路橋過渡段CFG 樁地基處理及參數優化研究

翟林

（重慶交通大學工程設計研究院有限公司玉林分公司，廣西 玉林 537006）

為完善路網結構在城市中往往需要設置跨河或跨江橋梁，極有可能在路橋過渡處出現沉降差，出現橋頭跳車情況，產生嚴重安全隱患[1-3]。為此，諸多研究人員專門針對這類問題進行了分析，并提出不同類型的處置措施。盧蘭萍等[4]為了減小路橋過渡段的差異沉降,緩解軟土地區的橋頭跳車問題,提出了一種采用CFG 樁復合地基聯合換填泡沫混凝土加固軟基的方案。涂義亮等[5-6]為了解決因軟土路基不均勻沉降引起的橋頭跳車問題,提出了側向粉噴樁變剛度非開挖處治方案及旋噴樁復合地基變剛度非開挖處治技術, 采用三維數值模擬對設計方案進行了分析驗證[6]。

綜上所述，目前橋頭跳車問題已引起諸多研究人員的關注，但由于不同工程地質條件造成實際處理措施的巨大差異，為此本文以玉林市金玉路橋為例，采用有限元分析方法對CFG 樁復合地基處理及參數優化進行研究，以期對將來類似工程提供借鑒。

1 工程概況

1.1 工程背景

玉林市金玉路橋跨越南流江與江濱路和沿江東路相交。擬建橋梁為7 墩（臺）6 跨，跨度在20～25m 間，橋面為拱形，矢高約1.10m，橋兩端橋面高程80m，橋中為81.10m，設計橋寬37m，為預應力小箱梁結構，擬采用灌注樁。兩端引橋為按一般路基設計，設計路寬37m，北端引橋段設計路面標高：K0+000～K0+072.53 為75.584m～75.187m，K0+072.53～K0+249.85 段為75.187m～80.00m；南端引橋段設計路面標高：K0+390.85～K0+459.907 為80.00m～77.712m。

根據航拍圖（圖1），金玉路規劃線位處南流江江面較寬，為128.7m，河道岸口至北側金玉路與規劃江濱路交叉中心75.4m，北岸岸口距離江濱路有65-97m 河灘，河道岸口至南側金玉路與規劃沿江東路交叉中心40.8m，南岸岸口距離沿江東路有31m 河灘，周邊地形較為平坦。為了滿足行洪要求橋梁應適當拓寬橋梁附近河道寬度，以增大該處河道的過水斷面面積，并適當加大橋梁長度確保過水斷面滿足防洪要求。

圖1 項目平面圖

1.2 自然地理特征

道路沿線場地位于屬溶蝕準平原上的河流階地，金玉橋橫跨南流江，兩岸階地較平緩，高程在74～78m 間，河床切割深度約6～7m，河床底高程多在71～72m 間，河水面寬約120m，水深1～3m 不等，因下游較遠處筑有水壩，水流緩慢，北岸坡較緩并植被茂盛，南岸坡已進行混凝土護坡（坡度約45 度）。南北兩岸為簡易的混凝土路或土路，零星分布有低矮的民房。經鉆探揭露，場地巖土層自上而下主要有素填土①、粉砂②、淤泥質黏土③、黏土④、石灰巖⑤、石灰巖⑥。

2 CFG 樁復合地基有限元分析

2.1 CFG 樁復合地基參數選擇

采用CFG 樁復合地基作為道路與橋梁過渡段的軟基加固方案，樁身強度為C15，樁徑為40cm,樁長選擇12m，梅花型形布置，選取石灰巖⑥作路基持力層；樁間距為1.5m，褥墊層為0.5m。

2.2 有限元模型的建立

有限元分析所采用的參數見表1。計算路面寬30m，土體模型的橫向取50m，豎向取40m。

表1 模型計算參數

計算模型均選用平面應變模型，模型約束條件取標準約束條件，即模型左右兩邊約束水平位移，底部限制兩個方向的位移。采用摩爾-庫倫模型，模型中CFG 樁樁長為12m，樁間距為1.5m，按汽車標準軸載進行加載。該模型具有的單元總數為13936 個，節點數為12541 個，模型圖見圖2。

