蔡冬軍，謝 文

(重慶中設(shè)工程設(shè)計(jì)股份有限公司，重慶 400023)

?

CFG樁處理山區(qū)公路軟基的主要影響因素分析

蔡冬軍，謝 文

(重慶中設(shè)工程設(shè)計(jì)股份有限公司，重慶 400023)

CFG樁處理山區(qū)公路后，其復(fù)合地基承載力、沉降量受較多因素影響。在路堤荷載作用下，常規(guī)理論方法難以分析其影響因素變化時(shí)應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律。主要利用有限元軟件PLAXIS對(duì)山區(qū)高速公路CFG樁復(fù)合地基處理及路堤填筑施工進(jìn)行模擬，通過對(duì)CFG樁樁長(zhǎng)、樁間距以及復(fù)合地基褥墊層厚度這3個(gè)影響因素的變化進(jìn)行對(duì)比分析，總結(jié)出各影響因素對(duì)CFG樁復(fù)合地基沉降量的影響規(guī)律，分析得出復(fù)合地基中CFG樁樁長(zhǎng)、樁間距及褥墊層厚度的合理取值范圍。最終為實(shí)際工程中CFG樁復(fù)合地基的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

道路工程；軟土地基；CFG樁復(fù)合地基；沉降量；路堤荷載；有限元分析

西南山區(qū)軟土地基特點(diǎn)與沿海及內(nèi)陸平原地區(qū)軟基不同，受山地地形限制，山區(qū)軟基具有復(fù)雜多樣的破壞形式和變形特征，且施工過程中復(fù)雜氣候、水文、地質(zhì)等新問題更是日益突出，使得在公路工程建設(shè)中對(duì)山區(qū)軟土地基處理研究成為具有代表性的技術(shù)難題。

目前，軟基處理方案多種多樣，筆者主要利用有限元軟件PLAXIS對(duì)山區(qū)高速公路CFG樁復(fù)合地基處理及路堤填筑施工進(jìn)行模擬，通過分析其水平豎直位移變化規(guī)律，為實(shí)際工程中CFG樁復(fù)合地基的設(shè)計(jì)施工提供參考依據(jù)[1]。

1 工程概況

貴州山區(qū)某高速公路工程中某段路線穿越耕地，場(chǎng)區(qū)為溶蝕～侵蝕低中山地貌，場(chǎng)區(qū)地表灌木叢生，植被較發(fā)育。

路段場(chǎng)區(qū)出露地層為第四系殘坡積層(Qe1+d1)亞黏土、軟黏土，下伏基巖為二疊系下統(tǒng)茅口組(P1m)灰?guī)r，且?guī)r層綜合產(chǎn)狀為322°<26°。

場(chǎng)區(qū)填方路基范圍內(nèi)軟土深度為5～10 m，呈灰褐色軟黏土，高含水量且承載力低，易導(dǎo)致路基填方產(chǎn)生較大沉降及邊坡失穩(wěn)。

經(jīng)工程中地質(zhì)勘測(cè)資料顯示，揭露土層如下：

1)粉質(zhì)黏土(Qel+dl)：可塑狀灰黃色，少許黃色，頂部覆有耕土，含少量植物根系，為頂部硬殼層，勘測(cè)鉆探資料顯示厚度為2～4.5 m。

2)淤泥質(zhì)土(Qel+dl)：含灰色、灰黑色，流塑狀到軟塑狀過渡，內(nèi)有比例為10%～20%碎石，粒徑為1～10 mm間，由強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖主要組成，場(chǎng)區(qū)內(nèi)均有分布，經(jīng)勘測(cè)鉆探，其厚度為3～12 m。

3)碎石土(Qel+dl)：灰黑色、含少許灰色，大部分為泥質(zhì)粉砂巖鈣質(zhì)泥巖組成，粒徑在40～80 mm間，結(jié)構(gòu)大部為松散狀。濕至飽和含水，場(chǎng)區(qū)內(nèi)均有分布，經(jīng)勘測(cè)鉆探，其厚度為2～9.0 m。

