CFG桩处理高填方软弱地基沉降分析

张 博

（中交远洲交通科技集团有限公司 山西分公司，山西 太原 030006）

引言

软土路基具有压缩程度高、固结时间长等特点。软土路基容易造成路面开裂、影响行车舒适性，严重的会造成路基滑动甚至垮塌，带来严重的后果[1]。目前针对软土路基的处理方法主要分为两类。第一类是对天然路基进行土质改良，包括预压排水固结、振密等措施，另外一类则是在软弱路基中加入增强体，包括横向增强体和纵向增强体。横向增强体主要是在软弱路基中加入土工格栅土工布等，提高软弱路基的承载力，减小不均匀沉降。纵向增强体则在土体中打入刚性桩、施作柔性桩等形成复合地基，提高土体的模量达到减小沉降的目的[2-3]。目前针对软弱路基的处理研究也得到了不少的成果。黄生根等研究了有桩帽CFG桩的承载能力、受力特性和桩土之间的相互作用关系[4]。付广新以数值模拟为手段，研究了高填方路堤桩-网复合地基的受力特征及沉降特性面，为桩土复合地基的数值研究提供了一定的参考[5]。随着研究的深入，运用桩处理地基的技术得到了一定的提升，并逐渐用于更多的基础工程。CFG桩在处理软弱地基中具有桩体作用、挤密作用、褥垫层作用[6-7]。

1 工程概况

某拟建双向四车道高速公路区段为填方路段，道路路基宽为20 m，填方坡率为1∶1.5，填方高度为10 m。其下为深厚的软弱路基，不能达到路基的设计要求，需要对其进行处理。该软弱路基第一层土为8.5 m厚的软塑粉质黏土，其下为强风化砂岩和中风化砂岩。岩层基本水平，属于典型的沉积岩地层构造。根据地勘报告其岩层参数见表1。

表1 土层参数

为了处理道路路基使其满足设计要求，采用CFG桩对软弱地基进行处理加固，采用梅花形布置，根据《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）的要求，桩端应进入持力层深度宜为桩身直径的1～3倍，因此本次桩长拟定为10 m。CFG桩的参数分析模拟方案见表2。

表2 CFG桩模拟方案参数

2 有限元模型建立

在有限元模型的分析过程中，为了消除边界对模型计算的影响，在路堤两侧各取40 m宽。同时为了避免填方体一次性填筑对计算带来的误差影响，以及考虑对施工过程影响，建立模型见图1。

图1 模型（m）

根据桩土的不同性质，采用不同的材料本构模型进行模拟。桩在实际工程中处于弹性受力状态，因此选用各向同性的弹性本构模型进行模拟。软塑黏土和砂岩符合摩尔库伦屈服准则，采用摩尔库伦本构模型。碎石垫层及填方土体同样采用M-C准则。各材料的参数取值见表3。

表3 模型参数

该填方路堤在纵向上的边界条件和受力基本没变化，因此可将该问题简化为平面应变问题。在边界设置上，由于由地基土体的约束，认为地基土在水平方向上是不产生位移的，因此左右边界约束其水平位移，可发生竖向沉降位移。底部边界水平和竖向均限制位移。在网格划分中，垫层网格大小控制为0.2 m，填土和粉质黏土土层网格大小为0.5 m，下部基岩层为1 m，中间线条为过渡长度。网格划分模型见图2。

