張 博

（中交遠(yuǎn)洲交通科技集團(tuán)有限公司 山西分公司，山西 太原 030006）

引言

軟土路基具有壓縮程度高、固結(jié)時(shí)間長等特點(diǎn)。軟土路基容易造成路面開裂、影響行車舒適性，嚴(yán)重的會(huì)造成路基滑動(dòng)甚至垮塌，帶來嚴(yán)重的后果[1]。目前針對(duì)軟土路基的處理方法主要分為兩類。第一類是對(duì)天然路基進(jìn)行土質(zhì)改良，包括預(yù)壓排水固結(jié)、振密等措施，另外一類則是在軟弱路基中加入增強(qiáng)體，包括橫向增強(qiáng)體和縱向增強(qiáng)體。橫向增強(qiáng)體主要是在軟弱路基中加入土工格柵土工布等，提高軟弱路基的承載力，減小不均勻沉降。縱向增強(qiáng)體則在土體中打入剛性樁、施作柔性樁等形成復(fù)合地基，提高土體的模量達(dá)到減小沉降的目的[2-3]。目前針對(duì)軟弱路基的處理研究也得到了不少的成果。黃生根等研究了有樁帽CFG樁的承載能力、受力特性和樁土之間的相互作用關(guān)系[4]。付廣新以數(shù)值模擬為手段，研究了高填方路堤樁-網(wǎng)復(fù)合地基的受力特征及沉降特性面，為樁土復(fù)合地基的數(shù)值研究提供了一定的參考[5]。隨著研究的深入，運(yùn)用樁處理地基的技術(shù)得到了一定的提升，并逐漸用于更多的基礎(chǔ)工程。CFG樁在處理軟弱地基中具有樁體作用、擠密作用、褥墊層作用[6-7]。

1 工程概況

某擬建雙向四車道高速公路區(qū)段為填方路段，道路路基寬為20 m，填方坡率為1∶1.5，填方高度為10 m。其下為深厚的軟弱路基，不能達(dá)到路基的設(shè)計(jì)要求，需要對(duì)其進(jìn)行處理。該軟弱路基第一層土為8.5 m厚的軟塑粉質(zhì)黏土，其下為強(qiáng)風(fēng)化砂巖和中風(fēng)化砂巖。巖層基本水平，屬于典型的沉積巖地層構(gòu)造。根據(jù)地勘報(bào)告其巖層參數(shù)見表1。

表1 土層參數(shù)

為了處理道路路基使其滿足設(shè)計(jì)要求，采用CFG樁對(duì)軟弱地基進(jìn)行處理加固，采用梅花形布置，根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50007-2011）的要求，樁端應(yīng)進(jìn)入持力層深度宜為樁身直徑的1～3倍，因此本次樁長擬定為10 m。CFG樁的參數(shù)分析模擬方案見表2。

表2 CFG樁模擬方案參數(shù)

2 有限元模型建立

在有限元模型的分析過程中，為了消除邊界對(duì)模型計(jì)算的影響，在路堤兩側(cè)各取40 m寬。同時(shí)為了避免填方體一次性填筑對(duì)計(jì)算帶來的誤差影響，以及考慮對(duì)施工過程影響，建立模型見圖1。

圖1 模型（m）

根據(jù)樁土的不同性質(zhì)，采用不同的材料本構(gòu)模型進(jìn)行模擬。樁在實(shí)際工程中處于彈性受力狀態(tài)，因此選用各向同性的彈性本構(gòu)模型進(jìn)行模擬。軟塑黏土和砂巖符合摩爾庫倫屈服準(zhǔn)則，采用摩爾庫倫本構(gòu)模型。碎石墊層及填方土體同樣采用M-C準(zhǔn)則。各材料的參數(shù)取值見表3。

表3 模型參數(shù)

該填方路堤在縱向上的邊界條件和受力基本沒變化，因此可將該問題簡化為平面應(yīng)變問題。在邊界設(shè)置上，由于由地基土體的約束，認(rèn)為地基土在水平方向上是不產(chǎn)生位移的，因此左右邊界約束其水平位移，可發(fā)生豎向沉降位移。底部邊界水平和豎向均限制位移。在網(wǎng)格劃分中，墊層網(wǎng)格大小控制為0.2 m，填土和粉質(zhì)黏土土層網(wǎng)格大小為0.5 m，下部基巖層為1 m，中間線條為過渡長度。網(wǎng)格劃分模型見圖2。

