铁路路堤填土柔性荷载下CFG桩复合地基沉降及桩身应力研究

荣文文

(兰州铁道设计院有限公司，甘肃兰州730000)

铁路路堤填土柔性荷载下CFG桩复合地基沉降及桩身应力研究

荣文文

(兰州铁道设计院有限公司，甘肃兰州730000)

分别采用室内模型试验和有限元数值模拟分析不带桩帽悬浮式、不带桩帽支承式、带桩帽悬浮式、带桩帽支承式4种CFG桩复合地基在路堤填土柔性荷载下的沉降和桩身应力分布规律。两种分析方法的结果均表明:设置桩帽和支承式CFG桩均可以明显减小复合地基的沉降，复合地基沉降大小不仅取决于桩间土的承载力，而且桩端持力层土的性质也起很大作用;坚硬下卧层的存在可以让桩体分担更多的荷载，使得桩体承载力在全桩长范围内得到发挥，桩端应力值增大;桩帽的设置使得桩身应力值有所增大但不如下卧层影响明显。

路堤填土柔性荷载 CFG桩复合地基 地基沉降 桩身应力 分布规律

1 室内模型试验

为更好地揭示铁路CFG桩复合地基在路堤填土柔性荷载下的受力性状及对天然地基的加固效果，室内模型试验设计了带桩帽悬浮式、不带桩帽悬浮式、带桩帽支承式和不带桩帽支承式4种CFG桩复合地基来对比分析。

根据兰渝铁路兰州枢纽北环线湿陷性黄土路段铁路路堤所采用的复合地基处理措施，确定模型试验CFG桩的桩身强度、路堤荷载的大小以及复合地基的布桩形式。复合地基原型布桩形式见图1。1.1模型试验设计

图1 复合地基原型布桩形式

根据模型与原型几何相似原理，结合实验室所能提供的模型箱的尺寸，模型的几何相似比为1∶10［4］。模型试验桩间距取15 cm，梅花形布置，共设三排桩。桩体填埋处理好后桩顶和桩间土上部布置土压力盒。原型CFG桩桩长为10 m，桩径为40 cm，方形桩帽长×宽×高为80 cm×80 cm×30 cm。模型试验预制的混凝土桩桩长100 cm，桩径4 cm，方形桩帽长×宽×高为8 cm×8 cm×3 cm。模型桩在预制前，为使应变片的受力能够准确反映桩体的变形，将贴好应变片的钢筋固定在模具的中心位置，预埋的钢筋长度同桩身的长度为100 cm，每隔20 cm在直径为6 cm的光面钢筋上粘贴2 mm×3 mm的电阻式应变片。在模型箱底部铺设5 cm厚的碎石模拟原型路堤坚硬的下卧层，试验的布桩形式见图2。

图2 室内模型试验平面布桩形式(单位:cm)

试验用土取自兰渝铁路兰州枢纽北环线湿陷性黄土路段，最大干密度为1.86 g/cm3，最优含水率为15%，压缩模量为8 MPa。按照预定的压实度分层均匀填筑并压实［5］，桩体填埋后上面铺设10 cm厚荷载传递垫层，以求与原型路堤结构形式相同。采用反力架、千斤顶和加载板来模拟路堤填土柔性荷载作用，分5级进行加载，依次为20，40，60，80和100 kPa。

1.2 模型试验结果

4种不同形式CFG桩复合地基的荷载—沉降曲线见图3。

图3 4种不同形式复合地基的荷载—沉降曲线

图4 4种不同形式CFG桩复合地基桩体深度—桩身应力曲线

图5 天然地基和CFG桩复合地基的荷载—沉降曲线

由图3可知，带桩帽复合地基的沉降小于不带桩帽复合地基，支承式复合地基沉降明显小于悬浮式。说明设置桩帽和支承式CFG桩均可以明显减小复合地基的沉降，复合地基沉降大小不仅取决于桩间土的承载力，而且桩端持力层的土的性质也起到很大作用。

对4种不同形式CFG桩复合地基在柔性荷载下桩身应力分布进行了测试。其桩体深度—桩身应力曲线见图4。由图4可知，坚硬下卧层的存在使得复合地基中桩体承担了更大的荷载，桩身应力在全桩长范围内得到发挥，桩端应力值增大，桩帽的存在也使得桩身应力值有所增大但没有下卧层的影响明显。

天然地基和CFG桩复合地基的荷载—沉降曲线见图5。由图5可知，路堤填土柔性荷载下CFG桩复合地基的加固效果明显好于天然地基。对天然地基，荷载水平达到90 kPa时沉降值为26.11 mm，此时地基土基本上丧失了承载能力。通过CFG桩加固的复合地基，当荷载水平达到100 kPa时，不带桩帽悬浮式复合地基最大沉降值为12.18 mm，不带桩帽支承式复合地基最大沉降值为7.38 mm，带桩帽悬浮式复合地基最大沉降值为11.29 mm，带桩帽支承式复合地基最大沉降值为5.96 mm，且4种CFG桩复合地基都没有破坏。荷载达到100 kPa时，4种不同形式复合地基桩身最大和最小应力值见表1。

表1 荷载100 kPa时复合地基桩身最大、最小应力值kPa

2 有限元数值模拟计算分析

2.1 模型的建立

根据柔性荷载下CFG桩复合地基室内模型试验所采用的路堤几何尺寸、地基填土、桩体、垫层等材料的各项参数确定有限元模型的相关参数［6-7］。

路基沿着线路的方向对称向两边延伸，与室内模型试验相似，按照三排桩制作了模型，数值模拟4种不同形式的CFG桩复合地基。考虑到复合地基中桩身对下卧层产生的附加应力及对下卧层沉降的影响深度，地基土的计算深度取为最大桩长的2倍［8］，原型桩长为10 m，则模型的计算深度取为20 m。有限元计算几何模型见图6。

