陳 鼎，崔紅琴，屈海軍，雷金山

(1.中南大學 土木建筑學院，長沙 410075;2.中鐵十二局集團 七公司，長沙 410074)

京滬高速鐵路CFG樁復合地基沉降性狀分析

陳 鼎1，崔紅琴2，屈海軍2，雷金山1

(1.中南大學 土木建筑學院，長沙 410075;2.中鐵十二局集團 七公司，長沙 410074)

針對京滬高速鐵路典型地質條件的CFG樁加固路段，采用FLAC3D有限差分程序，模擬路基的填筑過程，將樁和土按不同的材料考慮，計算CFG樁加固后路基的沉降，并與實測沉降比較，驗證了計算模型的可行性。利用該模型分析了不同樁長、樁間距對沉降的影響，并根據其路基沉降量，得到了該路段CFG樁的合理樁長與樁距。

CFG樁復合地基 FLAC3D 數值分析 沉降

1 工程概況

京滬高速鐵路滁州段里程DK937+580～DK937+695段地基采用CFG樁加固處理，設計樁長4.0 m，樁徑0.5 m，樁間距1.8 m。根據設計資料，該路段斷面附近地基地層情況由上往下依次為:素填土、粉質黏土、全風化千枚巖、強風化千枚巖、弱風化千枚巖。根據施工圖設計要求，樁頂鋪0.6 m厚的碎石墊層，內鋪兩層雙向土工格柵。該路段路堤填筑高度為5.55 m，路堤本體采用A、B組填料填筑，基床表層0.4 m采用級配碎石，如圖1所示。

圖1 京滬高鐵DK937+680路基設計剖面(單位:m)

2 建立數值計算模型

本文采用有限差分程序FLAC3D進行模擬分析。為使問題簡化，在選擇計算模型時假設同種材料為均勻、各向同性體，路堤和地基巖土采用摩爾—庫侖彈塑性模型，樁體和土工格柵分別采用樁和土工格柵結構單元[1-7]。結合試驗及參考文獻[8]，得出計算參數如表1和表2所示。

表1 DK937+680剖面設計及計算參數

表2 CFG樁和土工格柵的計算參數

考慮路基的對稱性，取半幅地基和路基結構進行分析。計算范圍:豎向取15 m，大于加固體高度的兩倍，橫向取31 m，超過路基底面寬度的兩倍。邊界約束條件為:在地基土的下部邊界因遠離樁體，荷載影響甚微，視為無位移的固定邊界，中心對稱面和側面各節(jié)點限制水平位移，表面為自由邊界，模型的網格劃分如圖2所示。

圖2 路基沉降分析模型網格單元劃分

3 CFG樁對沉降的影響

3.1 計算與實測沉降對比

根據實際填筑狀況，對路堤分層填筑的施工過程進行模擬，總填筑高度為5.55 m，現場施工每層的填筑高度為0.30 m。數值計算結果與現場實測數據對比如圖3所示。從圖3可以看出路基沉降的數值模擬結果比實測要略大一些，實測結果不斷趨近于數值模擬結果，這是因為路基沉降實際上是隨時間推移會繼續(xù)產生蠕變變形，而本次數值計算模型沒有考慮時間效應，所計算出的沉降即為路基的最終沉降。盡管數值分析結果與現場實測數據存在一定的誤差，但二者在最終數值上還是比較接近的。可見，本模型能很好地反映路基沉降的變化過程。

圖3 數值分析結果與現場實測數據對比

3.2 不同樁長對沉降的影響

CFG樁復合地基樁長是控制路基沉降量主要的因素之一，樁越長地基的加固效果就會越好，而樁長過長從經濟的角度考慮又是不合理的，所以要選定合適的樁長使其既能滿足地基變形要求，且經濟合理。實際設計資料中CFG樁樁間距1.8 m，樁徑為0.5 m，現在分別選擇樁長為3 m、4 m、5 m、6 m進行計算，分析路基的沉降變形情況。

圖4為不同樁長路基底面的沉降曲線，從中可以看出，隨著樁長的增加路基的沉降在逐漸減小，同時兩相鄰樁長在同一位置處的沉降差值隨樁長的增加而變小，即沉降曲線隨著樁長的增加逐漸密集，說明沉降隨樁長的增加，沉降減小幅度也逐漸減小。因此，當要求沉降控制在一定范圍內時，考慮到經濟的因素，可以選取某一長度作為設計樁長。

圖4 不同樁長路基底面的沉降曲線

圖5為不同樁長路基中心面處沿深度分布的沉降曲線，圖上顯示路基的沉降量隨樁長的增加而顯著減小，說明樁長對控制路基沉降起著非常重要的作用。在深度7 m之后，不同樁長的沉降都基本一致，從地質資料來看，該處已達弱風化千枚巖層。

為了便于分析沉降隨樁長的變化，圖6給出了不同樁長在路基底面中心處的沉降變化曲線，可以看出，樁長＜5 m時比樁長＞5 m時的沉降變化斜率大。這是由于樁長5 m的樁端落在千枚巖層上，而樁長＜5 m的樁端均落在壓縮性相對較大的粉質黏土上，所以，樁長＜5 m的沉降變化較樁長＞5 m的要大。因此，在選擇樁長的時候應綜合考慮地質條件和經濟效果，樁端盡量落在強度較好的土層上，把沉降控制在規(guī)定范圍。

