CFG樁復合路基加固效果影響因素的數值模擬研究

摘要：為研究影響CFG樁復合地基變形及力學性能的因素，文章以某城市高速公路的橋梁與軟土路基過渡段的地基處理工程為例，通過Midas GTS NX軟件建立數值模型進行計算，分析CFG樁樁間距、樁長和樁徑對路基加固效果的影響。結果表明：隨著樁間距增大，復合路基各部分對應的最大沉降量隨之逐漸增大，樁體軸力和樁土應力比明顯增大，且樁體中部軸力增量幅度明顯大于樁體兩端；當樁體下端深入持力層時，樁長對復合地基沉降的影響不明顯，設計CFG樁樁長時，在保證樁體下深伸入到持力層的前提下，可以選取較小的樁長以控制成本；隨著樁徑的增大，復合地基各部分的最大沉降均逐漸減小，樁體的最大軸力在不斷增大，樁土應力比逐漸減小，考慮到樁土應力比，CFG樁的樁徑取值不宜過大。

關鍵詞：CFG樁；軟土路基；加固效果；影響因素；數值計算；Midas GTS NX

中圖分類號：U416.212 A 14 043 4

0 引言

因我國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］。軟土在我國東部和中部地區分布廣泛，其具有抗剪強度低、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處理方法，則會導致軟土地基在服役過程中發生沉降過大或者沉降不均勻的問題，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，例如換填墊層、堆載法、強夯法、復合地基法等［3］，而復合地基法又包括碎石樁、水泥攪拌樁、CFG樁等［4］。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，使復合地基整體的力學特性得到了很大的提高［5］。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［6］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［7］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。李薇等［8］運用ANSYS軟件模擬荷載作用下CFG樁復合地基加固效果，分析了CFG樁的不同參數取值對加固后地基強度與變形性能的影響。

本文為研究影響CFG樁復合地基變形及力學性能的因素，以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為例，通過Midas GTS NX軟件建立數值模型，分析CFG樁樁間距、樁長和樁徑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，即樁體向上刺入褥墊層中，產生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，使其在受外部荷載的過程中具有很好的整體性［10］。

2 數值模型的建立

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為例，建立數值模型并進行計算分析。軟土路基的軟土層平均厚度在 12～15 m，土體的組成從地表向下分為：粉質黏土、淤泥質土、細礫。利用Midas GTS NX軟件建立計算模型。為保證在符合工程實際情況的基礎上盡可能簡化計算模型，本文考慮建立二維路基模型。為消除邊界效應的影響，考慮合理增大分析范圍，選取路面的計算寬度為 30 m，模型自上而下分別為高度為 6 m的粉質黏土、厚度為 12.5 m的淤泥質土和厚度為 18 m的細礫。樁間距為 2 m，樁長為 20 m，樁直徑為 0.5 m。褥墊層厚度為 0.5 m。模型單元數為 13 936個，節點數為 12 541個。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-庫侖模型，CFG樁、橋臺樁和土工格柵采用一維模型進行建模，樁體采用梁單元進行模擬。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。模型如圖1所示。

各地層的巖土體物理力學參數取值以及CFG樁、橋臺樁和土工格柵樁體參數分別如表1和表2所示。

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，可通過逐步激活每一級的路基填土命令流來實現。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，加載方式選用逐級加載的方式，每次填土高度為 0.5 m。

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Midas GTS NX 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 樁間距對復合地基的影響

分別選取樁間距為 1.5 m、 2.0 m、 2.5 m、 3.0 m四種工況進行數值計算，分析不同樁間距對CFG樁復合地基沉降及力學特性的影響。

3.1.1 樁間距對復合地基沉降的影響

通過分析數值計算結果，可得出不同樁間距下的復合地基豎向沉降，如表3所示；路基、樁間土、下臥層的最大沉降隨樁間距的變化如圖2所示。

由表3和圖2可知，在樁間距為 1.5 m的工況下，路基、樁間土及下臥層的最大沉降量分別為 4.71 cm、 3.99 cm、 2.79 cm。隨著樁間距逐漸增大，路基、樁間土及下臥層對應的最大沉降量也逐漸增大，當樁間距達到 3.0 m時，路基、樁間土及下臥層的最大沉降量分別為 6.89 cm、 6.56 cm、 4.51 cm，分別增加了46.3%、64.4%、61.6%。隨著樁間距增大，復合地基最大沉降值也明顯增大。同時，在不同樁間距的工況下，樁體沉降與樁間土沉降之間的差值也逐漸增大。

3.1.2 樁間距對復合地基力學特性的影響

計算過程中監測樁體的軸力與樁土應力比，分別得到樁體軸力和樁土應力比變化曲線如圖3、圖4所示。

如圖3所示，樁體中部軸力較大，隨著樁間距的增加，樁體軸力也明顯增大，且樁體中部軸力增量幅度明顯大于樁體兩端。當樁間距較小時，樁體軸力的變化相對較小，分布較為均勻，樁體中部軸力略大于兩端；當樁間距 ＞2.0 m時，樁體中部軸力遠大于樁體兩端。

如圖4所示，隨著填土高度的增大，樁土應力比也明顯增大。當填土高度不變時，樁土應力比隨著樁間距的增大明顯增大。同時，樁土應力比隨樁間距的變化其曲線斜率呈現逐漸減小的趨勢。其原因為在填土高度較小時，土體較松散，隨著填土高度的增加，先期的回填土在上部土體荷載作用下逐漸密實，內摩擦角增大，樁土之間的整體性明顯增強，共同承擔荷載，因此樁土應力比的增加逐漸變緩。