图2 有限元计算模型

3 有限元模拟结果分析

3.1 施工阶段模拟

根据实际施工过程将该填方路堤的施工过程进行阶段模拟，见表4。

表4 CFG桩施工阶段模拟说明

3.2 路基顶面沉降分析

根据建立的模型得到在不同桩径、不同桩间距的设计参数下，填方路堤地表沉降曲线，见图3～图5。

图3 路基顶面沉降曲线（桩径0.4 m）

图4 路基顶面沉降曲线（桩径0.5 m）

图5 路基顶面沉降曲线（桩径0.6 m）

从图3～图5可以看出，在不同桩径桩间距下，路面地表的沉降都呈现为U字形，道路中线附近的路面沉降值最大，并向道路边缘递减，在道路边缘处的地表沉降值最小。究其原因，在初始地应力平衡之后，原状地基土已经达到平衡状态。在路堤填筑过程中，下部软弱地基会在填土的重力下进一步受力，土体中的空隙水进一步被排出，土颗粒之间的间隙会被进一步压缩，从而发生固结沉降，宏观表现为地表的下沉。由于路中央的填土受到周围土体的横向约束，土体无法发生较大的水平位移，土颗粒只能发生竖向的移动，因此路中央的地表沉降量最大。越靠近路边缘的土颗粒水平向约束力越弱，因此土颗粒的部分位移转化为横向位移，从而表现为地面的水平位移，尤其是在坡脚处表现更为明显。

分析图3可知，当桩间距为1.6 m时，道路中心线处的路基顶面沉降值为73.11 mm，道路边缘处的路基顶面沉降为60.91 mm，横向路基顶面沉降差值为12.20 mm。同样当桩间距分别为2.0 m和2.4 m时，横向路基顶面沉降差值为13.39 mm、13.80 mm，这说明随着桩间距的增大，道路中线和道路边缘的沉降差值也逐渐增大。

由图3可以得出，从道路中线至距路中线左右6 m的位置，地表的沉降都比较接近。而在距路中线6 m至路边缘的范围内，地表的沉降较路中心线出现了大幅度减小。此U形曲线出现拐点的位置并非固定，这与填土的弹性模量和泊松比等具有一定关系。

从图3～图5还可以看出，桩间距为1.6 m时路面的沉降最小，其次是2.0 m，桩间距为2.4 m时沉降最大，这说明随着桩间距的增大，路面的沉降也逐渐变大。并且桩间距从1.6 m到2.0 m，沉降变化很大，2.0 m和2.4 m的桩间距沉降差异较小。

3.3 桩顶沉降分析

从图6～图8可以看出，在不同桩间距参数下，桩顶的沉降位移变化曲线并不一致。

从图6可以看出，在桩间距为1.6 m时，从道路边缘到道路中线至右边缘，桩顶的沉降位移总体呈现出W形分布，在道路中心线和道路边线处的桩顶位移较大。道路中心处的中心桩顶沉降为3.85 mm，道路边缘处的边桩沉降为5.5 mm，其中-13号桩的桩顶沉降最大为13.7 mm，沉降差值约为9.85 mm。

从图7可以看出，在桩间距为2.0 m的设计下，桩顶沉降位移表现出明显的变化规律。道路中心的中心桩沉降最大，为13.98 mm。随着与道路中线的距离增加，桩顶沉降位移逐渐减小，边桩处的桩顶位移最小为3.78 mm，沉降差值为10.20 mm，这与路面的沉降趋势一致。

从图8可以看出，在桩间距为2.4 m时，桩顶的沉降位移也表现出上下波动的变化趋势。中心桩的桩顶沉降位移为10.34 mm，边桩沉降为5.14 mm，最大桩顶沉降为13.71 mm，沉降差为8.57 mm。

图6 桩顶沉降曲线（桩间距1.6 m）

图7 桩顶沉降曲线（桩间距2.0 m）

图8 桩顶沉降曲线（桩间距2.4 m）

根据复合地基的弹性模量计算方法可知，不同桩径、桩距下的复合地基模量不一样，从而导致不同桩径桩间距下的复合地基的沉降不一样。表现为路面沉降和桩顶沉降都存在一定的差异。看出桩顶的沉降差异并不大，说明在该桩径桩间距的设计工况下对桩顶的沉降影响不大。

4 结语

（1）在不同的桩径桩间距下，路面沉降曲线为U形，道路中线沉降最大，并向道路边缘递减，在道路边缘处的地表沉降值最小。（2）桩间距1.6 m时沉降最小，桩间距2.0 m和2.4 m的沉降较大且比较接近。随着桩间距的增大，道路中线和道路边缘的沉降差值也逐渐增大。（3）由于桩径桩间距以及桩位置的不同，使CFG桩加固软弱地基的弹性模量不一样，桩顶沉降的变化趋势不一致，但桩顶沉降差别不大。