4)含碎石粉質(zhì)黏土(Qel+dl)：大部分呈黃色可塑狀，從流塑到軟塑狀過渡，由砂巖及泥質(zhì)粉砂巖組成，其中碎石比例為25%～40%，一般分布在低洼路段，厚度在0～10 m間。

原設(shè)計(jì)中采用振動(dòng)沉管碎石樁來處理本路段軟土地基，但處理效果較差。后經(jīng)綜合分析，考慮采用CFG樁復(fù)合地基進(jìn)行比對(duì)設(shè)計(jì)。故建立如下有限元模型進(jìn)行計(jì)算分析。

2 有限元計(jì)算模型

結(jié)合上述工程現(xiàn)場(chǎng)，針對(duì)CFG樁復(fù)合地基中CFG樁樁長(zhǎng)、樁間距、褥墊層厚度這3個(gè)因素的變化對(duì)復(fù)合地基中水平豎直位移變化的影響進(jìn)行有限元模擬分析并總結(jié)出其變化規(guī)律[2-3]。

2.1 模型幾何參數(shù)

根據(jù)CFG樁復(fù)合地基的組成特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際施工現(xiàn)場(chǎng)，建立如圖1的有限元分析模型。

圖1 有限元計(jì)算模型Fig.1 Finite element model

有限元分析模型組成結(jié)構(gòu)為：

1)模型采取半幅路堤，高度為h1=5 m；頂面寬度為B=13.5 m；路堤邊坡坡率為n=1∶1.5；路堤坡底地基寬度L1=21 m。

2)設(shè)置級(jí)配碎石褥墊層，厚度為0.4 m。

3)CFG樁復(fù)合地基加固區(qū)，深度為h2=10 m。

4)CFG樁復(fù)合地基持力層其深度h3=10 m。

5)CFG樁復(fù)合地基中CFG樁樁長(zhǎng)為11 m，樁徑d=0.4 m，樁間距S=1.4 m。

2.2 模型材料參數(shù)

土體參數(shù)見表1，CFG樁參數(shù)見表2。

表1 模型中土體參數(shù)

表2 CFG樁各項(xiàng)參數(shù)

2.3 本構(gòu)模型邊界條件及荷載

在有限元PLAXIS軟件模擬施工過程中，假設(shè)條件為：

1) 根據(jù)路基橫截面的對(duì)稱性，建立模型時(shí)只計(jì)算半幅路基。計(jì)算時(shí)，取水平向?qū)挾葹?0 m，豎向高度為25 m。經(jīng)反復(fù)計(jì)算，地表下20 m處附加應(yīng)力遠(yuǎn)小于自重應(yīng)力，故選擇此模型合理。

2) 模型中約束條件選為標(biāo)準(zhǔn)邊界約束條件，即模型左右邊界兩側(cè)為水平約束條件，模型底部邊界則為完全約束。

3) 地下水位對(duì)模型產(chǎn)生的影響忽略不計(jì)。

4) 模型中屈服準(zhǔn)則采取摩爾-庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則，且選用摩爾-庫倫理想彈塑性本構(gòu)關(guān)系。

5) CFG樁采用板單元進(jìn)行模擬。

6) CFG樁與土體接觸采用(Interface Element)接觸單元模擬；接觸面單元采用無厚度的Goodman單元，采用理想彈塑性的Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則，在加固區(qū)范圍內(nèi)，樁土接觸面剛度為29 kN/m，持力層范圍樁土接觸面剛度為52 kN/m。

7) 采用接觸單元模擬樁土接觸面作用性狀，土體間的界面強(qiáng)度折減因子系數(shù)為0.67，樁土間的界面強(qiáng)度折減因子系數(shù)為0.58[4]。

