水泥粉煤灰碎石樁復合地基對于軟基的加固效果研究

盧蘭萍， 張澤浩， 張宇超

(河北工程大學土木工程學院， 邯鄲 056038)

中國的河谷、海濱等地形區域多為粉質黏土、淤泥質黏土等軟性土體，呈現含水率高、抗剪強度低、孔隙大易壓縮的特點，尤其在路橋過渡段，由于公路軟土地基的承載穩定性極差，很容易形成沉降差，引發橋頭跳車問題。因此在道路工程設計施工時，軟基的加固處理尤為重要。隨著工程經驗的積累，目前已有多種有效的處理措施，如換填法、強夯法、復合地基法等，其中水泥粉煤灰碎石(cement fly ash gravel，CFG)樁復合地基對于加固軟基效果顯著。

CFG樁復合地基是由CFG樁、樁間土和褥墊層共同協調作用，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，可以有效緩解不均勻沉降。黎璽克[1]進行了FLAC3D數值分析,并與單樁現場試驗結果對比分析，結果大致吻合，證明了CFG樁復合地基的加固效果顯著，也證明了數值模擬的可靠性。徐林榮等[2]現場試驗CFG樁復合樁基，探究其沉降控制機理，并且通過長期觀測其樁土應力分布情況與荷載分擔比，對復合地基的設計參數進行了優化。潘宏鑫[3]基于銀川CFG樁復合地基工程為背景，建立有限元模型，施加不同荷載觀察沉降變形，分析了不同褥墊層厚度與樁長對其作用效果的影響。羅剛[4]研究改進了CFG樁復合地基的變形計算方法，在此過程中，重點考慮了沒有同步變形的土體以及樁土的相對滑移，并將改進后的算法與規范進行對比，同時在工程中加以應用，確定改進算法的可行性。沈政等[5]采用一定比例的水泥加粉煤灰的固化劑配比，結合固化后的含水率、強度以及承載力進行了研究，結果表明：采用5%水泥和2%粉煤灰對固化深度為1 m時的承載力更好。孫世國等[6]采用有限元方法開展了采用CFG樁進行地基處理的數值模擬研究，結果表明：對于地基承載力足夠大，但地基差異沉降過大的不良地基，采用CFG樁來協調地基變形具有良好效果。上述研究成果均顯示出CFG樁廣闊的應用前景，但對CFG樁加固公路路基的研究較少。

為此，基于福州市的一個路橋過渡段CFG樁復合地基工程，采用有限元軟件MIDAS GTS/NX建立過渡段縱斷面CFG樁復合地基模型，進行靜力固結模擬計算，并就同一樁點處的沉降，借鑒陳俊豪[7]所做的橫斷面模擬沉降結果以及現場沉降監測數據進行對比分析，驗證CFG樁復合地基加固軟基的有效性以及有限元模擬的準確性。

1 工程概況

該工程規劃道路紅線寬40 m，設計速度為40 km/h，設置雙向四車道。樁號CK1+021.7～CK1+051.7路橋過渡段，根據工程地質勘探報告，該處地層結構自上而下有雜填土、淤泥、細砂，其中雜填土層厚2.0～4.0 m，主要由黏性土、砂土及碎石土堆填，硬雜質含量約30%，粒徑為5～15 cm，均勻性差；淤泥層層厚1.8～4.6 m，深灰色，飽和，流塑狀態，含腐殖質，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5.0～11 m，局部為(含泥)細砂或細中砂。淺灰、灰黃，主要成分為細粒石英砂，濕，稍密狀態，飽和，級配一般，局部含泥。選取路段路基填筑高度取實際計算高度近似為2.5 m。

2 有限元模型的建立

分別建立天然地基模型與CFG樁復合模型進行對比分析研究。根據《城市道路工程設計規范》(CJJ 37—2012)[8]，該工程道路設計交通量預測年限為15年，故在模擬施工完成后，對所建模型分別添加行車荷載，加載運行15年，荷載取1 m土柱簡化計算，為19 kPa，分析最終的沉降云圖。

2.1 幾何模型的建立

模型選取路橋過渡段的縱斷面，根據地質勘探資料確定計算模型的大致尺寸。所建模型路面層共0.67 m；地基高度從雜填土頂面取到細砂層底部共24 m,地基長取40 m；路基填筑高度2.5 m，寬度取自橋臺向路面延伸30 m。CFG樁復合地基的參數選取依據工程項目實際參數，具體選取依據與結果如表1所示。幾何模型示意圖如圖1所示。

