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        筏板式與樁帽式CFG樁數(shù)值對(duì)比分析

        2010-09-04 08:25:42蔣宗全曹玉新馬耀先曲宏略朱浩波
        鐵道建筑 2010年12期
        關(guān)鍵詞:樁帽曲阜筏板

        蔣宗全,曹玉新,馬耀先,曲宏略,朱浩波

        (1.中國(guó)水電集團(tuán),北京 100048;2.西南交通大學(xué),成都 610031)

        0 引言

        CFG樁復(fù)合地基是由中國(guó)建筑科學(xué)研究院地基所在碎石樁基礎(chǔ)上開發(fā)的新技術(shù),并已應(yīng)用于工程實(shí)踐。與淺基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)相比較,CFG樁復(fù)合地基的研究在理論上還不成熟,落后于工程實(shí)踐,其承載力和沉降計(jì)算理論正在發(fā)展之中[1]。目前,關(guān)于復(fù)合地基沉降的計(jì)算方法有很多,總的來(lái)說(shuō),可分為數(shù)值分析和簡(jiǎn)化計(jì)算兩大類。其中有限元數(shù)值分析法能較好地反映復(fù)合地基中樁、土間的相互作用及樁、土材料的非線性特性,在進(jìn)行沉降分析時(shí)具有很大的優(yōu)越性。近年來(lái)很多工程技術(shù)人員已經(jīng)開始采用有限元法對(duì)CFG樁復(fù)合地基的承載力、沉降進(jìn)行分析模擬,并取得了很多有價(jià)值的成果[2]。

        CFG樁復(fù)合地基能有效減小地基沉降,作為一種手段,它已在地基處理中得到廣泛的應(yīng)用。很多工程中,為了增加CFG樁的受荷面積,在CFG樁樁頂設(shè)置樁帽或設(shè)置筏板。筏板一般采用鋼筋混凝土板制作,造價(jià)較高。本文以新建鐵路曲阜站復(fù)合地基的沉降分析及評(píng)估為背景,通過(guò)二維有限元程序PLAXIS,對(duì)曲阜站復(fù)合地基的沉降進(jìn)行了系統(tǒng)分析及研究,提出了用設(shè)置樁帽的CFG樁代替筏板CFG樁的建議,并論證了這個(gè)建議的可行性。

        1 工程概況

        曲阜站 DK531+971.43—DK534+400位于沖積平原之上,地形較為平坦。地層分布從上至下為:粉質(zhì)黏土,厚0~3.4 m;黏土,厚0~4.8 m;中砂,厚0.2~2.0 m;以下為粉質(zhì)黏土,褐黃色。地下水埋深為2.55 m左右,地下水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)不具侵蝕性。

        曲阜站的路基填土高為8.0 m,地基采用CFG樁加固,CFG樁樁徑為0.5 m,路基基底中部為筏板CFG樁,樁頂設(shè)置厚0.5 m的C30鋼筋混凝土板,板下CFG樁為正方形布置,樁長(zhǎng)30 m,樁間距1.5 m?;變蓚?cè)采用帶樁帽的CFG樁,樁頂鋪設(shè)0.6 m的碎石墊層,樁長(zhǎng)25 m,樁縱向間距1.6 m,橫向間距1.5 m。碎石墊層內(nèi)設(shè)置高強(qiáng)度的土工格柵,堆載預(yù)壓土體高3.5 m。

        2 有限元分析

        2.1 有限元建模

        本文采用PLAXIS二維有限元分析軟件。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙的幾何尺寸對(duì)曲阜站復(fù)合地基和路基填土進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。網(wǎng)格的基本單元類型采用15節(jié)點(diǎn)的三角形單元。CFG樁、鋼筋混凝土筏板及樁帽的力學(xué)行為用線彈性模型模擬,地基土用Mohr—Coulomb模型模擬。CFG樁、筏板及樁帽采用板單元模擬。為了模擬樁—土之間的相互作用,在樁與土之間設(shè)置接觸單元。分析中,由于高強(qiáng)度土工格柵的作用相當(dāng)于在墊層中加筋,計(jì)算中墊層采用線彈性模型[3]。地下水位設(shè)置在地基面下2.55 m處。路基填土分為四層填筑,每層填筑2 m,單層施工工期為7 d。堆載預(yù)壓土體分兩次預(yù)壓,第一次預(yù)壓土體高1.5 m,第二次預(yù)壓土體高2 m。

        為了降低邊界條件的影響,設(shè)置邊界條件為:豎直方向延長(zhǎng)1倍樁長(zhǎng),水平方向延長(zhǎng)4倍路基填土高度。由于地基土的下部和左右邊界遠(yuǎn)離樁體,因此可視為無(wú)位移的固定邊界。有筏板和帶樁帽的CFG樁復(fù)合地基模型見圖1和圖2。

