高速公路CFG 樁復合地基壓縮沉降變形分析

賀綴HE Zhui

（中鐵二十五局集團第二工程有限公司，南京 210046）

0 引言

復合地基強調由地基土和增強體共同承擔荷載，CFG樁作為一種軟土地基深層處置方式，因其施工速度快、承載力高、適應性強廣泛應用于高速公路軟土地基處置，能顯著提高軟土地基的變形模量和承載力，有效減小在路基荷載下基底的沉降變形，該種深層處置方式是路基在通過軟土地帶增強地基承載力的一種有效處置方式，以云南丘硯高速公路CFG 樁深層處置軟土地基為實例，采用路基填筑完成后實測路基基底沉降變形與按不利條件下的理論計算值進行對比分析，對該種計算方法是否具有可行性進行論證。

1 設計概況

1.1 工程地質條件

丘硯高速公路K17+020～K17+290 段路基段地表為旱田，溝谷中偶爾有地表水，采用填方路基通過，該段路基工程的地質條件為：

①Q4el+dl粉質黏土：褐、褐黃色，硬塑，fak=150kPa，qik=27kPa，厚2m～4m；②Q4el+dl粉質黏土：褐、褐灰色，可塑，fak=110kPa，qik=18kPa，厚7m～10m；③T2lb泥巖：強風化，軟質巖，裂隙發育，fak=350kPa，qik=100kPa，平均厚度22m；④中風化巖，巖體完整。

1.2 工程設計概況

K17+020～K17+290 段路為最大填筑高度10m 的路堤，路堤頂面寬度26m，路堤填筑坡率為1:1.5，路堤最大填筑寬度為56m，軟基深層處置方式為CFG 樁加固處理，CFG 樁設計配合比為水泥∶粉煤灰∶砂∶碎石∶水=6%∶13%∶26%∶55%∶8.7%，水泥采用強度等級為32.5 或以上的硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，布樁方式為正三角形，樁間距為1.2m，平均設計樁長為10m，樁徑0.5m，采用對樁間土產生擠密作用的振動沉管成樁工藝，樁頂設置褥墊層，使樁間土承載力充分發揮，減少CFG 樁上的應力集中，褥墊層設置為30cm 碎石土+60cm 碎石+30cm 碎石土+兩層土工格柵。

圖1 路基橫斷面圖

2 CFG 樁復合地基承載力特征值計算

2.1 面積置換率計算

①在計算復合地基面積置換率時，在加固的地基中，當每根樁加固處理的軟基面積相等時，可選取其中一根樁和分擔處置的軟基范圍作為單元體分析，樁體的橫截面積與該樁體分擔處置的軟基面積的比值即為面積置換率m。

式中：d－CFG 樁設計直徑；

de－一根樁分擔的處理軟基范圍的等效直徑（m）。

等效直徑de主要應用于砂井和排水板等排水固結中，在計算復合地基面積置換率中一般沒有必要先計算，用等效直徑de計算面積置換率具有一定的局限性，用于無限面積規則布樁計算時較準確，但對于不規則布樁及有限面積布樁計算時存在一定的偏差，設計軟基處置中除按正三角形和正方形布樁時采用通用公式m=d2/（1.05s）2和m=d2/（1.13s）2計算外，其他情形的面積置換率采用面積比計算更為方便和準確。

②不同軟基處置布樁條件下采用面積比法計算面積置換率，見圖2～圖7。

圖2 圓形樁正角形布樁圓形樁正角形布樁

圖3 圓形樁矩形布樁

圖4 方樁正三角形布樁

圖5 方樁矩形布樁

圖6 不規則布樁

圖7 有限面積布樁

2.2 單樁承載力特征值計算

①CFG 樁單樁承載力由樁周土提供的側阻力及樁端土提供的端阻力組成，處理后的復合地基上部荷載由樁體和樁周土體共同承擔，復合地基承載力可按《建筑地基處理技術規范》（JGJ79-2012）中所提供的公式和方法進行計算。為簡化計算，相關參數數值不考慮由于采用擠密施工工藝施工時CFG 樁對樁周側阻的提高效應，數據采用工程地質詳勘報告中提供的數據。（表1）