表1 CFG樁復合地基參數設計Table 1 Parameter design of CFG pile composite foundation

圖1 幾何模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of geometric model

2.2 材料參數及本構模型選取

在有限元計算中，假設各構件均為各向同性材料,根據不同材料實際特性來選取不同的彈塑性本構模型。橋臺，路面鋪裝，墊層，樁采用線彈性模型，地基土層及路堤填土均采用摩爾-庫倫本構模型。CFG樁采用軟件中的1D梁屬性，其他構件為2D平面應變屬性。網格劃分采用2D德勞內三角形網格自動-區域劃分[10-14]。為了提高網格質量，路基、路面、以及樁與砂墊層的尺寸控制為0.2 m，地基底面單元長度為0.8 m，地基頂面單元長度為0.2 m，從下向上梯度遞減。天然地基模型的總劃分網格數為62 046，CFG樁復合地基模型網格數為40 791。邁達斯軟件自動添加邊界約束。模型網格劃分示意圖如圖2所示。結合工程地質勘探報告及室內土工材料試驗,所涉及的路面材料及材料物理力學取值如表2所示。

圖2 模型網格劃分示意圖Fig.2 Schematic diagram of model mesh generation

3 模擬結果分析

3.1 天然地基模型

天然地基模型模擬施工完成時與加載15年之后最終的豎向沉降云圖如圖3所示。可以看出，天然地基模型在兩個時間節點的最大沉降值依次為18.29、36.84 cm，計算可得最大工后沉降為18.55 cm。

為保證所建模型模擬的可靠性，以樁號CK1+035處地基表面的節點為觀測點，提取該節點在天然地基加載模型中的工期沉降值與最終的累積沉降值，如圖3所示，天然地基模型沉降值依次為16.25、33.80 cm，可計算得出天然地基工后沉降值為17.55 cm。相較于橫斷面模型所做模擬結果17.5 cm，相差極小。

根據《公路軟土地基路堤設計與施工技術細則》(JJG/T D31-02—2013)[15]，該工程從路面竣工之日至15年設計使用年限末，其容許沉降值不得大于10 cm,根據模擬結果顯示，天然軟土地基無法保證沉降要求，因此應對其進行加固處理。

3.2 CFG樁復合地基模型

CFG樁復合地基模型模擬施工完成時與加載15年之后最終的豎向沉降云圖如圖4所示。可以看出，在兩個時間節點的最大沉降值依次為2.56、6.51 cm，計算可得最大工后沉降為3.95 cm，相較于天然地基，沉降值減小了13.6 cm，并且沉降結果符合規范要求，CFG樁復合地基對于軟土地基的加固效果顯著。

同樣提取樁號CK1+035處地基表面節點的工期沉降值與最終的沉降值，如圖4所標示，沉降值依次為為2.54、6.27 cm，計算得工后沉降值為3.73 cm。樁號CK1+035處理論計算結果為36 mm，橫斷面模型模擬沉降結果為37 mm，與本文模擬結果相差極小。

表2 材料物理力學指標Table 2 Physical and mechanical indexes of materials

圖3 天然地基加載模型沉降云圖Fig.3 Cloud diagram of natural foundation loading model settlement

圖4 CFG樁復合地基加載模型的沉降云圖Fig.4 Settlement nephogram of CFG pile composite foundation loading model

4 軟基加固效果對比分析

4.1 15年后有限元模擬對比分析

為確定CFG樁復合地基對于軟土地基的加固效果，以CK1+035所在節點為觀測點，提取天然地基與CFG樁復合地基沉降云圖在該處的沉降值，以年為單位依次提取，繪制路基沉降隨時間變化曲線，與橫斷面有限元計算結果做對比，結果如圖5、圖6所示。

圖5 天然地基加載模型CK1-035處沉降對比Fig.5 Comparison of settlement at CK1-035 of natural foundation loading model

圖6 CFG樁復合地基加載模型CK1+035處沉降對比Fig.6 Comparison of settlement at CK1 +035 of CFG pile composite foundation loading model

對比圖5、圖6可知，所建縱斷面模型中，樁號CK1+035處加載15年期間的沉降變化趨勢，相較于橫斷面模型中樁號CK1+035處的沉降趨勢，無論是天然地基，還是CFG樁復合地基，都大致相同。

