潮汐區淤泥質基礎CFG群樁數值模擬分析

王操，時貞祥，劉大鵬，羅浩天，李國棟

（1.中國電建市政建設集團有限公司，天津300384；2.山東大學土建與水利學院，濟南250061）

1 引言

我國幅員遼闊，海岸線較長，在沿海一帶形成了有一定規律分布，同時性質差異較大的軟土分布區域。 相對一般的軟土而言，海域灘涂軟黏土的含水率更高，抗剪強度很低，土體孔隙比大，壓縮性高，受施工擾動后會發生很大的沉降變形[1-2]。為此， 公路鐵路建設中軟土地基處理大量采用樁體較強的CFG 樁進行加固。 然而，采用CFG 樁處理受潮汐動水壓力作用的內海灘涂軟土時，會對周邊軟土有擠壓、擾動破壞作用，同時潮汐作用導致內海灘涂軟土內的孔隙水壓力處于動態變化，這些都會大大降低CFG 樁的完整性和承載能力，增大了CFG 樁施工難度，無形中增加了建設成本，延誤了施工進度。進行路基填筑時，CFG 樁有可能會出現剪切、傾斜和彎曲的破壞現象，并且呈現多米諾骨牌的效應，使路基快速產生外擠、下沉和開裂變形的破壞，導致公路路基無法滿足使用要求[3-4]。雖然隨著CFG 樁技術的不斷發展和完善，已有相當多的成功運用的工程實例， 它們在處理具有軟弱性土質的承載力和沉降方面都取得了很好的效果，但是CFG 樁技術理論發展相對有些滯后，尤其在我國東部沿海城市，不僅廣泛分布著海相淤泥質地層，而且還要受到海洋潮汐往復地循環動荷載作用[5-6]，在這樣復雜的潮汐區淤泥質地層之中開展CFG 樁施工建設難度極大，且無成熟的技術理論支持和參考。

為此，本文通過建立潮汐區淤泥質基礎CFG 樁施工的數值計算模型，開展潮汐區淤泥質基礎CFG 群樁施工質量特征研究，為潮汐區淤泥質基礎CFG 樁施工質量控制方法提供重要的技術理論。

2 數值模擬

2.1 工程概況

福鼎市濱海大道是城市南北向重要的交通走廊， 是福鼎老城區和海灣新城、點頭、白琳組團重要的交通干道，線路全長10.69km。 其中，K0+710～K0+800、K0+820～K0+985、K1+020～K1+522、K1+542～K1+820 段為水泥粉煤灰碎石樁軟基處理。在CFG 樁施工前需清淤換填海砂0.5 m， 然后填筑海砂平臺至3.5 m 標高，當CFG 樁施工完畢后，進行反開挖施工做樁帽隔梁及褥墊層。 海砂平臺與CFG 樁組成復合地基，為路基穩定性提供保障。 海域段原地面高程平均為-0.5 m，海砂平臺填筑高度約4.5 m，填筑量246 581 m3，清淤換填總量37 936 m3，沉降補償總量37 936 m3。 CFG 樁處理區域地段屬典型海相沖淤積地貌，廣泛分布有軟土層（淤泥），地形變化小，地勢較平緩。 該段基底土層為淤泥層，屬典型軟土路基，土層壓縮性高，承載力低，穩定性差。

2.2 數值計算模型

該工程按城市主干路標準建設，設計速度50 km/h，雙向四車道，普通路段路寬40 m，海堤路段路寬48 m，路面采用瀝青混凝土路面。地基斜面坡度為1∶1.5，內海與外海有明顯水位差。根據受力情況將地基土體與CFG 樁模型進行簡化，如圖1所示，建立CFG 樁施工地基模型，其中地基頂面寬度D1=40 m，底面寬度D2=60 m，深度H=15 m，CFG 樁直徑d=0.6 m，埋深h=10 m。 地基土體劃分為1 562 400 個單元，每個CFG 樁劃分為168 個單元，為20 結點含孔隙壓力的六面體單元，二次位移，線性孔隙壓力，減縮積分，橫向縱向樁間間距1.5 m。