有限元計(jì)算模型網(wǎng)格劃分見圖2。

圖2 有限元Plaxis計(jì)算模型網(wǎng)格示意Fig.2 Plaxis finite element calculation model of grid

3 CFG樁復(fù)合地基施工階段數(shù)值模擬及結(jié)果分析

利用有限元PLAXIS軟件對(duì)CFG樁復(fù)合地基進(jìn)行施工模擬[5]，具體施工步驟為：模擬地層初始應(yīng)力狀態(tài)→施工CFG樁→鋪設(shè)褥墊層→分層填筑路堤。

施工過程中的有限元模型計(jì)算過程如下[6]。

3.1 模擬地層初始應(yīng)力狀態(tài)

首先調(diào)整重力系數(shù)∑Mweight=1，再施加重力，產(chǎn)生初始應(yīng)力場(chǎng)。這一步驟產(chǎn)生的位移將在下一步驟計(jì)算時(shí)歸0。

3.2 施工CFG樁

當(dāng)?shù)鼗惺┕FG樁時(shí)，加固區(qū)產(chǎn)生了沉降，由圖3可知其中最大豎直位移值為11.97mm。且CFG樁的施工導(dǎo)致一定范圍內(nèi)的路基出現(xiàn)向上隆起。

圖3 施工完CFG樁后沉降等值云圖Fig.3 Settlement equivalent cloud after constructed CFG pile

3.3 施工鋪設(shè)褥墊層

在對(duì)CFG樁施工完畢后，在樁頂鋪設(shè)40cm厚的級(jí)配碎石褥墊層。由圖4可見，施工褥墊層時(shí)產(chǎn)生的最大沉降位移值為1.92 mm，累積豎直位移為13.89 mm。

圖4 施工完褥墊層后沉降等值云圖Fig.4 Settlement equivalent construction of finished cushion

3.4 分層填筑路堤

鋪筑褥墊層后，對(duì)路堤進(jìn)行分層填筑。模型中路堤高度為4.6 m，分9層進(jìn)行填筑，第一層填筑高度為0.6 m，后8層每層為0.5 m。圖5為分層填筑5層后模型沉降等值云圖。由圖5可知，此時(shí)最大豎向位移發(fā)生在路堤中心處，產(chǎn)生的最大沉降值為8.66 mm。累積沉降值為22.55 mm。

圖5 第5層路堤填筑完后沉降等值云圖Fig.5 Settlement equivalent cloud after the fifth layer of embankment

3.5 路堤填筑結(jié)束

在分層填筑完路堤后，觀測(cè)其沉降云圖(圖6)，在路堤中心出產(chǎn)生最大沉降，此步驟產(chǎn)生的最大沉降值為13.12 mm。累積沉降值為35.67 mm。

圖6 分層填筑完路堤后沉降等值云圖Fig.6 Settlement equivalent cloud after finished filling embankment

經(jīng)過上述有限元分析軟件PLAXIS在路堤荷載作用下對(duì)CFG樁復(fù)合地基處理軟基的施工模擬[7]，可得如下的變形規(guī)律：

1)由模擬施工過程結(jié)束后由最終垂直位移可知：上部路堤的豎直位移大于下部路堤的豎直位移，水平方向上則是路堤兩邊的豎直沉降量要比中間沉降量小。同時(shí)，在樁體作用下，樁周土體沉降量也要小于樁頂處土體的沉降量。故當(dāng)復(fù)合地基承受荷載施加作用時(shí)，CFG樁起到減少加固區(qū)土層沉降量的作用。

2)分析模擬施工過程結(jié)束后水平位移圖可知：路堤水平位移由中心至邊坡處逐漸增大，由路堤頂面處到底面逐漸增大。復(fù)合地基中，隨著地基深度的增大，水平位移逐漸增大，在樁底加固區(qū)與持力層接觸面達(dá)到最大值。

