型钢混凝土桩加固复合地基沉降计算分析

任文化 ，董 立龙，杨陆化，王连广

（1.中铁七局集团第二工程有限公司，辽宁 沈阳 110004；2.东北大学 资源与土木工程学院，辽宁沈阳 110819）

桩基础由于其刚度大、整体性好、稳定性高、可预制的特点，在对软土地基的加固中优势显著。常用的加固桩体有CFG桩、钢筋混凝土桩、预应力管桩等。以软土地基处理方式为研究对象，总结了置换填料、反压护道以及桩基加固各自的适用条件，并利用预应力管桩、水泥搅拌桩分别对软土地基进行深层加固。采用CFG桩对软土路段进行加固，建立了复合地基的平面应变模型。结合实际工程项目，提出利用预应力混凝土管桩对软土地基进行处理的方案。结合湿陷性黄土地区对埋入式桩-板结构路基进行研究，利用有限元软件ABAQUS建立实体仿真模型，研究承台厚度、桩径、桩长的改变对桩体承载力和路基沉降的影响。目前，桩基加固的施工方式还停留在钻孔灌注等现场浇筑的形式[5-6]，这种方式不仅工艺复杂而且在施工过程中不好把握成桩质量，对环境也有较大的影响。型钢混凝土桩具备型钢与混凝土两种材料的双重性能，能够保证成桩质量并减弱施工对环境的影响。为此。本文采用预制型钢混凝土桩对软土地基进行加固，并利用有限元软件ABAQUS模拟加固后路基土体的沉降。

1 模型建立

1.1 尺寸与单元

桩长选用9m、桩径选用0.6m、桩间距选用3m。加固模型的路基填筑断面图和网格划分示意图，见图1。地基土体以及路基填料采用六面体结构化网格、八结点六面体单元C3D8P。桩体采用六面体结构化网格、八结点六面体单元C3D8。型钢采用六面体扫掠网格、八结点六面体单元C3D8。

图1 网格划分示意图

1.2 本构模型及材料属性

桩体采用线弹性模型，混凝土强度等级采用C30，弹性模量采用30000MPa。级配碎石、弱冻胀AB组填料、AB组填料以及ABC组填料采用修正Drucker-Prager帽盖模型。对于玄武岩和粉质黏土分别采用线弹性模型和修正剑桥模型。

1.3 边界条件及荷载施加

采用“杀死单元”的形式移除路基填土网格和桩体网格，每填筑一层填料，便激活一层网格。在初始分析步约束地基左右两侧边界水平位移，约束底部边界的水平位移、竖直位移，约束前后两侧边界的轴向位移，并依次向后续分析步传递。在地应力平衡分析步设置地基上表面与填料的下表面为排水边界，孔压为0，并依次向后续分析步传递。

2 型钢混凝土桩和普通混凝土桩加固地基对比分析

采用相同设计参数的普通混凝土桩和型钢混凝土桩加固地基沉降分布云图，见图2。普通混凝土和型钢混凝土路基模型中最大沉降值分别为12.07mm和10.06mm，模型的最大沉降位移相应降低2～3mm。这是由于型钢混凝土桩的整体刚度远远超过普通混凝土桩的刚度，能够大大增加路基下方土体的整体性与稳定性，在承受相同荷载条件下，型钢混凝土桩复合地基的沉降位移更小。

图2 混凝土桩加固地基沉降分布云图

在普通混凝土桩加固复合地基模型中，各层填料沿水平方向的沉降位移曲线，见图3（a）。采用相同设计参数的型钢混凝土桩加固复合地基模型中，各层填料沿水平方向的沉降位移曲线，见图3（b）。各层填料的沉降位移较上组模型有所增大。该组两个模型中，各层填料的沉降变化趋势基本一致，桩径的增大，使得桩土间刚度产生差异，进而导致在h=5.0m的填料层处产生微小齿状波动现象。

图3 地基加固后各填料层沉降

3 型钢混凝土桩加固复合地基参数分析

利用所建模型对型钢混凝土桩加固软土地基模型进行模拟计算，以桩长L、桩径d以及桩间距b为影响因子，并对各影响因子设置不同的设计参数，研究型钢混凝土桩基础对路基沉降的影响规律。具体模拟分组见表1。

表1 型钢混凝土桩加固地基模拟方案

3.1 桩长对路基沉降的影响

不同桩长的路基表面竖向位移沿水平方向的变化曲线，见图4。路基表面的沉降位移关于路基中线呈对称分布，沉降位移值沿路基表面中心向两侧边缘非线性减小，中心线处的沉降位移最大，两侧路肩边缘的沉降位移最小。路基表面的沉降位移随着桩长的增大逐渐减小，最终趋于稳定。当桩长为5m时，由于桩底持力层为黏土，整体刚度较小，导致路基表面产生较大的沉降位移，最大沉降值为3.7mm，最小沉降值为2.3mm。当桩长大于7m时，桩底持力层发生改变，底部整体刚度变大，使得路基表面的沉降位移基本趋于稳定，其最大沉降值在2.1mm上下浮动。

图4 路基表面沉降随桩长变化的关系曲线

3.2 桩间距对路基沉降的影响

不同桩间距的路基表面沉降位移沿水平方向的变化曲线，见图5。桩间距与路基表面沉降量呈正相关关系。这是因为随着桩间距的增大，基底刚度逐渐减小，进而导致路基整体沉降增大。不同桩径所对应的路基表面中心沉降值分别为1.545、1.896、2.107、2.541和2.855mm，桩间距每增加0.5m，路基表面中心沉降值分别增大22.72%、11.13%、20.61%和12.36%。

图5路基表面沉降随桩间距变化的关系曲线

3.3 桩径对路基沉降的影响

桩径发生改变时，路基表面的竖向位移随水平方向的变化曲线，见图6。在该模型中路基表面的沉降位移，随着桩径的增大而增大。不同桩径所对应的路基表面a中心处的沉降值分别为1.788、1.965、2.107、2.313和2.375mm。桩径每增大0.1m，路基表面中心处的沉降位移分别增大9.88%、7.22%、9.81%和2.58%。路肩边缘的沉降位移分别为0.979、1.089、1.200、1.348和1.407mm。

图6路基表面沉降随桩径变化的关系曲线

4 结语

（1）型钢混凝土桩的整体刚度远远超过普通混凝土桩的刚度，能够大大增加路基下方土体的整体性与稳定性。采用型钢混凝土桩进行加固的路基沉降比采用相同设计参数的混凝土桩的路基沉降小2～3mm。

（2）当桩底持力层刚度较小，承载力较低时，最大沉降值随着桩长的增加逐渐减小，但总体加固效果欠佳；当桩长大于软土层厚度，桩体下部持力层较为坚固时，路基的最大沉降值（9mm）趋于稳定，此时改变桩长对路基的最大沉降值不再产生明显影响。

（3）桩径和桩间距均会因为改变桩土的整体刚度而改变沉降位移，但桩径对路基沉降的影响程度小于桩间距对路基沉降的影响程度。