CFG樁復合地基處理橋頭跳車問題研究

摘要：為研究CFG樁復合地基處理橋頭跳車問題，文章基于某城市高速公路的橋梁與軟土路基過渡段的地基處理實際工程，通過ABAQUS建立數值模型進行計算，分析CFG樁樁徑、樁間距、樁長和樁身彈性模量對路基加固效果的影響。結果表明：（1）當路橋過渡段為未設置CFG樁的普通軟土路基時，隨著荷載作用次數的增加，路基的累計沉降在不斷增大，產生明顯的橋頭跳車現象，導致車輛行駛的平順性較差，因此對路橋過渡段的軟土路基進行地基處理，以減小其累計沉降量是非常必要的；（2）隨著樁徑、樁長、樁身彈性模量的不斷增大，路基的累計沉降不斷減小，隨著樁間距的不斷增大，路基的累計沉降不斷增大。

關鍵詞：CFG樁；橋頭跳車；影響因素；數值計算；ABAQUS

中圖分類號：U418 A 36 128 4

0 引言

隨著交通強國戰略的不斷推進，我國交通工程建設取得了舉世矚目的成就，與此同時，因各類復雜的地理環境和工程地質條件，導致大量工程項目在實施的過程中遇到了前所未有的挑戰，其中之一就是軟土沉降問題［1］。在我國東部和中部地區軟土分布廣泛，而軟土具有抗剪強度低、壓縮性大、排水固結慢等一系列不利于工程的性質，若未在工程建設前采取恰當的方法進行處理，則常會導致軟土地基在服役過程中發生沉降過大或者不均勻沉降的問題，直接影響工程安全性與使用年限［2］。

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［3］。復合地基法又包括碎石樁、水泥攪拌樁、CFG樁等［4］。國內外的學者對CFG樁在軟土地基中的應用以及研究已有了較為豐富的成果。何玉瓊等［5］利用FLAC 3D軟件計算抗滑樁和CFG樁加固路基的地表沉降，發現CFG樁可有效降低沉降量、提高地基承載力和減少地基塑性區域。 盧蘭萍等［6］利用Midas GTS/NX軟件建立天然地基與CFG樁復合地基模型，進行靜力固結分析，發現CFG樁復合地基加固軟基具有很好的效果。趙明志等［7］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。王帥等［8］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。

本文為研究影響CFG樁復合地基變形及力學性能的因素，基于某城市高速公路的橋梁與軟土路基過渡段的地基處理實際工程，通過ABAQUS軟件建立數值模型進行計算，分析CFG樁樁徑、樁間距、樁長和樁身彈性模量對路基加固效果的影響，以期對工程實踐起到一定的指導作用。

1 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粘結強度樁。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樁復合地基的組成形式如圖1所示。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［9］。

當CFG樁復合地基在受到上部荷載時，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。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，使其在受外部荷載的過程中具有很好的整體性［10］。

2 數值模型的建立

2.1 ABAQUS軟件簡介

ABAQUS作為應用相當廣泛的通用有限元軟件，在處理巖土工程問題時同樣具有很明顯的優勢，如軟件可以提供大量巖土材料常用的本構模型，還可以進行包括溫度場、滲流場等的多場耦合計算，軟件的交互性與很多軟件相比更好，操作較為簡便。其工作流程如圖2所示。

2.2 數值模型

本文基于某城市高速公路橋梁與軟土路基過渡段的地基處理實際工程建立數值模型并進行計算分析。橋梁全長31.0 m，寬度為12 m。該地的場地土具有壓縮性高、孔隙比大、天然含水率高、抗剪強度低的特點，在外部荷載的作用下會產生較大沉降。利用ABAQUS軟件建立有限元模型進行計算分析，并在保證其符合工程實際情況的基礎上盡可能簡化其計算程度。本文選取路面的計算寬度為12 m，模型自上而下分別為高度為4.0 m的吹填土、厚度為6.0 m的淤泥質亞黏土、厚度為5.0 m的粉砂、厚度為15.0 m的黏土。樁間距為2 m，樁長為16 m，樁直徑為0.5 m。褥墊層厚度為0.5 m，CFG樁、橋臺的本構模型采用彈塑性模型，下部軟土地基采用摩爾-庫侖模型。在設置模型的邊界條件時，分別對前后左右四個土體邊界進行約束，限制路基的水平位移，在模型底部設置水平和豎直約束。相關模型如圖3所示。

計算過程中對該模型施加模擬車輛的移動荷載，車輛模型的質量為26.11 t，前輪等效矩形長度為0.32 m，寬度為0.20 m，后輪等效矩形長度為0.45 m，寬度為0.31 m。

