CFG桩在高速公路路基处理中的应用研究

2019-04-10刘

山西交通科技 2019年1期

刘

（晋中市交通建设质量安全监督局，山西晋中 030600）

CFG 桩作为在工程中常用的路基处理方法，在路基处理、建筑地基处理以及铁路路基处理中得到了广泛的应用[1-5]。国内外很多学者也对CFG 桩处理路基技术进行了研究，黄艳平、郭建新等人[2-3]采用数值模拟的方法对CFG 桩加固路基进行了分析，黄骁、林智等人[6-8]采用理论与数值方法对路基沉降位移进行了预测和分析，研究结果具有良好的指导意义。本文主要以某高速公路路基处理工程为例，采用数值模拟方法详细分析了有无CFG 桩状态下土体应力和变形变化规律。

1 工程概况

某高速公路工程K112+110—K117+220 段，全长5.11 km，为分离式路基，路基宽度为15.0 m，设计速度为100 km/h。在该标段内，存在特殊性软土，且主要分布在冲沟、农田附近，由于软土对路基沉降影响较大，拟采用换填的处置方法。

图1 路基处理示意图（单位：m）

如图1 所示，为了保证软土地基上的高速公路运行的稳定性和可靠性，需要对路基沉降进行控制，本文拟采用CFG 桩加固处理措施，同时与未采用CFG 桩加固进行对比分析。根据工程先期勘探结果，场地土体共分为6 层，修筑路基底部宽度为20 m，顶部宽度为15 m，路基高5 m，共分3 次填筑，每次填筑高度从上至下分别为碎石、AB 料和垫层，厚度分别为1.5 m、3.0 m 和0.5 m。

2 数值建模

2.1 模型建立及网格划分

图2 路基处理数值模型

如图2 所示，为路基模型图，包括无CFG 桩和有CFG 桩两种，路基顶面中心距离路堤坡脚垂直高度为5.0 m，路堤下部土体选取厚度为40.0 m，共分为6 层，依次为淤泥、粉砂、粉土、淤泥质土、粉质黏土和砂砾石，为了减小模型尺寸带来的误差，本文模型尺寸为x 轴（水平方向）取120 m，y 轴（路基走向）取单位网格长度，z 轴（竖直方向）取40 m，计算过程中在路基中心和路肩、路基坡脚对应的地面标高处设置位移监测点用于后期分析。CFG 桩的长度为25.0 m，在路基底部20 m 范围内共均匀布置13 根，桩间距为16.7 m，桩体直径为0.5 m。此外，在模型左侧、右侧和底部均施加位移边界条件，模拟工程中路基上表面均匀分布着大小为12 kN/m 的竖向荷载来近似模拟公路运营之后的车辆等荷载。无CFG 桩模型网格总数为4 846 个，有CFG 桩模型网格总数为4 987 个，桩和土体均采用实体单元。

2.2 参数选取及本构模型

为了更为贴切地模拟土体的真实受力状态，本文采用摩尔- 库伦本构模型。本文主要以K112+120为研究截面，根据工程前期勘探结果，得到土体以及CFG 的物理力学参数指标，如表1所示。

表1 土体及CFG 桩的物理力学指标

2.3 计算工况

按照该项目具体施工流程，本文在建立模型过程中共分为5 步。第一步：进行初始地应力平衡并清除初始位移，以此模拟土体长期的固结稳定状态；第二步：进行垫层（即填土③）填筑施工；第三步：进行AB 料（即填土②）填筑施工；第四步：进行碎石（即填土①）填筑施工；第五步：填筑完成之后进行荷载施加。

3 数值结果分析

3.1 两种情况下土体应力分布分析

通过对路基模型进行数值分析，得到两种情况下土体应力均为负值，表示土体受压，这与土体实际受力状态相符。对于无CFG 桩，可以看出在路堤以下部分，由于上部荷载的作用，使得同一水平线位置处路基下部土体应力远大于路基分布范围外侧的土体应力，这是由于土体受到荷载后逐渐沉降变形，路基及路基底部土体受到较大压力。而对于有CFG 桩情况，由于CFG 桩的存在，使得同一水平线位置处路基应力分布较为均匀，这是由于在荷载作用CFG桩承担了较多的荷载，从而大量分担了桩间土受力。综上所述，CFG 桩可以有效地分担上部荷载，减小桩间土应力值。

