CFG桩复合地基对桥头基础的沉降影响研究

赵雄飞

（湖北交投武松高速公路有限公司，湖北 武汉 430011）

1 CFG桩复合地基设计原则和加固机理

1.1 CFG桩设计原则

CFG桩即水泥粉煤灰碎石桩，是将碎石、砂、水泥等材料充分搅拌混合而成，并在桩顶设置碎石垫层或水泥土垫层共同形成复合地基，将地基上方的填土荷载或车辆荷载传递至深层地基中，常用于深厚软土地基或桥头地基等对路基沉降控制严格的路段[1]。

CFG桩在设计时不能盲目地参考类似工程，而是要结合项目的具体地勘资料进行设计，同时在设计时要遵循以下原则：第一，沉降满足规范要求。经CFG桩处理后的一般路段地基工后沉降小于30mm，涵洞及通道路段地基工后沉降小于20mm，桥头路段地基工后沉降小于10mm；第二，经济性。设计人员在开展CFG桩复合地基设计时应在满足工后沉降的基础上，优化桩参数，以减少桩长，节约工程造价；第三，CFG桩的尺寸要确保施工的可行性，尽量减少施工难度，降低对公路建设工期的影响。例如，CFG桩桩长不宜过长，桩间距不能过小，桩的弹性模量不能要求过高[2]。

1.2 CFG桩设计参数

（1）桩径、桩长

振动沉管法成桩桩径宜为350～600mm，钢筋混凝土预制成桩的桩径宜为300～600mm。

CFG桩处理桥头地基时会存在有效加固长度，当超过该临界长度时，再增加桩长对地基承载力提升程度不大且不经济。根据《公路路基设计规范》（JTGD30—2015）可知，CFG桩的最大桩长不得超过30m。

（2）桩间距

桩间距主要是影响桥头地基的置换率m，从而影响CFG桩复合地基的承载力，计算公式如式（1）[3]：

式（1）中：d为CFG桩径（mm）；de为一根桩分担的处理地基面积的等效圆直径（mm），其与桩的布置形式和桩间距s密切相关。当CFG桩呈等边三角形布置时，de=1.05s；当CFG桩呈正方形布置时，de=1.13s。

（3）褥垫层

CFG桩顶应铺设一层碎石或水泥土垫层等材料实现应力扩散，与桩体共同承担上部荷载。褥垫层厚度宜取0.3～0.5m。褥垫层的粒径不宜过大，材料最大粒径通常不大于30mm。

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2 CFG桩复合地基加固机理和沉降计算方法

2.1 CFG桩加固机理

（1）桩体加固作用

CFG桩会和原土层形成复合地基，此时CFG桩可视作复合地基中的增加体，抑制土体的侧向变形。由于CFG桩增强体的强度和变形模量远大于桩间土层，承担了大部分的上部填土荷载，提高了复合地基的承载力，降低了地基的工后沉降。

（2）挤密作用

原地面CFG桩在施工期间会受到一定程度的振动和冲击，使土颗粒间的孔隙被压缩，孔隙比降低，土体体积减小而变得更加密实，这也会提高土体的压缩模量，以降低地基沉降。

（3）排水固结作用

在填土或车辆荷载等外部荷载作用下，地基中的水会不断排出，超孔隙水压力会不断消散。而水泥粉煤灰碎石桩一般透水性较好，可作为地基土的排水通道，这样会缩短排水距离，加快软弱土层的固结沉降，从而提高土体的有效应力和有效抗剪强度。此时，在相同附加应力作用下，复合地基压缩变形会比未处理前有一定程度的降低。

2.2 CFG桩复合地基沉降计算

（1）压缩模量法

压缩模量法是一项传统的复合地基沉降计算理论，公式简单，计算参数较少，计算精度也能满足工程需求。压缩模量法计算沉降就是将水CFG桩复合地基的加固区和非加固区视为一个整体，模量采用复合压缩模量（桩体压缩模量和土体压缩模量的加权值），再利用分层总和法求出各层土的沉降，最后将各层土的变形量求和得到总沉降[4]，见式（2）：

式（2）中：Hi为第i层土分层厚度（m）；ΔPi为第i层土附加应力（MPa）；Espi为第i层土当量压缩模量（MPa）。

（2）有限元法

随着计算机技术进步和有限元理论的不断成熟，有限元法在桥头复合地基沉降中的应用更加广泛。有限元法计算精确度高，能充分考虑复杂的地质情况和材料特性。利用有限元法计算CFG桩复合地基沉降时，常见的软件有ANSYS、Midas、FLAC3D、PLAXIS等，大多是将地基土视作非均质材料，将其划分成若干个分段，并在施加荷载和边界后分别求出各个分段的正应力、剪应力、变形等，最后输出CFG桩复合地基总沉降。

3 CFG桩复合地基沉降计算实例分析

为准确分析CFG桩对桥头软弱土地基的加固效果，笔者以某高速公路项目为依托，利用有限元软件MIDAS/GTS建立二维平面计算模型，分析了CFG桩加固前后的桥头地基的沉降变化规律，以评价CFG桩复合地基的处治效果。

3.1 工程概括

研究对象为双向六车道高速公路，设计速度为120km/h，路基宽度为34.5m，沿线存在大面积的软土地基且软土厚度较大。为减轻桥头跳车现象，设计人员拟对某大桥的桥头地基范围内采用CFG桩进行处治，如图1所示。CFG桩的设计参数为：CFG桩的直径为0.5m，采用正方形布置，桩间距为1.2m，桩长为变量，应结合地勘资料和沉降计算结果确定，处治范围是坡脚外1m。

图1 CFG桩处治桥头地基示意图

3.2 桥头地基计算模型建立

3.2.1 定义材料属性

材料属性是影响桥头地基沉降的关键参数，但材料属性较多，因此在对材料参数赋值时，应进行适当简化，可只定义材料密度、压缩模量、泊松比、黏聚力、内摩擦角等参数。

3.2.2 网格划分

为提高计算的精确度，利用软件进行网格划分时应尽量采用实际设计尺寸，对CFG桩及加固区范围内的土体网格进行适当加密（尺寸取0.3m），而对非加固区内的土体网格可以稍微大一些，网格尺寸取1m，共划分出3824个单元、4218个节点[5]。

3.2.3 施加约束及荷载

利用MIDAS中的load模块对桥头地基两侧施加侧向约束，仅可发生竖向压缩；模型底面进行X、Y、Z三个方向的全约束，不能移动；模型顶面为自由边界，可以在空间内任意变形。

3.3 CFG桩复合地基沉降计算结果分析

分别计算了桩长24m、28m、30m、32m、36m时CFG桩复合地基的沉降量，如图2所示。

图2 不同桩长下CFG桩复合地基沉降值

由图2可知，在相同荷载作用下，随着CFG桩桩长的增加，桥头地基的沉降不断减小，但减小速率并不是固定的。当桩长超过32m，地基沉降减小幅度开始减缓，这说明CFG桩的桩端已经到达良好的持力层。

4 结论

本文探讨了CFG桩复合地基的设计参数、加固机理、沉降计算等，主要得到以下几方面结论：（1）CFG桩复合地基的桩长、桩间距、桩径等设计时应结合地勘资料和沉降计算结果，遵循经济性、方便施工等原则；（2）CFG桩的加固机理包括桩体加固作用、挤密作用、排水固结作用，沉降计算方法主要有压缩模量法、有限元法等；（3）桥头地基的沉降会随着桩长的增加不断减小，当桩端到达持力层后其速率会降低。