圖2 有限元計(jì)算模型

3 有限元模擬結(jié)果分析

3.1 施工階段模擬

根據(jù)實(shí)際施工過程將該填方路堤的施工過程進(jìn)行階段模擬，見表4。

表4 CFG樁施工階段模擬說明

3.2 路基頂面沉降分析

根據(jù)建立的模型得到在不同樁徑、不同樁間距的設(shè)計(jì)參數(shù)下，填方路堤地表沉降曲線，見圖3～圖5。

圖3 路基頂面沉降曲線（樁徑0.4 m）

圖4 路基頂面沉降曲線（樁徑0.5 m）

圖5 路基頂面沉降曲線（樁徑0.6 m）

從圖3～圖5可以看出，在不同樁徑樁間距下，路面地表的沉降都呈現(xiàn)為U字形，道路中線附近的路面沉降值最大，并向道路邊緣遞減，在道路邊緣處的地表沉降值最小。究其原因，在初始地應(yīng)力平衡之后，原狀地基土已經(jīng)達(dá)到平衡狀態(tài)。在路堤填筑過程中，下部軟弱地基會(huì)在填土的重力下進(jìn)一步受力，土體中的空隙水進(jìn)一步被排出，土顆粒之間的間隙會(huì)被進(jìn)一步壓縮，從而發(fā)生固結(jié)沉降，宏觀表現(xiàn)為地表的下沉。由于路中央的填土受到周圍土體的橫向約束，土體無法發(fā)生較大的水平位移，土顆粒只能發(fā)生豎向的移動(dòng)，因此路中央的地表沉降量最大。越靠近路邊緣的土顆粒水平向約束力越弱，因此土顆粒的部分位移轉(zhuǎn)化為橫向位移，從而表現(xiàn)為地面的水平位移，尤其是在坡腳處表現(xiàn)更為明顯。

分析圖3可知，當(dāng)樁間距為1.6 m時(shí)，道路中心線處的路基頂面沉降值為73.11 mm，道路邊緣處的路基頂面沉降為60.91 mm，橫向路基頂面沉降差值為12.20 mm。同樣當(dāng)樁間距分別為2.0 m和2.4 m時(shí)，橫向路基頂面沉降差值為13.39 mm、13.80 mm，這說明隨著樁間距的增大，道路中線和道路邊緣的沉降差值也逐漸增大。

由圖3可以得出，從道路中線至距路中線左右6 m的位置，地表的沉降都比較接近。而在距路中線6 m至路邊緣的范圍內(nèi)，地表的沉降較路中心線出現(xiàn)了大幅度減小。此U形曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)的位置并非固定，這與填土的彈性模量和泊松比等具有一定關(guān)系。

從圖3～圖5還可以看出，樁間距為1.6 m時(shí)路面的沉降最小，其次是2.0 m，樁間距為2.4 m時(shí)沉降最大，這說明隨著樁間距的增大，路面的沉降也逐漸變大。并且樁間距從1.6 m到2.0 m，沉降變化很大，2.0 m和2.4 m的樁間距沉降差異較小。

3.3 樁頂沉降分析

從圖6～圖8可以看出，在不同樁間距參數(shù)下，樁頂?shù)某两滴灰谱兓€并不一致。

從圖6可以看出，在樁間距為1.6 m時(shí)，從道路邊緣到道路中線至右邊緣，樁頂?shù)某两滴灰瓶傮w呈現(xiàn)出W形分布，在道路中心線和道路邊線處的樁頂位移較大。道路中心處的中心樁頂沉降為3.85 mm，道路邊緣處的邊樁沉降為5.5 mm，其中-13號(hào)樁的樁頂沉降最大為13.7 mm，沉降差值約為9.85 mm。

從圖7可以看出，在樁間距為2.0 m的設(shè)計(jì)下，樁頂沉降位移表現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律。道路中心的中心樁沉降最大，為13.98 mm。隨著與道路中線的距離增加，樁頂沉降位移逐漸減小，邊樁處的樁頂位移最小為3.78 mm，沉降差值為10.20 mm，這與路面的沉降趨勢(shì)一致。

從圖8可以看出，在樁間距為2.4 m時(shí)，樁頂?shù)某两滴灰埔脖憩F(xiàn)出上下波動(dòng)的變化趨勢(shì)。中心樁的樁頂沉降位移為10.34 mm，邊樁沉降為5.14 mm，最大樁頂沉降為13.71 mm，沉降差為8.57 mm。

圖6 樁頂沉降曲線（樁間距1.6 m）

圖7 樁頂沉降曲線（樁間距2.0 m）

圖8 樁頂沉降曲線（樁間距2.4 m）

根據(jù)復(fù)合地基的彈性模量計(jì)算方法可知，不同樁徑、樁距下的復(fù)合地基模量不一樣，從而導(dǎo)致不同樁徑樁間距下的復(fù)合地基的沉降不一樣。表現(xiàn)為路面沉降和樁頂沉降都存在一定的差異?？闯鰳俄?shù)某两挡町惒⒉淮?，說明在該樁徑樁間距的設(shè)計(jì)工況下對(duì)樁頂?shù)某两涤绊懖淮蟆?/p>

4 結(jié)語

（1）在不同的樁徑樁間距下，路面沉降曲線為U形，道路中線沉降最大，并向道路邊緣遞減，在道路邊緣處的地表沉降值最小。（2）樁間距1.6 m時(shí)沉降最小，樁間距2.0 m和2.4 m的沉降較大且比較接近。隨著樁間距的增大，道路中線和道路邊緣的沉降差值也逐漸增大。（3）由于樁徑樁間距以及樁位置的不同，使CFG樁加固軟弱地基的彈性模量不一樣，樁頂沉降的變化趨勢(shì)不一致，但樁頂沉降差別不大。