路基模型的各結構層參數取值如表1所示；CFG樁復合地基的參數取值如表2所示；橋梁模型的參數取值如下頁表3所示。

3 復合地基沉降因素分析

為研究CFG樁復合地基的沉降特性、受力性狀及其影響因素，本節通過設計不同的試驗工況，采用ABAQUS 有限元分析軟件進行數值計算，分別研究樁間距、樁長、樁徑對CFG樁復合地基加固效果的影響。

3.1 樁徑對復合地基的影響

分別選取樁徑為0.4 m、0.5 m、0.6 m、0.7 m、0.8 m、1.0 m進行數值計算，分析樁徑變化對CFG樁復合地基沉降的影響。通過數值計算的結果，可得不同樁徑下的復合地基豎向沉降。不同荷載作用次數下路基的累計沉降隨樁徑的變化如圖4所示。

當該過渡段為未設置CFG樁的普通軟土路基時，在荷載作用次數達到200萬次時，路基的累計沉降量為37.7 mm；當荷載作用次數達到400萬次時，路基的累計沉降量為42.5 mm，相比于荷載作用次數200萬次時增加了12.7%；當荷載作用次數達到600萬次時，路基的累計沉降量為45.6 mm，相比于荷載作用次數400萬次時增加了7.3%。隨著荷載作用次數的增加，路基的累計沉降在不斷增大，增加的幅度逐漸減小。超過25 mm的累計沉降會產生輕微的橋頭跳車現象，超過30 mm的累計沉降會產生明顯的橋頭跳車現象，導致車輛行駛的平順性較差，因此對路橋過渡段的軟土路基進行地基處理，以減小其累計沉降量是非常必要的。

如圖4所示，隨著荷載作用次數的不斷增大，路基累計沉降不斷增大。當樁徑為0.4 m時，荷載作用次數達到200萬次時路基的累計沉降量為25.1 mm，隨著樁徑的不斷增大，路基的累計沉降不斷減小，當樁徑為1.0 m時，荷載作用次數達到200萬次時路基的累計沉降量減小到16.9 mm，荷載作用次數達到600萬次時路基的累計沉降量也僅為18.4 mm，小于橋頭輕微跳車的25 mm差異沉降要求。同時可以發現，當樁徑≥0.6 m時，即使荷載作用次數達到600萬次，路基累積沉降均＜25 mm。考慮節約成本，樁徑取0.6 m為最優選擇。

3.2 樁間距對復合地基的影響

分別選取樁間距為1.4 m、1.6 m、1.8 m、2.0 m、2.5 m進行數值計算，分析樁間距對CFG樁復合地基沉降的影響。通過數值計算的結果，可得不同樁間距下的復合地基豎向沉降。不同荷載作用次數下路基的累計沉降隨樁間距的變化如圖5所示。

如圖5所示，隨著荷載作用次數的不斷增大，路基累計沉降不斷增大。當樁間距為2.5 m時，荷載作用次數達到200萬次、400萬次、600萬次時路基的累計沉降量分別為27.5 mm、28.2 mm、28.9 mm，均超過了橋頭輕微跳車的25 mm差異沉降要求，因此2.5 m的樁間距不能滿足對該過渡段的地基處理要求。而當樁間距分別為1.4 m、1.6 m、1.8 m、2.0 m時，荷載作用次數達到200萬次、400萬次、600萬次時路基的累計沉降量均＜25 mm，達到橋頭輕微跳車的差異沉降要求。結合項目成本要求，樁間距取2.0 m為最優選擇。

3.3 樁長對復合地基的影響

改變樁長即改變復合地基的處理深度。分別選取樁長為14.0 m、16.0 m、18.0 m、20.0 m、22.0 m進行數值計算，分析樁長對CFG樁復合地基沉降的影響。通過數值計算的結果，可得不同樁長下的復合地基豎向沉降。不同荷載作用次數下路基的累計沉降隨樁長的變化如圖6所示。

由圖6可知，隨著荷載作用次數的不斷增大，路基累計沉降不斷增大。當樁長為14.0 m時，荷載作用次數達到200萬次、400萬次、600萬次時路基的累計沉降量分別為25.1 mm、26.5 mm、27.2 mm，均超過了橋頭輕微跳車25 mm的差異沉降要求；同時，CFG樁的持力層為黏土層，當樁長為14.0 m時，CFG樁的樁端位置未達到持力層，因此14.0 m的樁長不能滿足對該過渡段的地基處理要求。當樁長為16.0 m時，荷載作用次數達到200萬次、400萬次時路基的累計沉降量均＜25 mm，但荷載作用次數達到600萬次時，路基的累計沉降量為25.8 mm，超過橋頭輕微跳車25 mm的差異沉降要求。當樁長分別為18.0 m、20.0 m、22.0 m時，荷載作用次數達到200萬次、400萬次、600萬次時路基的累計沉降量均＜25 mm，達到橋頭輕微跳車的差異沉降要求。結合項目成本要求，樁長取18.0 m為最優選擇。

