劉

（晉中市交通建設(shè)質(zhì)量安全監(jiān)督局，山西 晉中 030600）

CFG 樁作為在工程中常用的路基處理方法，在路基處理、建筑地基處理以及鐵路路基處理中得到了廣泛的應(yīng)用[1-5]。國內(nèi)外很多學(xué)者也對CFG 樁處理路基技術(shù)進(jìn)行了研究，黃艷平、郭建新等人[2-3]采用數(shù)值模擬的方法對CFG 樁加固路基進(jìn)行了分析，黃驍、林智等人[6-8]采用理論與數(shù)值方法對路基沉降位移進(jìn)行了預(yù)測和分析，研究結(jié)果具有良好的指導(dǎo)意義。本文主要以某高速公路路基處理工程為例，采用數(shù)值模擬方法詳細(xì)分析了有無CFG 樁狀態(tài)下土體應(yīng)力和變形變化規(guī)律。

1 工程概況

某高速公路工程K112+110—K117+220 段，全長5.11 km，為分離式路基，路基寬度為15.0 m，設(shè)計速度為100 km/h。在該標(biāo)段內(nèi)，存在特殊性軟土，且主要分布在沖溝、農(nóng)田附近，由于軟土對路基沉降影響較大，擬采用換填的處置方法。

圖1 路基處理示意圖（單位：m）

如圖1 所示，為了保證軟土地基上的高速公路運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，需要對路基沉降進(jìn)行控制，本文擬采用CFG 樁加固處理措施，同時與未采用CFG 樁加固進(jìn)行對比分析。根據(jù)工程先期勘探結(jié)果，場地土體共分為6 層，修筑路基底部寬度為20 m，頂部寬度為15 m，路基高5 m，共分3 次填筑，每次填筑高度從上至下分別為碎石、AB 料和墊層，厚度分別為1.5 m、3.0 m 和0.5 m。

2 數(shù)值建模

2.1 模型建立及網(wǎng)格劃分

圖2 路基處理數(shù)值模型

如圖2 所示，為路基模型圖，包括無CFG 樁和有CFG 樁兩種，路基頂面中心距離路堤坡腳垂直高度為5.0 m，路堤下部土體選取厚度為40.0 m，共分為6 層，依次為淤泥、粉砂、粉土、淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)黏土和砂礫石，為了減小模型尺寸帶來的誤差，本文模型尺寸為x 軸（水平方向）取120 m，y 軸（路基走向）取單位網(wǎng)格長度，z 軸（豎直方向）取40 m，計算過程中在路基中心和路肩、路基坡腳對應(yīng)的地面標(biāo)高處設(shè)置位移監(jiān)測點(diǎn)用于后期分析。CFG 樁的長度為25.0 m，在路基底部20 m 范圍內(nèi)共均勻布置13 根，樁間距為16.7 m，樁體直徑為0.5 m。此外，在模型左側(cè)、右側(cè)和底部均施加位移邊界條件，模擬工程中路基上表面均勻分布著大小為12 kN/m 的豎向荷載來近似模擬公路運(yùn)營之后的車輛等荷載。無CFG 樁模型網(wǎng)格總數(shù)為4 846 個，有CFG 樁模型網(wǎng)格總數(shù)為4 987 個，樁和土體均采用實(shí)體單元。

2.2 參數(shù)選取及本構(gòu)模型

為了更為貼切地模擬土體的真實(shí)受力狀態(tài)，本文采用摩爾- 庫倫本構(gòu)模型。本文主要以K112+120為研究截面，根據(jù)工程前期勘探結(jié)果，得到土體以及CFG 的物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)，如表1所示。

表1 土體及CFG 樁的物理力學(xué)指標(biāo)

2.3 計算工況

按照該項(xiàng)目具體施工流程，本文在建立模型過程中共分為5 步。第一步：進(jìn)行初始地應(yīng)力平衡并清除初始位移，以此模擬土體長期的固結(jié)穩(wěn)定狀態(tài)；第二步：進(jìn)行墊層（即填土③）填筑施工；第三步：進(jìn)行AB 料（即填土②）填筑施工；第四步：進(jìn)行碎石（即填土①）填筑施工；第五步：填筑完成之后進(jìn)行荷載施加。

3 數(shù)值結(jié)果分析

3.1 兩種情況下土體應(yīng)力分布分析

通過對路基模型進(jìn)行數(shù)值分析，得到兩種情況下土體應(yīng)力均為負(fù)值，表示土體受壓，這與土體實(shí)際受力狀態(tài)相符。對于無CFG 樁，可以看出在路堤以下部分，由于上部荷載的作用，使得同一水平線位置處路基下部土體應(yīng)力遠(yuǎn)大于路基分布范圍外側(cè)的土體應(yīng)力，這是由于土體受到荷載后逐漸沉降變形，路基及路基底部土體受到較大壓力。而對于有CFG 樁情況，由于CFG 樁的存在，使得同一水平線位置處路基應(yīng)力分布較為均勻，這是由于在荷載作用CFG樁承擔(dān)了較多的荷載，從而大量分擔(dān)了樁間土受力。綜上所述，CFG 樁可以有效地分擔(dān)上部荷載，減小樁間土應(yīng)力值。

