劉

（晉中市交通建設(shè)質(zhì)量安全監(jiān)督局，山西 晉中 030600）

CFG 樁作為在工程中常用的路基處理方法，在路基處理、建筑地基處理以及鐵路路基處理中得到了廣泛的應(yīng)用[1-5]。國內(nèi)外很多學(xué)者也對CFG 樁處理路基技術(shù)進(jìn)行了研究，黃艷平、郭建新等人[2-3]采用數(shù)值模擬的方法對CFG 樁加固路基進(jìn)行了分析，黃驍、林智等人[6-8]采用理論與數(shù)值方法對路基沉降位移進(jìn)行了預(yù)測和分析，研究結(jié)果具有良好的指導(dǎo)意義。本文主要以某高速公路路基處理工程為例，采用數(shù)值模擬方法詳細(xì)分析了有無CFG 樁狀態(tài)下土體應(yīng)力和變形變化規(guī)律。

1 工程概況

某高速公路工程K112+110—K117+220 段，全長5.11 km，為分離式路基，路基寬度為15.0 m，設(shè)計(jì)速度為100 km/h。在該標(biāo)段內(nèi)，存在特殊性軟土，且主要分布在沖溝、農(nóng)田附近，由于軟土對路基沉降影響較大，擬采用換填的處置方法。

圖1 路基處理示意圖（單位：m）

如圖1 所示，為了保證軟土地基上的高速公路運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，需要對路基沉降進(jìn)行控制，本文擬采用CFG 樁加固處理措施，同時(shí)與未采用CFG 樁加固進(jìn)行對比分析。根據(jù)工程先期勘探結(jié)果，場地土體共分為6 層，修筑路基底部寬度為20 m，頂部寬度為15 m，路基高5 m，共分3 次填筑，每次填筑高度從上至下分別為碎石、AB 料和墊層，厚度分別為1.5 m、3.0 m 和0.5 m。

2 數(shù)值建模

2.1 模型建立及網(wǎng)格劃分

圖2 路基處理數(shù)值模型

如圖2 所示，為路基模型圖，包括無CFG 樁和有CFG 樁兩種，路基頂面中心距離路堤坡腳垂直高度為5.0 m，路堤下部土體選取厚度為40.0 m，共分為6 層，依次為淤泥、粉砂、粉土、淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)黏土和砂礫石，為了減小模型尺寸帶來的誤差，本文模型尺寸為x 軸（水平方向）取120 m，y 軸（路基走向）取單位網(wǎng)格長度，z 軸（豎直方向）取40 m，計(jì)算過程中在路基中心和路肩、路基坡腳對應(yīng)的地面標(biāo)高處設(shè)置位移監(jiān)測點(diǎn)用于后期分析。CFG 樁的長度為25.0 m，在路基底部20 m 范圍內(nèi)共均勻布置13 根，樁間距為16.7 m，樁體直徑為0.5 m。此外，在模型左側(cè)、右側(cè)和底部均施加位移邊界條件，模擬工程中路基上表面均勻分布著大小為12 kN/m 的豎向荷載來近似模擬公路運(yùn)營之后的車輛等荷載。無CFG 樁模型網(wǎng)格總數(shù)為4 846 個(gè)，有CFG 樁模型網(wǎng)格總數(shù)為4 987 個(gè)，樁和土體均采用實(shí)體單元。

2.2 參數(shù)選取及本構(gòu)模型

為了更為貼切地模擬土體的真實(shí)受力狀態(tài)，本文采用摩爾- 庫倫本構(gòu)模型。本文主要以K112+120為研究截面，根據(jù)工程前期勘探結(jié)果，得到土體以及CFG 的物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)，如表1所示。

表1 土體及CFG 樁的物理力學(xué)指標(biāo)

2.3 計(jì)算工況

按照該項(xiàng)目具體施工流程，本文在建立模型過程中共分為5 步。第一步：進(jìn)行初始地應(yīng)力平衡并清除初始位移，以此模擬土體長期的固結(jié)穩(wěn)定狀態(tài)；第二步：進(jìn)行墊層（即填土③）填筑施工；第三步：進(jìn)行AB 料（即填土②）填筑施工；第四步：進(jìn)行碎石（即填土①）填筑施工；第五步：填筑完成之后進(jìn)行荷載施加。

3 數(shù)值結(jié)果分析

3.1 兩種情況下土體應(yīng)力分布分析

通過對路基模型進(jìn)行數(shù)值分析，得到兩種情況下土體應(yīng)力均為負(fù)值，表示土體受壓，這與土體實(shí)際受力狀態(tài)相符。對于無CFG 樁，可以看出在路堤以下部分，由于上部荷載的作用，使得同一水平線位置處路基下部土體應(yīng)力遠(yuǎn)大于路基分布范圍外側(cè)的土體應(yīng)力，這是由于土體受到荷載后逐漸沉降變形，路基及路基底部土體受到較大壓力。而對于有CFG 樁情況，由于CFG 樁的存在，使得同一水平線位置處路基應(yīng)力分布較為均勻，這是由于在荷載作用CFG樁承擔(dān)了較多的荷載，從而大量分擔(dān)了樁間土受力。綜上所述，CFG 樁可以有效地分擔(dān)上部荷載，減小樁間土應(yīng)力值。

