可知，設置CFG樁和未設置CFG樁兩種工況具有相同的差異沉降趨勢，均為在路基中心處的沉降量最大，隨著距路基中心點距離的增大(越靠近坡腳處)，沉降量逐漸減小，坡腳處沉降量約為路基中心處沉降量的15%；在未設置CFG樁時，路基中心處的沉降量達到了0.390 m，坡腳處沉降量為0.034 m，設置CFG樁后路基中心處的沉降量降低到0.051 m，比未設樁時降低了86.9%，坡腳處沉降量降低到0.009 m，降低了82.4%；綜上所述，填土路基的最大沉降發生在路基中心附近，CFG樁加固軟土地基的效果較為明顯。

圖3 地基表面不同位置沉降量變化曲線

圖4繪出了布置樁長為10.5 m，樁身模量為15 GPa的CFG樁的情況下各路基填土施工階段復合地基樁頂沉降曲線。從圖中可以看出，隨著路基填土高度的逐漸增加，復合地基樁頂沉降量也在逐漸增大，不過由于填土路基荷載的差異性，導致路基坡腳處沉降的增加量較路基中心處顯得并不明顯；相鄰樁頂之間沉降量的變化幅度隨著路基填土高度的增加而不斷增大，填筑高度越大，路基底部的差異沉降就越明顯。

圖4 不同路堤填筑階段樁頂沉降量變化曲線

4 CFG樁樁長和樁身模量對路基沉降的影響

4.1 不同樁長對路基沉降的影響

考慮樁端打入持力層的長度范圍為0～4倍樁徑，選取樁長為10.0m、10.5m、11.0m、11.5m、12.0m，分析CFG樁樁長變化對路基沉降的影響規律。路基填土達到10 m之后不同樁長下路基中心到坡腳處樁頂沉降量變化曲線如圖5所示。

圖5 不同樁體長度下樁頂沉降量變化曲線

從圖5可以看出，不同樁長工況下的樁頂沉降曲線具有相同的變化趨勢，均為在路基中心處沉降量最大，越靠近坡腳處沉降量越小。隨著樁長的增加，路基中心處的樁頂沉降逐漸減小，樁長為10.0 m、10.5 m、11.0 m、11.5 m、12.0 m時，中心處的沉降量分別為56.4 mm、51.3 mm、47.8 mm、45.0 mm、42.1 mm。樁長由10 m增加到10.5 m時，樁頂處的沉降量變化最大，這是因為當樁長為10 m時，樁端沒有完全進入持力層，其樁側摩阻力和樁端端阻力都要遠小于樁端進入持力層的樁體，導致樁的承載力沒能完全發揮出來，所以樁長為10 m時，樁頂沉降量較大；坡腳處樁的沉降量分別為9.3 mm、8.7 mm、8.2 mm、7.7 mm、7.4 mm，可以看出其隨樁長的變化并不明顯，說明坡腳處沉降量受樁長的影響很小。

從施工上考慮，適當增加CFG樁樁端打入持力層的深度，可以在一定程度上提高CFG樁的承載能力，減少地基沉降量。同時，由于路基中心和坡腳處沉降的差異性，可考慮嚴格控制路基中心附近的CFG樁長度，適當減少坡腳附近樁的長度。

4.2 不同樁體模量對路基沉降的影響

材料的配合比對CFG樁的樁體強度影響較大，這導致CFG樁的樁體模量變化范圍較大。選取CFG樁樁體模量為1 GPa、15 GPa、30 GPa、45 GPa，分析CFG樁樁體模量變化對路基沉降的影響規律。

圖6是路基填土達到10 m之后不同樁體模量下路基中心到坡腳處樁頂沉降量變化曲線。從圖中可以看出，不同樁身模量下，路基底面不同位置處的樁頂沉降量具有相同的變化規律，中心處沉降量最大，隨著與路基中心距離的增大，沉降量逐漸減小。樁身模量為1 GPa時樁頂沉降量最大，達到了67.5 mm，當樁身模量為15 GPa時，樁頂沉降量減小到了51.3 mm，相較模量為1 GPa時降低了24%。隨著樁身模量的繼續增大，樁頂沉降量有小幅度降低，當樁身模量從15 GPa增加到30 GPa和45 GPa時，路基中心處樁頂沉降分別減小了2.5%和2.9%。由此可見，當樁身彈模大于15 GPa后，繼續增大彈模對路基沉降的影響較小。

圖6 不同樁體模量下樁頂沉降量變化曲線

5 結論

針對德遂高速第TJ4標段CFG樁復合地基路段，采用MIDAS GTS NX建立了CFG樁有限元模型，分析了設樁和不設樁兩種工況下及路基填筑過程中，路基橫斷面各樁頂處沉降量的變化規律；研究了CFG樁樁長和樁身模量對路基沉降的影響規律，研究結果對路基荷載下CFG樁復合地基的設計有一定的借鑒意義。主要結論如下：

(1)設置CFG樁后路基的沉降量較未設置CFG樁時有明顯的改善，沉降規律均為在路基中心處的沉降量最大，隨著距路基中心點距離的增大，沉降量逐漸減小。采用CFG樁復合地基能夠很好地解決軟土地區路基沉降量過大的問題。

(2)不同樁長下，路基底面不同位置的樁頂位移具有相同的變化規律，隨著與路基中心距離的增大，沉降量減小。樁端進入持力層的深度越大對沉降的控制就越有利，但過大的樁長對路基坡腳附近的沉降控制貢獻不大，所以可適當減小坡腳附近CFG樁的長度。

(3)CFG樁身模量較小時，增大其彈模可以顯著減小路基的沉降量。當樁身模量增大到15 GPa后，繼續增大彈模，路基沉降量減少得并不明顯，此時樁身彈性模量對路基沉降的影響較小。綜上所述，在實際工程中應該嚴格控制CFG樁樁身材料的強度，避免因樁身模量過低導致路基沉降過大的情況發生。