提取所做天然地基與CFG樁復合地基加載模型15年內的沉降值，繪制對比圖(圖7)。可以明顯看出，經CFG樁復合地基加固后的土體沉降值明顯降低，這是由于CFG樁復合地基的墊層可較均勻的分散上部荷載，使樁和樁間土共同發揮作用，合理承擔上部應力，避免了應力集中現象的發生，同時樁與樁間土之間存在的摩檫力也有效的增強了土體的承載能力。同時可觀察到CFG樁復合地基曲線相對天然地基更早趨于平緩，這是由于在承擔荷載時，樁間土更易產生壓縮變形，此時樁體會承擔大部分荷載，并沿樁體傳至持力層，隨著豎向應力的增大，樁間土固結完成，土體密度增大，變形能力降低，此時聯合樁體的承載作用會使得整個地基的承載力大大增強，沉降減小。并且CFG樁復合地基自身墊層和樁體的排水作用，也加快了土體的固結，使沉降變形更快的趨于穩定。

圖7 沉降趨勢對比Fig.7 Comparison of settlement trend

4.2 1年后現場監測數據對比分析

路段在2017年5月通車，對樁號CK1+035處路中沉降進行監測，并進行了2017年5月—2018年5月的沉降數據統計，以30 d為節點，繪制現場監測沉降曲線，如圖8所示。

圖8 現場監測沉降曲線Fig.8 Field monitoring settlement curve

所建CFG樁復合地基加載一年時的沉降云圖如圖9所示，分別為施工完成時與加載一年完畢時的沉降云圖，提取樁號CK1+035處地基節點的沉降值并加以標注，計算可得加載一年的工后沉降值為22.7 mm，然后以30 d為節點，提取該點處的沉降值，與現場監測數據繪制沉降對比結果如圖10所示。可以看出，在運行前幾個月，監測沉降值與有限元模擬沉降值有明顯偏差，原因分析可能是由于有限元模擬時，施加行車荷載為均布荷載，且道路在一年的時間里都在承擔此荷載，而實際道路通行時，在剛開始運行階段，車輛通行量較少，道路承載也相對減弱，故監測沉降量小于模擬結果。隨著道路投入使用的時間增長，車輛到達正常通行量，兩條曲線變化趨勢相似，也逐漸吻合，這說明有限元模擬可以有效反映工程實際，為其提供參考。

綜上所述，CFG樁復合地基對于軟土地基的加固效果良好，同時通過與橫斷面模擬沉降結果以及現場沉降監測數據的對比分析，證明了有限元模擬的準確性與可靠性，對工程實際具有一定的指導意義。

圖9 CFG樁復合地基加載模型的沉降云圖Fig.9 Settlement nephogram of CFG pile composite foundation loading model

圖10 現場監測與有限元模擬沉降對比曲線Fig.10 Comparison curve of field monitoring and finite element simulation settlement

5 結論

為研究軟土地區CFG樁復合地基的加固效果，基于福州市的一個路橋過渡段CFG樁復合地基工程，取其過渡段的縱斷面，運用有限元軟件MIDAS GTS NX分別建立天然地基與CFG樁復合地基加載模型，并進行了靜力固結分析研究，同時提取同一節點處的沉降值，與橫斷面模擬沉降結果以及現場沉降監測數據的對比分析。得出如下結論。

(1)CFG樁復合地基對軟基的加固效果良好。相同加載條件下，相較于天然地基，CFG樁復合地基的工后沉降降低了78%。

(2)所做縱斷面模型的沉降模擬結果具有一定的準確性。與橫斷面模擬結果進行對比，在相同載荷條件下，相同節點處的沉降值相差極小。

(3)將模擬結果與該工程一年的沉降監測數據進行對比，發現相同節點處的沉降變化趨勢，前期稍有偏差，后期逐漸吻合，說明模擬結果可以大致反應工程實際，本文模擬具有一定的可靠性。

通過對該CFG樁復合地基工程的有限元模擬，雖然證明了CFG樁復合地基對軟土地基的良好的加固效果，以及有限元模擬的可靠性，但是僅是對該項目本地區土體情況的驗證，并不能說明應用在其他地區時CFG樁復合地基也能表現出好的加固效果，還需針對工程的具體情況做進一步模擬驗證。