3.2 兩種情況下土體豎向應(yīng)力變化分析

為了準(zhǔn)確地分析兩種不同情況下的土體豎向應(yīng)力變化情況，尤其是兩種不同情況下不同土體深度（埋深起始點(diǎn)為路基上表面）的應(yīng)力變化，本文對不同高度的3 處位置進(jìn)行了豎向應(yīng)力監(jiān)測，監(jiān)測深度分別為3 m、7 m、10 m、13 m、17 m、21 m、24 m 和25 m。由圖3a 可知，無CFG 樁情況下，在深度為3 m 時(shí)，中線、路肩和坡腳豎向應(yīng)力分別為98.6 kPa、74.5 kPa 和52.4 kPa，中線位置分別較路肩和坡腳應(yīng)力大32.3%和88.2%，而在深度為25 m時(shí)，中線、路肩和坡腳豎向應(yīng)力分別為267.8 kPa、248.5 kPa 和235.6 kPa，此時(shí)中線位置分別較路肩和坡腳應(yīng)力大7.8%和13.7%，說明隨著深度的增加，中線、路肩和坡腳三者應(yīng)力值逐漸靠近。由圖3b可知，有CFG 樁情況下，在任一深度處，中線、路肩和坡腳豎向應(yīng)力非常接近，且任一深度處中線、路肩和坡腳三者應(yīng)力差值不超過5%，說明CFG 樁能有效承擔(dān)上部荷載，減小樁間土應(yīng)力，且埋深越淺效果越明顯。

圖3 兩種情況下土體豎向應(yīng)力隨深度的變化關(guān)系

3.3 兩種情況下土體沉降變化分析

路基以及下部土體沉降是直觀反映路基處理效果的重要參數(shù)，為了準(zhǔn)確地分析兩種不同情況下的土體沉降變形情況，尤其是兩種不同情況下不同土體深度的沉降變化，本文對不同高度的中線、路肩和坡腳的對應(yīng)點(diǎn)進(jìn)行了豎向位移監(jiān)測，監(jiān)測深度分別為0 m、2.5 m、7 m、11 m、17 m 和24 m。

圖4 兩種情況下土體沉降隨深度的變化關(guān)系

由圖4a 可知，無CFG 樁情況下，在深度為0 m時(shí)，中線、路肩和坡腳沉降分別為124.2 mm、91.3 mm和60.2 mm，中線位置分別較路肩和坡腳沉降大36.0%和106.3%，而在深度為24 m 時(shí)，中線、路肩和坡腳沉降分別為23.1 mm、19.8 mm 和17.4 mm，此時(shí)中線位置分別較路肩和坡腳沉降大16.7%和32.8%，說明隨著深度的增加，沉降值依次減小，且中線、路肩和坡腳三者沉降值逐漸靠近。由圖4b 可知，有CFG 樁情況下，在任一深度處，中線、路肩和坡腳豎向應(yīng)力非常接近，且任一深度處中線、路肩和坡腳三者應(yīng)力差值不超過35%，說明CFG 樁能有效承擔(dān)上部荷載，減小路基的不均勻沉降。此外，有CFG 樁情況下路基表面沉降相比于沒有CFG 樁時(shí)減小50%以上。

圖5 兩種情況下土體沉降差值隨深度的變化關(guān)系

為了更為直觀地展現(xiàn)出有無CFG 樁兩種情況下的土體沉降差值，如圖5 所示，將兩種情況下土體沉降差值隨深度變化曲線繪制至同一張圖中，可以看到，在深度0～17 m 范圍內(nèi)，采用CFG 樁處理路基能有效減小路基不均勻沉降。

3.4 有CFG 樁時(shí)基底沉降板處土體沉降分析

如圖6 所示，為CFG 樁加固第四步和第五步兩個(gè)施工步時(shí)基底沉降板處土體沉降隨水平距離的變化關(guān)系，由圖可知路基中心沉降量最大，坡腳處沉降最小，且沉降近似服從高斯分布，其中第四步時(shí)基底沉降板沉降為30.4 mm，第五步時(shí)基底沉降板沉降為40.4 mm。如表2 所示，為數(shù)值模擬和實(shí)測第四步和第五步基底沉降板處沉降差值對比分析表，由表可知，實(shí)測兩施工步沉降差值與數(shù)值模擬差值均小于8%，也從側(cè)面說明數(shù)值模擬結(jié)果比較可靠。

圖6 基底沉降板處土體沉降隨水平距離的變化關(guān)系

表2 第四步和第五步基底沉降板處沉降差值對比分析

4 結(jié)論

本文主要以某高速公路路基處理工程為例，采用數(shù)值模擬方法詳細(xì)分析了有無CFG 樁狀態(tài)下土體應(yīng)力和變形變化，得到以下結(jié)論：

a）CFG 樁可以有效地分擔(dān)路基上部荷載，減小樁間土應(yīng)力值，CFG 樁的存在使得是同一水平線位置處路基應(yīng)力分布較為均勻。

b）隨著深度的增加，中線、路肩和坡腳三者應(yīng)力值逐漸靠近三者差值，且有CFG 樁情況下，任一深度處中線、路肩和坡腳豎向應(yīng)力非常接近且不超過5%，且埋深越淺效果越明顯。

c）采用CFG 樁處理路基時(shí)能有效減小路基不均勻沉降，且路基表面沉降相比于沒有CFG 樁時(shí)減小50%以上。

d）通過對比實(shí)測值與數(shù)值模擬值可知，采用CFG樁時(shí)第四步和第五施工步沉降差均小于8%，說明數(shù)值模擬結(jié)果比較可靠。