表1 地層參數數據表

單樁承載力特征值可按下式計算：

式中：up-樁的周長（m）；

qsi-樁周第i 層土的側阻力特征值（kPa）；

lpi-樁長范圍內第i 層土厚度（m）；

ap-樁端阻力發揮系數，取1；

qp-樁端端阻力特征值，無試驗數據時可參考未經修正的樁端地基土承載力特征值近似取用。

②復合地基中樁體自身的強度是保證復合地基承載能力的必要條件，施工中必須嚴格控制各類施工工藝參數，保證樁體的混凝土強度及樁徑，CFG 樁屬于剛性樁，樁身混凝土設計強度應滿足計算要求。

滿足要求。

式中：fcu－樁體試塊標養28d 的立方體強度抗壓平均值（kPa），該工程為20×103kPa；

λ-單樁承載力發揮系數，取0.8。

2.3 復合地基承載力計算

①復合地基承載力特征值計算。

復合地基承載力特征值應通過采用單樁靜載荷試驗結果和周邊土的承載力特征值相結合計算或復合地基靜載荷試驗確定，在無試驗數據時CFG 樁復合地基承載力可按下式進行計算：

式中：β-樁間土承載力發揮系數，取0.85。

②處理后地基承載力修正。（表2）

表2 復合地基承載力特征值深度修正表

表3 提高后的壓縮模量

處理地基為多層土時，下層土應當按照埋深和上層土的有效重度對地基承載力特征值按下式進行修正。

式中：rm-計算層頂面以上土層的加權平均重度（kN/m3），地下水位以下應取有效重度；

d-土層頂埋深度，該處為第二層土頂層埋置深度（m）。

3 CFG 樁復合地基變形計算

①復合地基壓縮沉降變形計算應符合現行國家標準《建筑地基基礎設計規范》GB50007 的有關規定，在實際工程中，直接測定樁體的壓縮模量比較麻煩，所以通過復合地基承載力提高系數來計算處理后土層的壓縮模量。我們假設CFG 樁范圍內的復合土層為一等效天然土層，壓縮模量用調整后的壓縮模量表示，地基變形計算深度應大于軟基的處置深度。計算壓縮模量提高系數時，應按照原土層分界線進行分層，處理后土層的壓縮模量按該層原壓縮模量的ζ 倍進行提高，ζ=fspk/fak。

②地基變形計算深度及附加應力。

《公路路基設計規范》中未對地基變形深度的計算做詳細規定，《巖土工程勘察規范》GB50021-2001 規定為應力比法，對地基變形計算深度，對中、低壓縮性土可取附加應力等于上覆土層有效自重應力的0.2 倍。《建筑地基基礎設計規范》GB50007-2011 規定為相對變形法，地基變形計算深度中最后一層的變形量≤0.025 倍總變形量，應力比法應用相對較簡單，相對變形法應用相對較精確，本算例采用應力比法。

由于基底面積有限，作用于地基土上的荷載通常為局部荷載，其產生的基底附加應力通過淺層地基土逐漸向深層地基土傳遞，傳遞過程中發生應力擴散現象，隨著深度的不斷增加，附加應力系數逐漸變小，平均附加應力系數及應力面積曲線如圖8。

圖8 平均附加應力系數及應力面積曲線圖

根據荷載作用的類型和分布形式的不同，以及基礎形狀的區別，地基中的附加應力計算方法也不同，高速公路路基基底長寬比大于10，可以等效做為兩個三角形荷載相疊加的條形荷載考慮，基底以下地基土中的附加應力pz，采用角點法來計算pz=αp0為簡化計算，附加應力系數和平均附加應力系數采用長寬比和深寬比進行查表，褥墊層重度采用路基填料重度代替，路基填料荷載對路基線路中點產生附加應力（見圖9）可以等效為圖10 中三角形△ABC 對路基線路中點產生的附加應力減去圖11 中三角形△DEF 對路基線路中點產生的附加應力。根據應力比法計算得到壓縮層計算深度為30m，分析數據見表4。

