CFG桩处理软土路基沉降监测及FLAC3D模拟分析

李学军，曾祥纪

（1.汉川市公路事业发展中心，湖北 汉川 432300；2.中交路桥建设有限公司，北京 100000）

1 引言

目前，规范已经给出的地基处理方法有很多，如换填垫层、堆载法、强夯法、复合地基法等，复合地基法又包括碎石桩、水泥搅拌桩、CFG桩等。其中CFG桩的全称为水泥粉煤灰碎石桩，是在碎石桩的基础上进一步改良而来的，CFG桩在利用自身强度的同时还增加了桩间土的承载力，使得复合地基整体的力学特性得到了很大的提高[1]。目前，国内外的学者对CFG桩在软土地基中的应用研究已有了较为丰富的成果。赵明志等[2]优化了CFG桩承载时总体竖向位移的计算公式经验系数，提升了CFG桩沉降计算的精度。王帅[3]进行了不同荷载下的试验，得到了竖向位移与两种阻力之间的非线性规律，通过试验与有限元数值计算的对比验证了此规律的准确性。苗青山[4]以新建铁路湖州至杭州西至杭黄铁路连接线施工为研究背景，由于DK99+482.125~DK111+275里程段分布有软土层，预采用CFG桩对软土地基进行加固施工。

本文为研究CFG桩对复合地基变形性能的影响，基于某一工程的典型工点的沉降监测数据进行分析，同时通过FLAC 3D建立数值模型进行计算，对CFG桩加固路基的变形特性进行分析，以期对工程实践起到一定的指导作用。

2 CFG桩加固地基的基本原理

CFG桩是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌和形成的高黏结强度桩，CFG桩加固软弱地基的基本原理是使桩和桩间土通过褥垫层形成复合地基，共同承担上部荷载，从而提高地基的工程性质。CFG桩对软土地基的作用主要包括桩体作用、挤密作用和褥垫层作用。

当CFG桩复合地基受到上部荷载时，桩与桩间土首先会按照与基础的接触面积来分担荷载。由于CFG桩的变形模量远大于桩间土的变形模量，桩间土沉降比桩体沉降大，桩与桩间土产生相对位移。褥垫层在上部荷载作用下也会产生一定变形，即桩体会向上刺入褥垫层中，荷载向桩身集中的现象。由于褥垫层的压缩模量远大于桩间土的压缩模量，桩间土与褥垫层之间的相互作用力减小，上部荷载也将通过褥垫层向桩体转移。CFG桩、桩间土以及褥垫层之间相互作用，使其在受外部荷载作用的过程中具有很好的整体性。

3 CFG桩复合地基沉降监测

本文某高速公路软土路基段的地基处理工程为例。工点位于长江中游北岸，地层主要包括杂填土、淤泥、黏土等，属于典型的软土地区，考虑采取CFG桩地基处理方法对路基进行加固。

对CFG桩加固后的软土路基断面位置进行地基沉降监测，所选取的断面距离较远，可忽略其相互影响，故其结果具有一定代表性，监测内容主要包括路面沉降监测、边桩位移监测以及路基水平位移监测。

将3个断面的沉降数据分析汇总结果如表1所示。由表1可知，路基的工后沉降量占总沉降量的比值随着路基填土高度的增加逐渐降低，考虑其原因为后期填土对于早期填土起到了堆载的作用，使得早期的沉降得到了充分发展，减小了后期的工后沉降占总沉降的比值。

表1 不同断面沉降量汇总

4 CFG桩复合地基数值模拟分析

4.1 模型建立

利用FLAC 3D软件建立计算模型进行计算分析。计算模型可在保证其符合工程实际情况的基础上尽可能简化，本文考虑建立二维路基模型以简化计算，模型自上而下分别为高度为5 m的填土、厚度为2 m的素填土、厚度为6 m的淤泥、厚度为3 m的粉质黏土和厚度为20 m的黏土。上部填土的本构模型采用弹塑性模型，下部软土地基采用摩尔-库伦模型，桩体采用结构单元进行模拟，建立计算模型如图1所示。