3.2 樁長對復合地基的影響

為了研究樁長對CFG樁復合地基加固效果的影響，分別選取樁長為 18.0 m、 20.0 m、 22.0 m、 24.0 m、 26.0 m五種工況進行數值計算，分析樁長對CFG樁復合地基沉降及力學特性的影響。

3.2.1 樁長對復合地基沉降的影響

通過分析不同樁長工況下的數值計算結果，可得到不同的復合地基豎向沉降，如表4所示；路基、樁間土、下臥層的最大沉降隨樁長的變化如圖5所示。

由表4和圖5可知，在樁長為18.0 m的工況下，路基、樁間土及下臥層的最大沉降量分別為 8.69 cm、 8.29 cm、 6.79 cm；在樁長為 20.0 m的工況下，路基、樁間土及下臥層的最大沉降量分別為 5.39 cm、 4.89 cm、 3.31 cm，分別減少了37.9%、41.1%、51.3%；當樁長≥ 20.0 m時，路基、樁間土及下臥層的最大沉降量幾乎不隨樁長的增加發生變化。分析其原因為，當樁長為 18.0 m，樁體下端未深入到持力層，復合地基未達到預期效果，整體沉降依然較大；當樁長為 20.0 m時，樁體下端深入持力層；當樁長 ＞20.0 m時，樁長對復合地基沉降的影響不明顯。因此，在實際工程中，設計CFG樁樁長時，在保證樁體下端伸入到持力層的前提下，可以選取較小的樁長以控制成本。

3.2.2 樁長對復合地基力學特性的影響

監測樁體軸力與樁土應力比，分別得到樁體軸力和樁土應力比變化曲線如下頁圖6～7所示。

如圖6～7所示，隨著樁長的增加，樁體的最大軸力在不斷增大。當樁長由 18.0 m增加至 20.0 m時，樁體軸力明顯增大；當樁長 ＞20.0 m時，樁體上部的軸力基本保持不變，樁體下部的軸力隨著樁長的增大逐漸增大。樁土應力比隨著樁長的增加而明顯增大，在樁長為 18.0 m時，樁土應力比較小，僅為1.60；當樁長為 20.0 m時，樁土應力比為2.43；當樁長增加到 26.0 m時，樁土應力比增大到3.12，樁土應力比隨樁長的變化曲線呈現先陡后緩的趨勢。綜上，對于該模型，選取樁長為 20.0 m較為合適。同時，對于大多數實際工程，樁長是有合適長度的。

3.3 樁徑對復合地基的影響

為了研究樁徑對CFG樁復合地基加固效果的影響，分別選取樁徑為 0.4 m、 0.5 m、 0.6 m、 0.7 m、 0.8 m五種工況進行數值計算，分析不同樁徑對CFG樁復合地基沉降及力學特性的影響。

3.3.1 樁徑對復合地基沉降的影響

通過分析不同樁徑工況下的數值計算結果，可得到不同的復合地基豎向沉降，如表5所示。路基、樁間土、下臥層的最大沉降隨樁徑的變化曲線如圖8所示。

由表5和圖8可知，隨著樁徑的增大，復合地基各部分的最大沉降均逐漸減小。在樁徑為 0.4 m的工況下，路基、樁間土及下臥層的最大沉降量分別為 6.81 cm、 6.29 cm、 4.48 cm；當樁徑增大到 0.8 m的工況下，路基、樁間土及下臥層的最大沉降量分別為 3.95 cm、 3.10 cm、 1.77 cm，分別減少了42.0%、50.7%、60.5%。

3.3.2 樁徑對復合地基力學特性的影響

監測樁體軸力與樁土應力比，分別得到樁體軸力和樁土應力比變化曲線如圖9～10所示。

如圖9～10所示，隨著樁徑的增加，樁體的最大軸力在不斷增大，樁土應力比隨著樁徑的增加而逐漸減小。在樁徑為 0.4 m時，樁土應力比為2.67；當樁徑增加到 0.8 m時，樁土應力比減小到1.92。因此，對于該模型，選取樁徑為 0.4 m較為合適，同時對于大多數實際工程，考慮到樁土應力比，CFG樁的樁徑取值不宜過大。

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，以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為例，通過Midas GTS NX軟件建立數值模型進行計算，分析CFG樁樁間距、樁長和樁徑對路基加固效果的影響，所得結論如下：

（1）隨著CFG樁樁間距逐漸增大，復合路基各部分對應的最大沉降量逐漸增大，樁體沉降與樁間土沉降之間的差值也逐漸增大，樁體軸力明顯增大，且樁體中部軸力增量幅度明顯大于樁體兩端。當填土高度不變時，樁土應力比隨著樁間距的增大明顯增大，且樁土應力比隨樁間距的變化其曲線斜率呈現逐漸減小的趨勢。

（2）當樁體下端未深入到持力層時，復合地基不能達到預期效果，整體沉降較大；當樁體下端深入持力層時，樁長對復合地基沉降的影響不明顯。隨著樁長的增加，樁體的最大軸力和樁土應力比在不斷增大，樁土應力比隨樁長的變化其曲線呈現先陡后緩的趨勢。在實際工程中，設計CFG樁樁長時，在保證樁體下端深入到持力層的前提下，可以選取較小的樁長以控制成本。

（3）隨著樁徑的增大，復合地基各部分的最大沉降均逐漸減小，樁體的最大軸力在不斷增大，樁土應力比逐漸減小。因此，對于該模型，選取樁徑為 0.4 m較為合適，同時對于大多數實際工程，考慮到樁土應力比，CFG樁的樁徑取值不宜過大。

參考文獻

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收稿日期：2022-10-20