肖 偉，王建西

(1.中鐵二局股份有限公司，四川成都 610032;2.石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，河北石家莊 050043)

CFG樁帽復(fù)合地基由CFG樁、樁間土、鋼筋混凝土帽及褥墊層等幾部分組成，是當(dāng)前高速鐵路建設(shè)中常用的軟基加固處理措施。雖然應(yīng)用較廣，施工技術(shù)也已日趨成熟，但在應(yīng)力、變形分析上卻一直未能形成一套成熟可靠的計算分析方法［1-3］。本文以通用有限元程序為工具，對哈大客專海城西站CFG樁帽復(fù)合地基進(jìn)行了數(shù)值分析，在復(fù)合地基計算分析方法上進(jìn)行了一次有益探索，分析方法及結(jié)論可為設(shè)計及施工提供參考。

1 工程概況

哈大客專海城車站里程范圍為DK255+347—DK256+920，以填方通過沖洪積平原，地形平坦開闊，地基土層以粉質(zhì)黏土、中粗砂為主。該段路基填土高6～8 m，基底采用CFG樁加固，樁徑0.5 m，間距1.5 m，正方形布置，樁長25～30 m。正線軌道板1∶1范圍內(nèi)樁頂設(shè)C30混凝土樁帽，樁帽頂面尺寸1.0 m×1.0 m，厚0.5 m，樁頂嵌入其下部0.1 m。其余樁頂不設(shè)樁帽，樁頂與樁帽頂面平齊。樁帽(或樁)頂設(shè)置0.6 m厚的砂夾碎石墊層，墊層內(nèi)夾鋪兩層高強(qiáng)度土工格柵。其典型地段結(jié)構(gòu)(DK256+600斷面)如圖1所示。

2 CFG樁帽結(jié)構(gòu)數(shù)值分析

2.1 建模

圖1 CFG樁帽地基結(jié)構(gòu)示意(單位:m)

以DK256+600斷面為原型，采用ANSYS程序?qū)FG樁帽地基進(jìn)行二維數(shù)值分析。為建模簡便，僅對樁帽地基結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，水平寬度取3倍加固區(qū)寬，垂直方向自地面以下取2倍樁長［4-7］。二維平面內(nèi)樁體計算寬度根據(jù)平面法線方向單位厚度內(nèi)樁體體積大小換算得出，本例取0.13 m，樁長取30 m。樁體及樁帽材料假設(shè)為線彈性體，土體及褥墊層材料用Drucker-Prager彈塑性模型來模擬［8］。為使模型更切合實際，對土體進(jìn)行了分層處理。邊界條件為左右兩側(cè)約束水平方向位移，底邊為固定約束。

2.2 材料參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)勘探及相關(guān)參考資料，各層材料計算參數(shù)取值見表1。

2.3 計算結(jié)果分析

計算時將3.5 m高預(yù)壓土荷載(相當(dāng)于列車荷載)連同路堤填土換算成203 kPa均布荷載后施加于地基上。分別對有CFG樁加固和無CFG樁加固兩種工況進(jìn)行求解分析。

2.3.1 應(yīng)力分析

計算得出地基中心處有樁地基中樁身、樁間土附加應(yīng)力以及無樁地基土體附加應(yīng)力分布，如圖2所示。

表1 各層材料計算參數(shù)

計算結(jié)果表明，無樁地基附加應(yīng)力最大為200 kPa左右，由上向下逐漸衰減，在地面以下約43 m處減少到0.1倍自重應(yīng)力以內(nèi)。在有樁地基中，加固區(qū)內(nèi)樁間土體應(yīng)力大小在2～32 kPa之間，在樁底處應(yīng)力突然增大到84～135 kPa左右，隨后在下臥層中逐漸衰減，于樁底以下約21 m處減少到0.1倍自重應(yīng)力以內(nèi)。CFG樁身應(yīng)力大小則在1 000～2 300 kPa之間，從上向下逐漸減小。

圖2 不同工況地基附加應(yīng)力分布

通過比較可以看出，加固后樁間土體應(yīng)力大幅減少，樁中應(yīng)力遠(yuǎn)大于周邊土體應(yīng)力，說明褥墊層、樁帽有效分擔(dān)了上部荷載并將其傳遞給了CFG樁體，加固區(qū)的樁體起主要承載作用，樁土間模量置換作用明顯。樁底附近出現(xiàn)了應(yīng)力突變，下臥層土體應(yīng)力較無樁地基中對應(yīng)部位的要大，說明加固區(qū)將荷載傳遞給了下臥層，下臥層在整個復(fù)合地基中起著重要承載作用。

計算得出有樁地基中土體附加應(yīng)力大于0.1倍自重應(yīng)力的土層厚度(約21 m，加固區(qū)范圍因應(yīng)力較小忽略不計)遠(yuǎn)小于無樁地基中厚度(約43 m)，且計算附加應(yīng)力也較后者要小得多，說明加固后地基沉降量也必然會大幅減小。