3.2 兩種情況下土體豎向應(yīng)力變化分析

為了準(zhǔn)確地分析兩種不同情況下的土體豎向應(yīng)力變化情況，尤其是兩種不同情況下不同土體深度（埋深起始點(diǎn)為路基上表面）的應(yīng)力變化，本文對不同高度的3 處位置進(jìn)行了豎向應(yīng)力監(jiān)測，監(jiān)測深度分別為3 m、7 m、10 m、13 m、17 m、21 m、24 m 和25 m。由圖3a 可知，無CFG 樁情況下，在深度為3 m 時，中線、路肩和坡腳豎向應(yīng)力分別為98.6 kPa、74.5 kPa 和52.4 kPa，中線位置分別較路肩和坡腳應(yīng)力大32.3%和88.2%，而在深度為25 m時，中線、路肩和坡腳豎向應(yīng)力分別為267.8 kPa、248.5 kPa 和235.6 kPa，此時中線位置分別較路肩和坡腳應(yīng)力大7.8%和13.7%，說明隨著深度的增加，中線、路肩和坡腳三者應(yīng)力值逐漸靠近。由圖3b可知，有CFG 樁情況下，在任一深度處，中線、路肩和坡腳豎向應(yīng)力非常接近，且任一深度處中線、路肩和坡腳三者應(yīng)力差值不超過5%，說明CFG 樁能有效承擔(dān)上部荷載，減小樁間土應(yīng)力，且埋深越淺效果越明顯。

圖3 兩種情況下土體豎向應(yīng)力隨深度的變化關(guān)系

3.3 兩種情況下土體沉降變化分析

路基以及下部土體沉降是直觀反映路基處理效果的重要參數(shù)，為了準(zhǔn)確地分析兩種不同情況下的土體沉降變形情況，尤其是兩種不同情況下不同土體深度的沉降變化，本文對不同高度的中線、路肩和坡腳的對應(yīng)點(diǎn)進(jìn)行了豎向位移監(jiān)測，監(jiān)測深度分別為0 m、2.5 m、7 m、11 m、17 m 和24 m。

圖4 兩種情況下土體沉降隨深度的變化關(guān)系

由圖4a 可知，無CFG 樁情況下，在深度為0 m時，中線、路肩和坡腳沉降分別為124.2 mm、91.3 mm和60.2 mm，中線位置分別較路肩和坡腳沉降大36.0%和106.3%，而在深度為24 m 時，中線、路肩和坡腳沉降分別為23.1 mm、19.8 mm 和17.4 mm，此時中線位置分別較路肩和坡腳沉降大16.7%和32.8%，說明隨著深度的增加，沉降值依次減小，且中線、路肩和坡腳三者沉降值逐漸靠近。由圖4b 可知，有CFG 樁情況下，在任一深度處，中線、路肩和坡腳豎向應(yīng)力非常接近，且任一深度處中線、路肩和坡腳三者應(yīng)力差值不超過35%，說明CFG 樁能有效承擔(dān)上部荷載，減小路基的不均勻沉降。此外，有CFG 樁情況下路基表面沉降相比于沒有CFG 樁時減小50%以上。

圖5 兩種情況下土體沉降差值隨深度的變化關(guān)系

為了更為直觀地展現(xiàn)出有無CFG 樁兩種情況下的土體沉降差值，如圖5 所示，將兩種情況下土體沉降差值隨深度變化曲線繪制至同一張圖中，可以看到，在深度0～17 m 范圍內(nèi)，采用CFG 樁處理路基能有效減小路基不均勻沉降。

3.4 有CFG 樁時基底沉降板處土體沉降分析

如圖6 所示，為CFG 樁加固第四步和第五步兩個施工步時基底沉降板處土體沉降隨水平距離的變化關(guān)系，由圖可知路基中心沉降量最大，坡腳處沉降最小，且沉降近似服從高斯分布，其中第四步時基底沉降板沉降為30.4 mm，第五步時基底沉降板沉降為40.4 mm。如表2 所示，為數(shù)值模擬和實(shí)測第四步和第五步基底沉降板處沉降差值對比分析表，由表可知，實(shí)測兩施工步沉降差值與數(shù)值模擬差值均小于8%，也從側(cè)面說明數(shù)值模擬結(jié)果比較可靠。

圖6 基底沉降板處土體沉降隨水平距離的變化關(guān)系

表2 第四步和第五步基底沉降板處沉降差值對比分析

4 結(jié)論

本文主要以某高速公路路基處理工程為例，采用數(shù)值模擬方法詳細(xì)分析了有無CFG 樁狀態(tài)下土體應(yīng)力和變形變化，得到以下結(jié)論：

a）CFG 樁可以有效地分擔(dān)路基上部荷載，減小樁間土應(yīng)力值，CFG 樁的存在使得是同一水平線位置處路基應(yīng)力分布較為均勻。

b）隨著深度的增加，中線、路肩和坡腳三者應(yīng)力值逐漸靠近三者差值，且有CFG 樁情況下，任一深度處中線、路肩和坡腳豎向應(yīng)力非常接近且不超過5%，且埋深越淺效果越明顯。

c）采用CFG 樁處理路基時能有效減小路基不均勻沉降，且路基表面沉降相比于沒有CFG 樁時減小50%以上。

d）通過對比實(shí)測值與數(shù)值模擬值可知，采用CFG樁時第四步和第五施工步沉降差均小于8%，說明數(shù)值模擬結(jié)果比較可靠。