采用三次多項式擬合沉降隨樁長變化的趨勢線，對擬合曲線求解二階導數，進行單調性和增減性分析如下:

圖6 不同樁長在路基底面中心處的沉降變化曲線

當二階導數y″=0時，可計算得到x=4.667，說明當樁長＞4.667 m時，路基沉降隨樁長增加速率減緩。在本文中，一階導數 y′(x=4)＞ 0，y′(x=5)＞ 0，y′(x=6)＞0，說明在區(qū)間(3，6)內，沉降值隨樁長單調遞增(即沉降隨樁長增加而減少)，且擬合曲線拐點就在該區(qū)間中取值。結合本文所研究路段的地質情況，取合理樁長為5 m，即樁端打入風化巖層頂面。

3.3 不同樁間距對沉降的影響

CFG樁復合地基中，樁間距是控制沉降的又一重要因素。該施工段CFG樁在平面上的布置形式為矩形布置，樁直徑為500 mm，不同樁距的變化會影響復合地基的置換率，從而影響地基變形的性狀。樁距太大不能發(fā)揮其控制沉降的作用，樁距太小一則不經濟，二則增加施工難度。通常樁距取3～5倍樁徑進行設計施工。在設計樁長為4 m的基礎上，選取樁距分別為 1.4 m、1.6 m、1.8 m、.0 m、2.2 m 進行路基沉降計算，分析樁距的變化對地基變形的影響。

圖7 不同樁間距路基堤底面的沉降曲線

圖8 不同樁間距路基中心線處沿深度分布的沉降曲線

圖7為不同樁距路基底面的沉降曲線，圖8為不同樁距的情況下，路基中心線處沿深度分布的沉降曲線，與不同樁長時的沉降情況相同，增加樁數之后，隨著樁距的減小路基的沉降也隨之減小，地基得到了良好的加固效果。但是，路基底面沉降曲線隨著樁距的增加逐漸變得密集，說明沉降隨樁距的減小，沉降減小幅度也在不斷減小。同樣地，從經濟角度看存在某一樁距是比較合理的。

圖9為路基底面中心處沉降量隨樁間距的變化曲線，采用二次多項式生成了沉降隨樁長變化趨勢擬合曲線:

由曲線的變化趨勢可以看到，隨著樁間距的減小，沉降也在逐漸減小，但是在樁間距＜1.8 m之后，沉降曲線的斜率逐漸減小，說明減小樁間距的效果在減弱。雖然樁距取值較小時，會明顯小于在較大樁距時的沉降，但受施工限制而不可能把樁距設計得太小。因此，在樁距設計時，應綜合考慮加固效果、施工與經濟三方面因素，結合以上的計算分析，建議本路段CFG樁樁距取1.8 m，這與實際設計的樁間距也是相吻合的。

圖9 不同樁間距在路基底面中心處的沉降變化曲線

4 結論

本文結合實際工程，借助FLAC3D軟件建立數值模型，分析了CFG樁不同樁長、樁間距對復合地基的沉降影響，得出結論如下:

1)數值模擬計算的路基分層填筑施工沉降與實測沉降比較接近，說明該模型可以很好模擬復合地基的沉降變化。

2)通過該模型的計算得出:路基隨著樁長的增長沉降不斷減小，但是當樁端落到較好巖層時，樁長的影響就較小了。在控制沉降的前提下，結合地質資料，考慮經濟因素，確定樁的合理長度為5 m。

3)樁間距是控制CFG復合地基的置換率的因素之一，隨著樁間距的減小其對沉降的影響效果減弱，本文建議樁距為1.8 m。

數值模擬計算方法雖然為復合地基變形計算提供了新的途徑，但土與增強體之間本構關系的研究，遠沒達到普遍推廣應用的成熟階段。本文計算模型沒有考慮土沉降的時間效應和土中水的影響。

[1]閻明禮，張東剛.CFG樁復合地基技術及工程實踐(第二版)[M].北京:中國水利水電出版社，2006.

[2]龔曉南.復合地基[M].杭州:浙江大學出版社，1992.

[3]郝贏.鐵道工程[M].北京:中國鐵道出版社，2004.

[4]葉陽升，蔡德鉤，閆宏業(yè).樁網支承路基結構的模型試驗方法[J].鐵道建筑，2009(7):40-43.

[5]白翔宇.CFG樁復合地基變形試驗研究[D].鄭州:鄭州大學，2006.

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[7]Itasca Consulting Group，Inc.FLAC3D version 2.1 manual[M].America:Itasca Consulting Group，Inc.，2002.

[8]秦文權.客運專線復合地基上無砟軌道路基沉降的控制與計算分析研究[D].長沙:中南大學，2008.

U213.1

B

1003-1995(2010)04-0069-04

2009-10-20;

2010-02-20

湖南省自然科學基金資助項目(07JJ3104);中鐵十二局集團七公司科技開發(fā)項目(2008-02)。

陳鼎(1984— )，男，湖南長沙人，碩士研究生。

(責任審編 王天威)