表4 壓縮層深度計算表

圖9 路基荷載

圖10 等效路基荷載圖一

圖11 等效路基荷載圖二

圖12 K17+020～K17+290 段路基壓縮沉降觀測曲線圖

③根據附加應力利用分層總和法計算復合地基的壓縮沉降變形值應進行修正，修正系數ψs可根據當地類似工程沉降觀測資料統計數據確定，當無經驗值時，可采用規范中提供的數值線性插值確定（表5），該處僅按不同類型土層分層，分層厚度為3m、7m、20m，計算得Es=21.27MPa，ΨS=0.2458，附件應力系數計算見表6。

表5 沉降系數插值表

表6 附加應力系數計算表

表中變形計算深度范圍內的壓縮模量當量值Es按下式計算：

式中：Ai—第i 層土附加應力面積；

Aj—第j 層土附加應力面積。

④變形計算。

利用建筑地基規范公式進行計算，按分層總和法的理論將地基分為若干層，計算出每層范圍內的變形量，然后將各層變形量進行累加，即得到CFG 樁復合地基的最終變形量，為簡化計算未按規范規定的方法進行詳細分層，粗略的將壓縮層按照不同土層分為三層，分別為3m、7m、20m，計算地基變形時，地基內的應力分布，可采用各向同性均質線形變形理論，其最終變形量可按下式計算：

式中：s—經修正后的復合地基變形量（mm）；

s′—按分層總和法計算得出的變形量（mm）；

ψs—沉降修正系數，根據變形計算深度范圍內的壓縮模量當量值插值計算；

n—地基變形計算深度范圍內所劃分的土層數；

p0—路基填料荷載在路基基底處的附加壓力（kPa）；

Esi—路基底下第i 層土的修正后的壓縮模量（MPa）；

zi、zi-1—路基底面至第i 層、第i-1 層土底面的距離（m）；

4 現場實測變形與計算變形對比分析

在路基填筑前在路基中線處按縱向50m 間距埋設沉降觀測板，后期實測壓縮沉降變形量最大值為54.5mm、最小值為45.2mm，平均值為50.5mm，計算值與實測平均值偏差為+12.3%，計算與實測基本相符合。

按上述方法計算CFG 樁復合地基理論壓縮沉降變形中，壓縮沉降變形量的計算結果與公式中各數值的準確性直接相關，尤其是壓縮沉降變形計算深度、荷載的計算取值、附加應力的計算，對計算結果的準確性起到了關鍵作用。從現場實測沉降數據與理論計算結果對比來看，數據比較接近，說明本方法具有可行性。在實際計算過程中對某些方面進行了優化，導致計算結果偏大的因素有：路基選用的計算高度大于平均高度；忽略了土工格柵的對沉降的有利作用；CFG 樁施工時對樁周土體具有一定的擠密加固作用，施工完成后樁周土體的側阻力特征值會有一定的增長，而計算過程中未予以調整；分層厚度較大，導致計算得到的附加應力偏大。導致計算結果偏小的因素有：路基填料的重度采用設計壓實度、最大干密度和最佳含水量計算，而實際現場施工時壓實度往往大于設計壓實度，計算荷載偏小；忽略了樁尖的刺入作用。綜上數據對比，采用該種理論計算方法雖然對一些條件進行了簡化，但計算結果較為準確，具有一定的安全儲備。

5 結束語

通過具體的高速公路CFG 樁復合地基案例計算分析，對沉降計算方法進行實際應用，驗證了計算方法的準確性和可靠性。同時，結合工程實踐，對沉降計算結果進行對比分析，也可為其他類型的復合地基提供參考和借鑒。通過對高速公路CFG 樁復合地基沉降計算對比分析，得出相應的結論，總結了CFG 樁復合地基沉降計算中應注意的事項，提出改進和優化建議。同時，展望未來的研究方向和應用前景，為CFG 樁復合地基沉降計算更貼合現場實際提供思路和指導。