3)分析路堤填筑后產(chǎn)生的土體有效應(yīng)力云圖可知：在路堤荷載作用下，土體有效應(yīng)力隨地基深度增大而增大。樁體模量與土體模量差值較大，故導(dǎo)致樁體與樁周土體產(chǎn)生不均勻沉降?？捎蓤D3～圖6知，復(fù)合地基中樁承擔(dān)大部分荷載作用，故樁周土體的有效應(yīng)力要小于樁端頂處有效應(yīng)力。

4 不同加固形式下的加固效果分析

在路堤荷載作用下CFG樁復(fù)合地基變形及受力易受諸多因素影響[8-9]。筆者運(yùn)用PLAXIS軟件對(duì)CFG樁復(fù)合地基中樁長(zhǎng)、樁間距、褥墊層厚度變化分別進(jìn)行對(duì)比分析，當(dāng)分析某一因素對(duì)復(fù)合地基工作形狀影響時(shí)，保持原模型其他參數(shù)不變，通過分析結(jié)果可以更好的認(rèn)識(shí)CFG樁復(fù)合地基加固軟基時(shí)的工作性狀[10-12]。

4.1 CFG樁樁長(zhǎng)變化分析

計(jì)算時(shí)保持模型其他參數(shù)不變，僅變化CFG樁樁長(zhǎng)，分別取10，11，12 m。經(jīng)有限元PLAXIS軟件分析，得到模型中路基表面、路基中部CFG樁水平位移、豎直位移變化數(shù)據(jù)，繪制成變化曲線圖。圖7為不同CFG樁樁長(zhǎng)填筑路基時(shí)路堤底部水平、垂直位移分布。

圖7 樁長(zhǎng)變化對(duì)路基表面豎直、水平位移影響分析Fig.7 Influence analysis of length variation on vertical and horizontal displacement of roadbed surface

由圖7可知，當(dāng)CFG樁樁長(zhǎng)從10～11 m變化時(shí)，土體水平豎直位移減小幅度較大；但當(dāng)樁長(zhǎng)從11～12 m變化時(shí)，水平豎直位移變化幅度較小。故當(dāng)復(fù)合地基中樁長(zhǎng)增大到一定長(zhǎng)度時(shí)，再增加樁長(zhǎng)對(duì)減小復(fù)合地基水平位移、沉降量效果不大，從經(jīng)濟(jì)因素上考慮屬于浪費(fèi)。從控制復(fù)合地基位移變化的角度看，設(shè)置樁長(zhǎng)時(shí)有臨界樁長(zhǎng)，在其他條件一定的情況下，此臨界樁長(zhǎng)與上部荷載附加應(yīng)力影響范圍有關(guān)，當(dāng)樁長(zhǎng)超過應(yīng)力影響范圍時(shí)，樁體長(zhǎng)度對(duì)控制沉降的作用就可以忽略了。

4.2 CFG樁樁間距變化分析

計(jì)算時(shí)保持模型其他參數(shù)不變，僅變化CFG樁樁間距，分別取1.2，1.4，1.6 m。經(jīng)有限元PLAXIS軟件分析，得到模型中路基表面、路基中部CFG樁水平位移、豎直位移變化數(shù)據(jù)，繪制成變化曲線圖。圖8為不同CFG樁樁間距填筑路基時(shí)路堤底部水平垂直位移分布。

圖8 樁間距變化對(duì)路基表面豎直、水平位移影響分析Fig.8 Influence analysis of pile spacing change on vertical and horizontal displacement of roadbed surface

由圖8可知，當(dāng)樁間距從1.2～1.6m逐漸變化時(shí)，路基表面水平位移隨著樁間距的增大而增大，路基表面豎直位移變化量較小。故當(dāng)復(fù)合地基中樁間距設(shè)置為一定值時(shí)，再減小樁間距，增多樁體數(shù)量從沉降分析、施工技術(shù)及施工成本上考慮無必要。