圖1 地基土體模型圖

通過對現場土樣進行室內試驗，得到土體基本力學參數，采用修正Drucker-Prager 帽蓋模型進行模擬， 其中彈性模量Es=100 MPa，干密度ρd=1 800 kg/m3，黏聚力c=80 kPa，屈服面傾角β=30°，帽蓋離心率0.1，過渡表面半徑0.03，流動應力比K=1， 滲透系數k=2.5×10-10 m/s， 初始孔隙比e0=2， 采用C3D20R 孔隙流體/ 應力單元類型。 樁體采用彈性模型，彈性模量Ep=15 GPa，密度ρ=2 500 kg/m3，采用C3D20R 三維應力單元類型，樁土之間的摩擦系數μ=0.7，通過膨脹模擬CFG 樁對地基土體擠壓作用，膨脹系數α=1×10-5。

3 CFG群樁施工特征分析

3.1 起始臨樁施工特征分析

圖2、 圖3 分別給出了起始臨樁CFG 樁施工引起的地基水平和豎向位移。 由圖2 和圖3 可知：（1）土體受CFG 樁灌注擠壓，周邊土體向四周進行擴展；其中CFG 樁兩側的水平位移呈現CFG 樁頂部膨脹較大， 在地基土體表面有較大的影響，同時隨著埋深的增加，水平位移影響范圍也下降為最小。（2）CFG 樁施工后地基土體豎直位移變化水平位移變化相似，其中CFG 樁兩側的豎直位移呈現CFG 樁頂部膨脹較大，在地基土體表面有較大的影響，具體表現為影響范圍較大，且豎直位移大小較為明顯，同時隨著埋深的增加，豎直位移快速下降，達到最低值，影響范圍也下降為最小。

圖2 地基水平位移剖面云圖（單位：m）

圖3 地基豎直位移等值面圖（單位：m）

3.2 單排樁施工特征分析

圖4 給出了單排CFG 樁施工引起的豎向位移。 由圖4 可知：CFG 樁在施工過程中不僅影響周邊土體，還對較遠處的土體有影響，周邊土體中土體頂部最大，呈現半橢圓球形，隨著埋深的增加逐漸降低，在CFG 底部有一處影響較為均勻的區域，沉降分布較為相同。

圖4 地基沉降等值面圖（單位：m）

3.3 雙排樁施工特征分析

圖5、 圖6 分別給出了雙排CFG 樁施工引起的地基水平和豎向位移。 由圖5 和圖6 可知：（1） 當地基土體打入兩排CFG 樁時，與單排CFG 樁施工后水平位移變化相似；（2）雙排CFG 樁在施工過程中不僅影響周邊土體， 還對較遠處的土體有影響，周邊土體中土體頂部最大，呈現半橢圓球形，隨著埋深的增加逐漸降低，隨著埋深達到CFG 樁底部后，有一個較為明顯的等值球形。

圖5 地基水平位移等值面圖（單位：m）

圖6 地基數值沉降等值面圖（單位：m）

4 結論

CFG 樁技術雖然已在處理具有軟弱性土質的承載力和沉降方面取得了很好的效果，但是CFG 樁技術理論在我國東部沿海城市潮汐區淤泥質地層之中開展施工建設難度仍然極大，且無相關技術理論支持和參考。 為此，基于數值計算分析方法，建立了潮汐區淤泥質基礎CFG 樁施工力學模型，通過開展潮汐區淤泥質基礎CFG 群樁施工質量特征研究，主要研究結論如下：

1）CFG 樁對下部淤泥黏土影響隨深度變化逐漸降低；

2）CFG 樁單排樁施工后，CFG 樁兩側的豎直位移呈現CFG 樁頂部膨脹較大，而在CFG 底部沉降分布較為相似；

3）CFG 樁雙排樁施工后，CFG 樁不僅影響周邊土體，還對較遠處的土體有影響。