黃大春

1 工程概述

水泥粉煤灰碎石樁(CFG)是在素混凝土樁工藝上發(fā)展起來的新型樁體,樁體的材料主要由碎石、砂、粉煤灰與適量水泥和水拌制而成。樁體與樁間土體共同作用,組成CFG樁復合地基[1]。由于該樁體具有施工簡單、加固效果好、節(jié)省材料等優(yōu)點,被廣泛的應用在已經通車運營的京津城際鐵路、武廣客運專線和正在建設中的京滬高速鐵路、津秦鐵路客運專線等工程的路基基地處理中。根據(jù)我國《客運專線無砟軌道鐵路設計指南》的規(guī)定,路基工后沉降一般不應超過扣件允許的沉降調高量15 mm[2],我國現(xiàn)有的客運專線和高速鐵路規(guī)范由于巖土材料性質的復雜性和變異性,巖土工程邊界條件的不確定性及影響因素的眾多,到目前為止還沒有適合于復合地基設計和計算工后沉降的準確方法。本文將通過數(shù)值分析技術分析這些因素對復合地基路基沉降影響的程度和規(guī)律。

2 CFG樁復合地基對路基穩(wěn)定性的作用機理

1)樁體作用。由于復合地基中樁體的剛度比周圍土體的剛度大,在剛性基礎下樁土豎向等量變形時,地基中應力按材料的模量進行分配。因此,樁體上產生應力集中現(xiàn)象,大部分荷載將由樁體承擔,樁間土承擔的荷載減小,其應力也相應減小,這就使得復合地基承載力較原地基有所提高,沉降有所減少,隨著樁體剛度增加,其樁體作用更為明顯。2)墊層作用。樁與樁間土復合形成的復合地基,在加固深度范圍內形成復合層,它可起到類似墊層的換土效應,均勻地基應力和增大應力擴散角等作用,在樁體沒有貫穿整個軟弱土層的地基中,墊層的作用尤其明顯。3)加速固結作用。水泥土類和混凝土類樁在某種程度上也可加速地基固結,因為地基固結不但與地基土的排水性能有關,還與地基土的變形特性有關,雖然水泥土類樁會降低地基土的滲透系數(shù),但它同樣會減小地基土的壓縮系數(shù),而且通常后者的減小幅度要較前者大。因此,使加固后水泥土的固結系數(shù)大于加固前原地基土的固結系數(shù),同樣可起到加速固結的作用,而且增大樁與樁間土模量對加速地基固結也是有利的。4)加筋作用。復合地基不但提高地基的承載力,而且可用來提高土體的抗剪強度,因而可提高土坡的抗滑能力。這種人工復合的土體可增加地基的穩(wěn)定性。

3 數(shù)值計算分析CFG樁復合地基路基穩(wěn)定性

3.1 樁長對路基穩(wěn)定性的影響

3.1.1 樁長對路基側向位移的影響

圖1是在保證其他基本工況不變,分別對樁長為6 m,9 m,10 m,15 m的路基側向位移計算后所繪制的曲線變化圖。

從圖1中可以看出,側向位移最大值出現(xiàn)在距離路基中心線處6 m左右,隨著樁長的增大,這一位置略靠近路基中心線處。隨著樁體長度的增大,路基側向位移呈減小趨勢。

3.1.2 樁長對路基沉降的影響

圖2是在保證其他基本工況不變,分別對樁長為6 m,9 m,10 m,15 m的路基豎向位移計算后所繪制的曲線變化圖。

從圖2中可以看出,隨著樁體長度的增大,路基豎向位移呈減小趨勢,其擬合曲線為:

其中,S為路基豎向位移;l為樁體長度;R2為擬合優(yōu)度,其值越大說明擬合效果越好,越接近真值。

3.2 樁間距對路基穩(wěn)定性的影響

3.2.1 樁間距對路基側向位移的影響

圖3是在保證其他基本工況不變,對樁長為8 m,樁間距分別為1.2 m,1.6 m,2.0 m,2.4 m的路基側向位移計算后所繪制的曲線變化圖。

從圖3中可以看出,側向位移最大值出現(xiàn)在距離路基中心線處6 m左右。隨著樁間距的增大,路基側向位移呈增加趨勢。

3.2.2 樁間距對路基沉降的影響

圖4～圖6分別是在保證其他基本工況不變,對樁長為8 m,樁間距分別為1.2 m,1.6 m,2.0 m,2.4 m的路基豎向位移計算后所繪制的路基頂面沉降曲線變化圖、樁頂頂面沉降曲線圖及樁間距與豎向沉降的關系圖。

從圖4～圖6中可以看出,隨著樁體間距的增大,路基頂面豎向位移呈增大趨勢,其擬合關系式為:

其中,D為樁體間距;S為豎向沉降。

不同樁體間距時樁體都出現(xiàn)上刺入和下刺入現(xiàn)象,樁體間距越小,上下刺入現(xiàn)象越顯著,沉降量越大。

4 結語

1)隨著樁體長度的增大,樁頂附加應力略有增大趨勢,而樁底處附加應力增大較明顯,豎向位移呈線性減小趨勢;沿橫斷面方向不同樁體隨著遠離路基中心線距離的增大,樁頂應力略呈減小趨勢,側向位移在距路基中心線6 m處達到最大值。2)隨著樁體間距的增大,樁體附加應力呈明顯增大趨勢,而樁體附加應力改變不明顯,平均樁土應力比呈增大趨勢;隨著樁體間距的減小,樁體的刺入現(xiàn)象變得比較顯著,豎向位移呈線性減小趨勢。

[1]杜永昌.高速與客運專線鐵路施工工藝手冊[M].北京:科學技術文獻出版社,2006.

[2]韓自力.新建時速300-350公里客運專線設計暫行規(guī)定[M].北京:中國鐵道出版社,2008.

[3]張兆鋒,裴富穩(wěn).淺談CFG樁復合地基施工與組織[J].山西建筑,2009,35(10):73-74.