图1 计算模型示意图

在设置模型的边界条件时，分别对前后左右4个土体边界进行约束，限制路基的水平位移。在模拟路基填土施工前，应先对路基填土单元模型进行空模型处理，并对该路基建立自平衡的初始地应力场，因为在实际工程中，路基在填土前在其自身重力作用下已发生沉降变形，土体已达到固结状态。在模拟路基填土时，再逐步激活每一级的路基填土命令流，实现模拟路基填土过程。假设在计算分析过程中不考虑施工期间的机械荷载作用。在进行数值模拟时，施工模拟的加载方式选用逐级加载的方式，每次填土高度为0.5 m。

各地层的岩土体物理力学参数取值以及CFG桩桩体参数分别如表2和表3所示。

表2 岩土体力学参数取值

表3 CFG桩桩体材料参数取值

4.2 沉降分析

通过FLAC 3D软件计算路基分层填筑过程中模型整体的应力与变形。在不同填土高度的情况下，总沉降量随着距路基中心距离的变化曲线如图2所示。

图2 不同填土高度路基沉降分布曲线

由图2可知，路基中心的总沉降量远大于路肩处的总沉降量，总沉降量随着距路基中心的距离增大而减小。总沉降量随着距路基中心的距离增大而减小这一规律随着填土高度的增加而越发明显，当填土高度为1 m时，同一平面下的总沉降量基本一致，而当填土高度为5 m时，同一平面下，路基中心点处的沉降量明显大于路肩处的沉降量。路基的水平位移随着填土的高度增加而不断增大。随着填土高度的增加，路基最大水平位移量逐渐增大，在同一填土高度时，随着距路基中心距离的增大，路基水平位移量也逐渐增大。

随着填土高度的增大，桩体的总沉降量增大，在相同的填土高度下，随着距路基中心距离的增大，桩体的沉降量逐渐减小，且桩体桩顶与桩底的沉降量基本一致，其沉降量差异最大仅为0.2 cm，说明CFG桩的沉降是桩体相对于桩间土整体向下滑动，导致桩体下沉，桩体本身并未产生较大变形。

通过对比实测值与FLAC 3D的模拟值，发现随着沉降时间的增加，实测沉降值与模拟沉降值的误差在逐渐减小，填土后期的沉降误差明显小于填土初期沉降误差，说明FLAC 3D软件在模拟路基沉降过程中的拟合效果逐渐变好，本文采用FLAC 3D计算方法对该工程的软土加固进行模拟分析是可行的。

4.3 CFG桩处理与未处理地基沉降对比

将天然路基沉降值和CFG桩复合地基加固沉降值随距路基中心距离的关系曲线如图3所示。

如图3所示，在路基填筑完成的情况下，CFG桩加固的路基沉降量远小于天然路基沉降量，且CFG桩加固的路基，其路基中心与路肩之间的差异沉降值也远小于天然路基，说明CFG桩加固路基对于减小软土路基的沉降量有着非常显著的效果。

图3 天然路基与复合路基沉降曲线对比图

5 结论

本文为研究CFG桩对复合地基变形性能的影响，基于某工程典型工点的沉降监测数据进行分析，同时通过FLAC 3D建立数值模型进行计算，对CFG桩加固路基的变形特性进行分析，所得结论如下：

1）路基的工后沉降量占总沉降量的比值随着路基填土高度的增加逐渐降低，考虑其原因为后期填土对于早期填土起到了堆载的作用，使得早期的沉降得到了充分发展，减小了后期的工后沉降占总沉降的比值。

2）随着填土高度的增加，路基的总沉降量、整体水平位移和桩体位移均增大，总沉降量随着距路基中心的距离增大而减小。

3）在路基填筑完成的情况下，CFG桩加固的路基沉降量远小于天然路基沉降量，且CFG桩加固的路基，其路基中心与路肩之间的差异沉降值也远小于天然路基，说明CFG桩加固路基对于减小软土路基的沉降量有着非常显著的效果。