4.3 復(fù)合地基褥墊層厚度變化分析

計(jì)算時(shí)保持模型其他參數(shù)不變，僅變化復(fù)合地基褥墊層厚度，分別取0.4，0.6，0.8 m。經(jīng)有限元PLAXIS軟件分析，得到模型中路基表面、路基中部CFG樁水平位移、豎直位移變化數(shù)據(jù)，繪制成變化曲線圖。圖9為不同復(fù)合地基褥墊層厚度填筑路基時(shí)路堤底部水平垂直位移分布。

圖9 褥墊層厚度變化對(duì)路基表面豎直、水平位移影響分析Fig.9 Influence analysis of cushion thickness on vertical and horizontal displacement of roadbed surface

由圖9可知，當(dāng)復(fù)合地基褥墊層厚度從0.4～0.8 m逐漸變化時(shí)，路基表面水平位移隨著褥墊層厚度的增大而減小，但路基表面豎直位移變化量不明顯。故當(dāng)復(fù)合地基中褥墊層厚度設(shè)置為0.4 m時(shí)，再增大褥墊層厚度，從水平豎直位移綜合分析及經(jīng)濟(jì)因素上考慮不劃算。

5 結(jié) 論

筆者運(yùn)用有限元PLAXIS軟件對(duì)山區(qū)高速公路CFG樁復(fù)合地基處理及路堤填筑施工進(jìn)行模擬，并進(jìn)一步分析在復(fù)合地基樁長(zhǎng)、樁間距及褥墊層厚度因素變化時(shí)路基的水平豎直位移變化規(guī)律，最終為實(shí)際工程中CFG樁復(fù)合地基的設(shè)計(jì)施工提供參考依據(jù)。通過以上分析過程，可得結(jié)論如下：

1)樁長(zhǎng)從10 m增加到11 m時(shí)，復(fù)合地基中土體水平豎直位移減小幅度較大，樁長(zhǎng)繼續(xù)增加到12 m時(shí)，水平豎直位移減小幅度不明顯。故當(dāng)復(fù)合地基中樁長(zhǎng)增大到一定長(zhǎng)度時(shí)，再增加樁長(zhǎng)對(duì)減小復(fù)合地基水平位移、沉降量效果不大，故此工程中樁長(zhǎng)合理長(zhǎng)度為11 m。

2)當(dāng)復(fù)合地基中樁間距從1.2～1.6 m逐漸變化時(shí)，路基表面豎直位移變化量較小，路基表面水平位移隨著樁間距的增大而增大。理論上應(yīng)盡量減小樁間距以控制路基表面豎直水平位移，但綜合分析，過小的樁間距會(huì)導(dǎo)致成本費(fèi)用增加和施工技術(shù)難題，故現(xiàn)場(chǎng)施工建議合理樁間距為1.4 m。

3)模擬施工時(shí)，褥墊層厚度從0.4→0.6→0.8 m變化過程中，路基表面水平位移隨褥墊層厚度的增大而減小，但路基表面豎直位移變化量并不明顯。故從路基總沉降量、施工技術(shù)及施工成本考慮，褥墊層厚度設(shè)置在0.4 m時(shí)能達(dá)到最佳效果。

[1] 龔曉南.復(fù)合地基理論及工程應(yīng)用[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2002. Gong Xiaonan.The Theory and Application of Composite Foundation[M].Beijing:China Architecture and Building Press,2002.

[2] 李煒,周暉.CFG樁復(fù)合地基墊層設(shè)置有限元分析[J].西部探礦工程,2006(7)：37-39. Li Wei,Zhou Hui.CFG pile composite foundation is provided for finite element analysis[J].West-China Exploration Engineering,2006(7):37-39.

[3] 吳勝坤.對(duì)公路軟基常用處理方法及效果評(píng)價(jià)[J].廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2006,5(1)：27-29. Wu Shengkun.Treatment and evaluation of weak foundation in highway engineering[J].Journal of Guangdong Communications Polytechnic,2006,5(1):27-29.