图6 有限元计算分析几何模型(单位:m)

表2 有限元计算分析几何模型参数

图7 复合地基桩顶沉降曲线

室内模型试验模拟路堤填土柔性荷载作用分5级加载，为了与室内模型试验的加载过程相似，将原型路堤等分为5层，每层厚度1 m，依次加载作为路堤填土柔性荷载［9］。按照土压力理论，经过计算可知，路堤填土1，2，3，4，5 m时的柔性荷载值分别为20，40，60，80，100 kPa。有限元计算分析几何模型参数见表2。

2.2 有限元计算分析

中间一排桩最能反映复合地基的群桩效应，取复合地基三排桩中的中间一排桩的沉降值进行分析［9］。4种不同形式CFG桩复合地基桩顶沉降曲线见图7。由图7可见，支承式复合地基沉降明显小于悬浮式，带桩帽复合地基的沉降小于不带桩帽复合地基。说明设置桩帽和支承式CFG桩均可以明显减小复合地基的沉降。此结论与室内模型试验所得到的复合地基沉降规律相同。

当路堤填土为5 m，相当于路堤填土柔性荷载水平达到100 kPa时，不带桩帽悬浮式复合地基最大沉降值为92.54 mm，不带桩帽支承式复合地基最大沉降值为43.29 mm，带桩帽悬浮式复合地基最大沉降值为83.44 mm，带桩帽支承式复合地基最大沉降值为40.82 mm。

为了与室内模型试验结果进行对比，以路堤下最靠近路堤中心线的中间一排桩的应力平均值为研究对象进行桩身应力分析。CFG桩复合地基桩体深度—桩身应力曲线见图8。

图8 复合地基桩体深度—桩身应力

由图8可知，两种悬浮式复合地基桩身应力分布规律一致，两种支承式复合地基桩身应力分布规律一致。桩身应力峰值出现在桩身1 m附近，支承式复合地基中桩端应力明显大于悬浮式，支承式桩身应力整体上都大于悬浮式。说明坚硬下卧层的存在可以让桩体分担更多的荷载，使得桩体承载力在全桩长范围内得到发挥。桩帽的设置一定程度上提高了桩身应力，桩帽对桩身应力的分布有影响但是影响较小。此结论与室内模型试验结果基本一致。

当路堤填土为5 m，相当于路堤填土柔性荷载水平达到100 kPa时，4种不同形式CFG桩复合地基桩身最大和最小应力值见表3。

表3 荷载100 kPa时复合地基桩身最大、最小应力值kPa

3 结论

分别采用室内模型试验和有限元数值模拟分析不带桩帽悬浮式、不带桩帽支承式、带桩帽悬浮式、带桩帽支承式4种不同形式CFG桩复合地基在路堤填土柔性荷载下的沉降和桩身应力分布规律。结果表明:室内模型试验和有限元数值模拟计算分析的结果基本一致，即下卧层的存在使得复合地基中桩体承担了更大的荷载，并且使得桩身应力在全桩长范围内得到发挥，桩端的应力值增大;桩帽的设置使得桩身应力值有所增大，但不如下卧层影响明显。

［1］王炳龙.高速铁路路基工程［M］.北京:中国铁道出版社，2007.

［2］中华人民共和国铁道部.铁建设［2007］47号新建时速300～350 km客运专线铁路设计暂行规定［S］.北京:中国铁道出版社，2007.

［3］闫明礼，张东刚.CFG桩复合地基技术及工程实践［M］.北京:中国水利水电出版社，2006.

［4］薛新华，魏永幸，杨兴国，等.CFG桩复合地基室内模型试验研究［J］.中国铁道科学，2012，33(2):7-12.

［5］李海芳，龚晓南.填土荷载下复合地基加固区压缩量的简化算法［J］.固体力学学报，2005，26(1):111-114.

［6］马建林，刘俊飞，朱明，等.高速铁路CFG桩网复合地基桩土承载特性试验研究［J］.铁道建筑，2009(7):56-58.

［7］蒋宗全，曹玉新，马耀先，等.筏板式与桩帽式CFG桩数值对比分析［J］.铁道建筑，2010(12):84-86.

［8］李海芳，龚晓南.路堤下复合地基沉降影响因素有限元分析［J］.工业建筑，2005，35(6):49-52.

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(责任审编葛全红)

TU473.1

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.02.24

1003-1995(2015)02-0085-04

2014-09-10;

2014-11-25

荣文文(1981—)，男，宁夏西吉人，工程师。

CFG桩是水泥粉煤灰碎石桩的简称。它是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌合形成的高粘结强度桩，和桩间土、桩端下卧层和褥垫层一起形成复合地基。CFG桩复合地基的受力和变形特性受到基础形式、各个组成部分之间的相互关系等因素影响［1］。

随着铁路建设的发展，CFG桩复合地基广泛地应用于高速铁路的软土、湿陷性黄土地基处理中［2］。在路堤填土柔性荷载下CFG桩复合地基的工作机理不同于刚性基础下［3］，其结构形式的选取、设计计算理论以及在不同地质条件下的施工工艺都有待进一步的研究。本文以兰渝铁路兰州枢纽北环线湿陷性黄土地基处理为依托，分析研究路堤填土柔性荷载下CFG桩复合地基的沉降规律和桩身应力分布规律。首先进行路堤填土柔性荷载下CFG桩复合地基的室内模型试验研究。然后利用相似理论，采用有限元模拟计算分析方法对铁路原型CFG桩进行分析研究，最后将两者的CFG桩研究结果进行定性比较分析，总结归纳柔性荷载下CFG桩复合地基的工作性状，以期为同类型工程提供借鉴。