3.4 樁身彈性模量對復合地基的影響

改變樁身的彈性模量就是改變復合地基的整體剛度。分別選取樁身強度等級為C15、C20、C25、C35、C50進行數值計算，對應的樁身彈性模量分別為22 000 MPa、25 500 MPa、28 000 MPa、31 500 MPa、34 500 MPa。通過數值計算的結果，可得不同樁身彈性模量下的復合地基豎向沉降。不同荷載作用次數下路基的累計沉降隨樁身彈性模量的變化如圖7所示。

如圖7所示，隨著荷載作用次數的不斷增大，路基累計沉降不斷增大。隨著樁身彈性模量的不斷增大，路基累計沉降量逐漸減小。以荷載作用次數400萬次為例，樁身強度等級從C15提升至C50時，對應的樁身彈性模量增加了56.8%，但路基累計沉降量僅減小了8.9%，減小的幅度比較有限。在荷載作用次數達到400萬次時，樁身強度等級分別為C15、C20、C25、C35、C50時對應的路基累計沉降均小于橋頭輕微跳車25 mm的差異沉降要求。在荷載作用次數達到600萬次時，除樁身彈性模量為22 000 MPa時，路基累計沉降不滿足橋頭輕微跳車25 mm的差異沉降要求外，其余情況均滿足要求。結合項目成本要求，樁身強度取C20為最優選擇。

4 結語

本文為研究影響CFG樁復合地基變形及力學性能的因素，基于某城市高速公路的橋梁與軟土路基過渡段的地基處理實際工程，通過ABAQUS軟件建立數值模型進行計算，分析CFG樁樁徑、樁間距、樁長和樁身彈性模量對路基加固效果的影響，所得結論如下：

（1）當路橋過渡段為未設置CFG樁的普通軟土路基時，隨著荷載作用次數的增加，路基的累計沉降在不斷增大，會產生明顯的橋頭跳車現象，導致車輛行駛的平順性較差。因此，對路橋過渡段的軟土路基進行地基處理，以減小其累計沉降量是非常必要的。

（2）隨著樁徑的不斷增大，路基的累計沉降不斷減小，當樁徑≥0.6 m時，路基累積沉降均＜25 mm，因此樁徑取0.6 m為最優選擇。隨著樁間距的不斷減小，路基的累計沉降不斷減小，當樁間距＜2.0 m時，路基的累計沉降量均＜25 mm，因此樁間距取2.0 m為最優選擇。隨著樁長的不斷增大，路基的累計沉降不斷減小，當樁長＞18.0 m時，路基的累計沉降量均＜25 mm，樁長取18.0 m為最優選擇。隨著樁身彈性模量的不斷增大，路基的累計沉降不斷減小，當樁身彈性模量＞25 500 MPa時，路基的累計沉降量均＜25 mm，樁身強度取C20為最優選擇。

參考文獻

［1］崔 凱，楊文恒.軟土路基沉降的聯合法預測研究［J］.西南交通大學學報，2017，52（5）：926-934.

［2］吳 楠，肖軍華.軟土地區地鐵高架結構不均勻沉降特征與影響因素［J］.交通運輸工程學報，2017，17（2）：12-20.

［3］鄭 剛，龔曉南，謝永利，等.地基處理技術發展綜述［J］.土木工程學報，2012，45（2）：127-146.

［4］姚云龍，張曉輝，劉 鑫，等.基于現場試驗的CFG樁復合地基樁帽與墊層效應分析［J/OL］.太原理工大學學報，2022-08-25.

［5］何玉瓊，王壽武，肖建宇，等.路橋過渡段軟土地基加固沉降對比分析［J］.地下空間與工程學報，2022，18（1）：313-321.

［6］盧蘭萍，張澤浩，張宇超.水泥粉煤灰碎石樁復合地基對于軟基的加固效果研究［J］.科學技術與工程，2022，22（20）：8 877-8 883.

［7］趙明志，羅 強，崔維孝，等.高速鐵路深厚地層CFG樁復合地基變形計算經驗系數分析［J］.鐵道學報，2015，37（1）：69-76.

［8］王 帥，李曾樂.超高應力作用下CFG樁復合地基破壞性試驗研究與有限元分析［J］.工程技術研究，2020，5（13）：20-21.

［9］仝云蒙.CFG樁網復合地基處理橋頭跳車問題研究［D］.邯鄲：河北工程大學，2021.

［10］葛建東.CFG樁在高速鐵路軟土地基處理中的應用研究［D］.濟南：山東建筑大學，2021.

收稿日期：2022-12-20