CFG樁處理軟土路基沉降監測及FLAC3D模擬分析

李學軍，曾祥紀

（1.漢川市公路事業發展中心，湖北 漢川 432300；2.中交路橋建設有限公司，北京 100000）

1 引言

目前，規范已經給出的地基處理方法有很多，如換填墊層、堆載法、強夯法、復合地基法等，復合地基法又包括碎石樁、水泥攪拌樁、CFG樁等。其中CFG樁的全稱為水泥粉煤灰碎石樁，是在碎石樁的基礎上進一步改良而來的，CFG樁在利用自身強度的同時還增加了樁間土的承載力，使得復合地基整體的力學特性得到了很大的提高[1]。目前，國內外的學者對CFG樁在軟土地基中的應用研究已有了較為豐富的成果。趙明志等[2]優化了CFG樁承載時總體豎向位移的計算公式經驗系數，提升了CFG樁沉降計算的精度。王帥[3]進行了不同荷載下的試驗，得到了豎向位移與兩種阻力之間的非線性規律，通過試驗與有限元數值計算的對比驗證了此規律的準確性。苗青山[4]以新建鐵路湖州至杭州西至杭黃鐵路連接線施工為研究背景，由于DK99+482.125~DK111+275里程段分布有軟土層，預采用CFG樁對軟土地基進行加固施工。

本文為研究CFG樁對復合地基變形性能的影響，基于某一工程的典型工點的沉降監測數據進行分析，同時通過FLAC 3D建立數值模型進行計算，對CFG樁加固路基的變形特性進行分析，以期對工程實踐起到一定的指導作用。

2 CFG樁加固地基的基本原理

CFG樁是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌和形成的高黏結強度樁，CFG樁加固軟弱地基的基本原理是使樁和樁間土通過褥墊層形成復合地基，共同承擔上部荷載，從而提高地基的工程性質。CFG樁對軟土地基的作用主要包括樁體作用、擠密作用和褥墊層作用。

當CFG樁復合地基受到上部荷載時，樁與樁間土首先會按照與基礎的接觸面積來分擔荷載。由于CFG樁的變形模量遠大于樁間土的變形模量，樁間土沉降比樁體沉降大，樁與樁間土產生相對位移。褥墊層在上部荷載作用下也會產生一定變形，即樁體會向上刺入褥墊層中，荷載向樁身集中的現象。由于褥墊層的壓縮模量遠大于樁間土的壓縮模量，樁間土與褥墊層之間的相互作用力減小，上部荷載也將通過褥墊層向樁體轉移。CFG樁、樁間土以及褥墊層之間相互作用，使其在受外部荷載作用的過程中具有很好的整體性。

3 CFG樁復合地基沉降監測

本文某高速公路軟土路基段的地基處理工程為例。工點位于長江中游北岸，地層主要包括雜填土、淤泥、黏土等，屬于典型的軟土地區，考慮采取CFG樁地基處理方法對路基進行加固。

對CFG樁加固后的軟土路基斷面位置進行地基沉降監測，所選取的斷面距離較遠，可忽略其相互影響，故其結果具有一定代表性，監測內容主要包括路面沉降監測、邊樁位移監測以及路基水平位移監測。

將3個斷面的沉降數據分析匯總結果如表1所示。由表1可知，路基的工后沉降量占總沉降量的比值隨著路基填土高度的增加逐漸降低，考慮其原因為后期填土對于早期填土起到了堆載的作用，使得早期的沉降得到了充分發展，減小了后期的工后沉降占總沉降的比值。

表1 不同斷面沉降量匯總

4 CFG樁復合地基數值模擬分析

4.1 模型建立

利用FLAC 3D軟件建立計算模型進行計算分析。計算模型可在保證其符合工程實際情況的基礎上盡可能簡化，本文考慮建立二維路基模型以簡化計算，模型自上而下分別為高度為5 m的填土、厚度為2 m的素填土、厚度為6 m的淤泥、厚度為3 m的粉質黏土和厚度為20 m的黏土。上部填土的本構模型采用彈塑性模型，下部軟土地基采用摩爾-庫倫模型，樁體采用結構單元進行模擬，建立計算模型如圖1所示。