2.3.2 沉降分析

求解得出的地基沉降結(jié)果如圖3所示。

計算得出地基最終沉降無加固時為124.5 mm，有加固時僅為43.5 mm，沉降減少了65%左右，加固后的地基沉降遠(yuǎn)小于相應(yīng)的天然地基沉降，沉降得到了有效控制，加固方案效果顯著。

計算得出加固區(qū)壓縮量為7.9 mm，下臥層的壓縮量為35.6 mm，下臥層壓縮量比加固區(qū)的大，所體現(xiàn)的沉降分布規(guī)律與應(yīng)力分布規(guī)律基本一致。由綜合應(yīng)力、沉降結(jié)果分析可知，在下臥層為非剛臥層情況下，下臥層變形量對總沉降貢獻(xiàn)比較大，控制地基沉降應(yīng)以控制下臥層壓縮量為主;此時需合理選擇樁長及下臥地層，一般應(yīng)將下臥層設(shè)置在地質(zhì)條件較好、壓縮模量較大地層，以達(dá)到減少地基總沉降的目的。

圖3 地基沉降等值線(單位:m)

3 實測沉降結(jié)果

該車站地基處理2009年5月完成，土方填筑當(dāng)年10月填完，預(yù)壓土堆載2009年11月中旬完成，2010年5月下旬卸載。地基沉降通過設(shè)置在地基中線上的沉降板觀測，測點縱向間距50 m。該站共設(shè)沉降觀測截面39個，堆載預(yù)壓6個月后地基沉降觀測值在5～9 mm之間，采用雙曲線法預(yù)測工后沉降為1～2 mm。圖4為DK256+600斷面沉降觀測實測及最終沉降推測曲線，推算得出該斷面地基最終沉降值為7 mm左右，預(yù)測工后沉降在1 mm左右。

圖4 DK256+600斷面S—t曲線

該車站地基沉降實測數(shù)據(jù)表明，加固后沉降量相當(dāng)小，預(yù)測工后沉降遠(yuǎn)小于設(shè)計允許值(15 mm以內(nèi))，樁帽結(jié)構(gòu)加固軟基實際運(yùn)用效果很好。

有限元計算出的最終沉降值為43.5 mm，實測沉降推算值僅為7.0 mm，二者差異較大，主要原因有以下幾點:

1)地基土層計算參數(shù)的選值往往與實際存在偏差，這是導(dǎo)致理論計算與實際觀測結(jié)果出入較大的主要原因，也是目前影響土工理論計算精確度的主要因素。

2)有限元計算分析手段存在一定局限性，未能充分考慮樁土摩擦、擠壓、固結(jié)等因素，計算模型與實際地質(zhì)、物理模型有一定出入。

3)沉降觀測采用沉降板法，于地基處理后才開始觀測，地基處理過程中的瞬時沉降未包括在實測數(shù)據(jù)內(nèi)，從而導(dǎo)致預(yù)測總沉降值偏小。

總之，從目前計算方法及分析手段來看，要想準(zhǔn)確計算出地基沉降值仍存在較大困難，因此需采取理論計算與現(xiàn)場實測相結(jié)合的方法，從多方面入手來提高地基沉降確定值的可靠性。如改進(jìn)計算模型及方法，使之盡可能與實際相符;加強(qiáng)地基土工試驗研究，獲取更準(zhǔn)確的地層參數(shù);改進(jìn)沉降觀測手段，提高沉降觀測的準(zhǔn)確性;堅持長期觀測，做好地基沉降數(shù)據(jù)積累，為類似工程的沉降預(yù)測提供參考等。

4 結(jié)語

1)數(shù)值分析結(jié)果表明，CFG樁帽結(jié)構(gòu)改變了地基中應(yīng)力分布狀態(tài)，降低了樁間土體附加應(yīng)力，部分荷載通過樁傳遞至下臥層，下臥層在整個復(fù)合地基中起著重要承載作用。

2)計算結(jié)果表明，復(fù)合地基加固區(qū)的沉降壓縮量很小，地基總沉降大小主要取決于下臥層的沉降壓縮量，因此合理選擇樁長及下臥層，是控制總沉降大小的關(guān)鍵。

3)計算結(jié)果表明，加固后的地基沉降要遠(yuǎn)小于相應(yīng)的天然地基沉降，沉降量減少達(dá)65%左右。車站各斷面實測沉降量相當(dāng)小，預(yù)測工后沉降在2 mm以內(nèi)，樁帽結(jié)構(gòu)加固軟基實際運(yùn)用效果很好。

4)數(shù)值分析結(jié)果雖然與實測結(jié)果差異較大，但其所體現(xiàn)出的復(fù)合地基承載規(guī)律是合理可信的。與解析方法相比，數(shù)值法在定性分析上具有一定優(yōu)勢。如何減小計算誤差，提高其定量分析精確度，有待今后進(jìn)一步研究。

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