        圖1 有筏板CFG樁復(fù)合地基模型

        圖2 有樁帽的CFG樁復(fù)合地基模型

        2.2 模型計(jì)算參數(shù)

        本次計(jì)算主要以DK532+548斷面工程資料為依據(jù)。根據(jù)施工單位提供的土工參數(shù),列出模型使用參數(shù),見表1。

        3 計(jì)算結(jié)果及分析

        路基沉降云圖如圖3和圖4所示,路基面、地基面的豎向位移及路基坡腳的水平位移對(duì)比曲線如圖5、圖6和圖7所示。

        表1 土層參數(shù)

        圖3和圖4顯示,路基中心線處,路基表面的沉降達(dá)到了最大值,隨距路基表面距離的增加,沉降逐漸減小。由于筏板CFG樁加固造價(jià)較高,且澆筑施工過(guò)程繁瑣,基于簡(jiǎn)化施工工藝、降低成本的目的,本文分析比較了用帶樁帽和帶筏板的CFG樁加固地基后對(duì)地基沉降的影響。分析發(fā)現(xiàn),用帶樁帽的CFG樁加固的地基沉降范圍大于用帶筏板的CFG樁加固的地基沉降范圍,兩者沉降云圖均為對(duì)稱分布,符合對(duì)稱模型的特點(diǎn)。結(jié)果顯示,帶筏板的CFG樁復(fù)合地基的總沉降是4.15 cm,帶樁帽的CFG樁復(fù)合地基的總沉降是4.44 cm,兩者相差0.29 cm,說(shuō)明兩種加固措施所達(dá)到的效果基本相同。

        圖6顯示,隨著施工天數(shù)的增加,地基面的沉降隨之增大,而沉降速率在不斷減小,帶筏板和帶樁帽的CFG樁復(fù)合地基在位移的發(fā)展趨勢(shì)上基本相同,說(shuō)明路基已基本完成施工期沉降過(guò)程。卸載后,兩者均產(chǎn)生回彈,回彈趨勢(shì)基本相同。

        圖5和圖6顯示,在堆載完全預(yù)壓之后,兩者在路基頂面和地基面的沉降相差4 mm左右,說(shuō)明沉降主要由地基引起,其沉降約占總沉降的90%左右,而路基部分由于填料具有較好密實(shí)度和強(qiáng)度,沉降相對(duì)較小。

        圖3 用筏板CFG樁加固的路基沉降云圖

        圖4 用樁帽CFG樁加固的路基沉降云圖

        圖7顯示,帶筏板的CFG樁和帶樁帽的CFG樁復(fù)合地基在坡腳處的水平位移隨施工天數(shù)的增加發(fā)展趨勢(shì)基本相同,最大水平位移在1 mm左右,表明在施工過(guò)程中路基邊坡是穩(wěn)定的[4-6]。

        圖5 兩種CFG樁復(fù)合地基路基面豎向位移對(duì)比

        4 結(jié)論

        圖6 兩種CFG樁復(fù)合地基地基面豎向位移對(duì)比

        圖7 兩種CFG樁復(fù)合地基路基坡腳處水平位移對(duì)比

        通過(guò)比較曲阜站帶樁帽和帶筏板的CFG樁復(fù)合地基的加固效果發(fā)現(xiàn),兩種加固措施產(chǎn)生的最終沉降相差較小,表明這兩種措施的加固效果相當(dāng),其次通過(guò)比較加固后復(fù)合地基在坡腳處的水平位移變化發(fā)現(xiàn),坡腳水平位移較小,表明在施工過(guò)程中路基邊坡是穩(wěn)定的。從上述研究結(jié)果得到對(duì)深厚軟基進(jìn)行加固時(shí),可用帶樁帽的CFG樁代替帶筏板的CFG樁,可達(dá)到降低成本的目的。

        [1]劉成宇.土力學(xué)[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,2005.

        [2]閻明禮 張東剛.CFG樁復(fù)合地基技術(shù)及工程實(shí)踐[M].中國(guó)水利水電出版社,2001.

        [3]馬秉務(wù).CFG樁復(fù)合地基三維有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].西部探礦工程,2009(6):20-23.

        [4]丁銘績(jī),王連俊.高速鐵路軟土復(fù)合地基路基的位移數(shù)值計(jì)算分析[J].鐵道勘察,2007(3):17-20.

        [5]熊昌盛,張佰戰(zhàn),董承全,等.CFG樁樁身完整性與承載力檢測(cè)技術(shù)[J].鐵道建筑,2008(2):71-73.

        [6]彭志鵬.CFG樁處理中等壓縮性土地基試驗(yàn)研究[J].鐵道建筑,2009(7):13-18.

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