圖1 計算模型示意圖

在設置模型的邊界條件時，分別對前后左右4個土體邊界進行約束，限制路基的水平位移。在模擬路基填土施工前，應先對路基填土單元模型進行空模型處理，并對該路基建立自平衡的初始地應力場，因為在實際工程中，路基在填土前在其自身重力作用下已發生沉降變形，土體已達到固結狀態。在模擬路基填土時，再逐步激活每一級的路基填土命令流，實現模擬路基填土過程。假設在計算分析過程中不考慮施工期間的機械荷載作用。在進行數值模擬時，施工模擬的加載方式選用逐級加載的方式，每次填土高度為0.5 m。

各地層的巖土體物理力學參數取值以及CFG樁樁體參數分別如表2和表3所示。

表2 巖土體力學參數取值

表3 CFG樁樁體材料參數取值

4.2 沉降分析

通過FLAC 3D軟件計算路基分層填筑過程中模型整體的應力與變形。在不同填土高度的情況下，總沉降量隨著距路基中心距離的變化曲線如圖2所示。

圖2 不同填土高度路基沉降分布曲線

由圖2可知，路基中心的總沉降量遠大于路肩處的總沉降量，總沉降量隨著距路基中心的距離增大而減小。總沉降量隨著距路基中心的距離增大而減小這一規律隨著填土高度的增加而越發明顯，當填土高度為1 m時，同一平面下的總沉降量基本一致，而當填土高度為5 m時，同一平面下，路基中心點處的沉降量明顯大于路肩處的沉降量。路基的水平位移隨著填土的高度增加而不斷增大。隨著填土高度的增加，路基最大水平位移量逐漸增大，在同一填土高度時，隨著距路基中心距離的增大，路基水平位移量也逐漸增大。

隨著填土高度的增大，樁體的總沉降量增大，在相同的填土高度下，隨著距路基中心距離的增大，樁體的沉降量逐漸減小，且樁體樁頂與樁底的沉降量基本一致，其沉降量差異最大僅為0.2 cm，說明CFG樁的沉降是樁體相對于樁間土整體向下滑動，導致樁體下沉，樁體本身并未產生較大變形。

通過對比實測值與FLAC 3D的模擬值，發現隨著沉降時間的增加，實測沉降值與模擬沉降值的誤差在逐漸減小，填土后期的沉降誤差明顯小于填土初期沉降誤差，說明FLAC 3D軟件在模擬路基沉降過程中的擬合效果逐漸變好，本文采用FLAC 3D計算方法對該工程的軟土加固進行模擬分析是可行的。

4.3 CFG樁處理與未處理地基沉降對比

將天然路基沉降值和CFG樁復合地基加固沉降值隨距路基中心距離的關系曲線如圖3所示。

如圖3所示，在路基填筑完成的情況下，CFG樁加固的路基沉降量遠小于天然路基沉降量，且CFG樁加固的路基，其路基中心與路肩之間的差異沉降值也遠小于天然路基，說明CFG樁加固路基對于減小軟土路基的沉降量有著非常顯著的效果。

圖3 天然路基與復合路基沉降曲線對比圖

5 結論

本文為研究CFG樁對復合地基變形性能的影響，基于某工程典型工點的沉降監測數據進行分析，同時通過FLAC 3D建立數值模型進行計算，對CFG樁加固路基的變形特性進行分析，所得結論如下：

1）路基的工后沉降量占總沉降量的比值隨著路基填土高度的增加逐漸降低，考慮其原因為后期填土對于早期填土起到了堆載的作用，使得早期的沉降得到了充分發展，減小了后期的工后沉降占總沉降的比值。

2）隨著填土高度的增加，路基的總沉降量、整體水平位移和樁體位移均增大，總沉降量隨著距路基中心的距離增大而減小。

3）在路基填筑完成的情況下，CFG樁加固的路基沉降量遠小于天然路基沉降量，且CFG樁加固的路基，其路基中心與路肩之間的差異沉降值也遠小于天然路基，說明CFG樁加固路基對于減小軟土路基的沉降量有著非常顯著的效果。