3.2 两种情况下土体竖向应力变化分析

为了准确地分析两种不同情况下的土体竖向应力变化情况，尤其是两种不同情况下不同土体深度（埋深起始点为路基上表面）的应力变化，本文对不同高度的3 处位置进行了竖向应力监测，监测深度分别为3 m、7 m、10 m、13 m、17 m、21 m、24 m 和25 m。由图3a 可知，无CFG 桩情况下，在深度为3 m 时，中线、路肩和坡脚竖向应力分别为98.6 kPa、74.5 kPa 和52.4 kPa，中线位置分别较路肩和坡脚应力大32.3%和88.2%，而在深度为25 m时，中线、路肩和坡脚竖向应力分别为267.8 kPa、248.5 kPa 和235.6 kPa，此时中线位置分别较路肩和坡脚应力大7.8%和13.7%，说明随着深度的增加，中线、路肩和坡脚三者应力值逐渐靠近。由图3b可知，有CFG 桩情况下，在任一深度处，中线、路肩和坡脚竖向应力非常接近，且任一深度处中线、路肩和坡脚三者应力差值不超过5%，说明CFG 桩能有效承担上部荷载，减小桩间土应力，且埋深越浅效果越明显。

图3 两种情况下土体竖向应力随深度的变化关系

3.3 两种情况下土体沉降变化分析

路基以及下部土体沉降是直观反映路基处理效果的重要参数，为了准确地分析两种不同情况下的土体沉降变形情况，尤其是两种不同情况下不同土体深度的沉降变化，本文对不同高度的中线、路肩和坡脚的对应点进行了竖向位移监测，监测深度分别为0 m、2.5 m、7 m、11 m、17 m 和24 m。

图4 两种情况下土体沉降随深度的变化关系

由图4a 可知，无CFG 桩情况下，在深度为0 m时，中线、路肩和坡脚沉降分别为124.2 mm、91.3 mm和60.2 mm，中线位置分别较路肩和坡脚沉降大36.0%和106.3%，而在深度为24 m 时，中线、路肩和坡脚沉降分别为23.1 mm、19.8 mm 和17.4 mm，此时中线位置分别较路肩和坡脚沉降大16.7%和32.8%，说明随着深度的增加，沉降值依次减小，且中线、路肩和坡脚三者沉降值逐渐靠近。由图4b 可知，有CFG 桩情况下，在任一深度处，中线、路肩和坡脚竖向应力非常接近，且任一深度处中线、路肩和坡脚三者应力差值不超过35%，说明CFG 桩能有效承担上部荷载，减小路基的不均匀沉降。此外，有CFG 桩情况下路基表面沉降相比于没有CFG 桩时减小50%以上。

图5 两种情况下土体沉降差值随深度的变化关系

为了更为直观地展现出有无CFG 桩两种情况下的土体沉降差值，如图5 所示，将两种情况下土体沉降差值随深度变化曲线绘制至同一张图中，可以看到，在深度0～17 m 范围内，采用CFG 桩处理路基能有效减小路基不均匀沉降。

3.4 有CFG 桩时基底沉降板处土体沉降分析

如图6 所示，为CFG 桩加固第四步和第五步两个施工步时基底沉降板处土体沉降随水平距离的变化关系，由图可知路基中心沉降量最大，坡脚处沉降最小，且沉降近似服从高斯分布，其中第四步时基底沉降板沉降为30.4 mm，第五步时基底沉降板沉降为40.4 mm。如表2 所示，为数值模拟和实测第四步和第五步基底沉降板处沉降差值对比分析表，由表可知，实测两施工步沉降差值与数值模拟差值均小于8%，也从侧面说明数值模拟结果比较可靠。