圖2 計算模型圖

2.3 計算結果分析

圖3 為CFG 樁復合地基施工完成后固結半年的豎向位移云圖，由該圖可以看出，路堤填土處的沉降是最大的，從上至下的沉降逐漸減小，符合實際工程現狀。與此同時，經計算，地層初始狀態最大豎向位移為26.4cm，施做CFG 樁后最大豎向位移為0.691cm，施加行車荷載后最大豎向位移為5.41cm，固結半年后最大豎向位移為6.08cm。可見，最大豎向位移隨著施工過程外力作用下產生變化，在施加CFG 樁后豎向位移變小，土體沉降得到較好控制；隨著行車荷載的施加，土體受壓沉降增大，固結半年后最終整個模型位移趨于穩定。

圖3 不同施工階段CFG 樁復合地基豎向位移云圖

3 CFG 樁參數優化研究

3.1 不同樁長處理效果分析

為了分析不同樁長處理效果，分別對9m、12m、15m、18m 和21m 五種不同樁長進行模擬分析。五種不同樁長采用的樁間距均為1.5m。加載條件、模型約束條件、地質參數以及建模方法與3.2 節中相同。由圖4 可以發現，隨著樁長的增加，樁身軸力逐漸增大，軸力沿著樁身的變化趨勢保持一致，先是沿樁身逐漸受壓增大，至樁身一定深處時達到最大，隨后突然減小；與此同時，可以看出，隨著樁長的增大，樁土應力比逐漸增大，但樁長在9m增加至12m 時樁土應力比增加幅度最大，后續樁長的增加變化幅度相對平緩。因此可以看出，樁長并不是越長越好，而是應該根據實際地質條件確定，當樁長長度已經深入堅硬持力層時，軸力變化幅度不大，樁土應力比變化幅度也緩和。

圖4 樁長對復合地基力學性狀的影響

3.2 不同樁間距處理效果分析

為分析不同樁間距在過渡段處理的效果，分別對1.2m、1.5m、1.8m 和2.0m 四種不同樁間距進行模擬分析。四種不同樁間距均采用的樁長均為12m，加載條件、模型約束條件、地質參數以及建模方法與3.2 節中相同。由圖5 可以發現，隨著樁間距的增加，樁身軸力隨之增大，軸力沿著樁深的變化趨勢保持一致，沿著樁深增加，軸力首先逐漸受壓增大，至樁深約11m 處時達到最大，隨后下部軸力突然轉折減小；與此同時，可以看出，隨著樁間距的增大，樁土應力比逐漸增大，樁間距為1.2m 時最小，其余樁間距工況樁土應力比相差幅度不大。由此可見，針對本工程，采用樁間距為1.2m 更為合理。

圖5 樁間距對復合地基力學性狀的影響

4 結論

本文以玉林市金玉路橋為例，采用有限元分析方法對CFG 樁復合地基處理關鍵參數進行優化研究，得出以下結論：

4.1 隨著樁深度的增加有效應力逐漸增大，當深度最高即在樁頂位置時，有效應力值達到最大；最大豎向位移隨著施工過程外力作用下產生變化，在施加CFG 樁后豎向位移變小，土體沉降得到較好控制；隨著行車荷載的施加，土體受壓沉降增大，固結半年后最終整個模型位移趨于穩定。CFG 樁復合地基處理能夠有效處置橋頭跳車問題。

4.2 變化樁長及樁徑這兩個關鍵因素對CFG 樁復合地基加固進行參數優化，發現樁長并不是越長越好，而應該根據實際地質條件確定；隨著樁間距的增加，樁身軸力隨之增大，針對本工程，采用樁間距為1.2m 為最佳參數。