[4] 北京金土木軟件技術(shù)有限公司.PLAXIS巖土工程軟件使用指南[M].北京：人民交通出版社,2010. Beijing Civil King Software Technology Co.Ltd.PLAXIS Geotechnical Engineering Software User Guide[M].Beijing:China Communications Press,2010.

[5] 閆明禮,張東剛.CFG樁復(fù)合地基技術(shù)及工程實(shí)踐 [M].2版.北京：中國(guó)水利水電出版社,2006. Yan Mingli,Zhang Donggang.CFG Pile Composite Foundation Technology and Engineering Practice [M].2nded.Beijing:China Water Power Press,2006.

[6] 謝康和,周健.巖土工程有限元分析理論與應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社,2002. Xie Kanghe,Zhou Jian.The Finite Element Analysis in Geotechnical Engineering Theory and Application[M].Beijing:Science Press,2002.

[7] 李海勤 CFG樁復(fù)合地基高速公路軟基處理的研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué),2007. Li Haiqin.Research on CFG Pile Composite Foundation of the Treatment of Highway Soft Soil[D].Hefei:Hefei University of Technology,2007.

[8] 熊釗.CFG樁復(fù)合地基樁土共同作用性狀研究[D].重慶：重慶大學(xué),2009. Xiong Zhao.Cooperative Work in the Composite Foundation with CFG-Pile[D].Chongqing:Chongqing University,2009.

[9] JTJ 79—2002 建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2002. JTJ 79—2002 Technical Code for Ground Treatment of Buildings [S].Beijing:China Architecture and Building Press,2002.

[10] 楊魏,王昌賢.基于PLAXIS軟件的加筋路堤的有限元分析[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2012,31(3):402-405. Yang Wei,Wang Changxian.Finite element analysis of reinforced embankment based on PLAXIS[J].Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science,2012,31(3):402-405.

[11] 熊寧,楊有海,劉剛.路堤荷載下加筋墊層加固軟土地基的有限元分析[J].蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào),2008,27(6):97-99. Xiong Ning,Yang Youhai,Liu Gang.Finite element analysis of reinforced cushion on soft soil subgrade under embankment loading[J].Journal of Lanzhou Jiaotong University,2008,27(6):97-99.

[12] 支喜蘭,韓冰.土工格柵加筋半剛性基層材料的抗彎拉及疲勞性能試驗(yàn)分析[J]重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào),2005,24(4):17-20. Zhi Xilan,Han Bing.Analysis on the fatigue and flexure-tension resistant performance of semi-rigid roadbase material reinforced by soil engineering grid[J].Journal of Chongqing Jiaotong University,2005,24(4):17-20.

Analysis of Major Factors Affecting CFG Piles Treating Soft Foundation in Mountain Highway

Cai Dongjun, Xie Wen

(Chongqing Zhongshe Engineering Design Co. Ltd., Chongqing 400023, China)

After CFG pile treated the mountain road, its composite foundation bearing capacity, and settlement were affected by many factors. Under Embankment loads, conventional theoretical approach is difficult to analyze the impact of changes in the stress-strain law factors. Finite element analysis software PLAXIS was used to simulate CFG pile composite foundation treatment and embankment construction. Through the analysis of CFG pile length, pile spacing and composite foundation cushion thickness variation, the influence of various factors on the CFG pile composite foundation settlement was summed up, and CFG pile composite foundation pile length,pile spacing and cushion thickness of a reasonable range were analyzed. Ultimately it provides theoretical basis for practical engineering CFG pile composite foundation optimized design.

road engineering; soft soil foundation; CFG pile composite foundation; settlement; embankment load; finite element analysis

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.02.08

2013-08-15；

2013-12-17

蔡冬軍(1984—)，男，湖北公安人，工程師，碩士，主要從事道路與交通工程方面的研究。E-mail：cqjtcdj@163.com。

U412

A

1674-0696(2015)02-033-06