摘要：為研究影響CFG樁復(fù)合地基變形及力學(xué)性能的因素，文章以某城市高速公路的橋梁與軟土路基過(guò)渡段的地基處理工程為例，通過(guò)Midas GTS NX軟件建立數(shù)值模型進(jìn)行計(jì)算，分析CFG樁樁間距、樁長(zhǎng)和樁徑對(duì)路基加固效果的影響。結(jié)果表明：隨著樁間距增大，復(fù)合路基各部分對(duì)應(yīng)的最大沉降量隨之逐漸增大，樁體軸力和樁土應(yīng)力比明顯增大，且樁體中部軸力增量幅度明顯大于樁體兩端；當(dāng)樁體下端深入持力層時(shí)，樁長(zhǎng)對(duì)復(fù)合地基沉降的影響不明顯，設(shè)計(jì)CFG樁樁長(zhǎng)時(shí)，在保證樁體下深伸入到持力層的前提下，可以選取較小的樁長(zhǎng)以控制成本；隨著樁徑的增大，復(fù)合地基各部分的最大沉降均逐漸減小，樁體的最大軸力在不斷增大，樁土應(yīng)力比逐漸減小，考慮到樁土應(yīng)力比，CFG樁的樁徑取值不宜過(guò)大。

關(guān)鍵詞：CFG樁；軟土路基；加固效果；影響因素；數(shù)值計(jì)算；Midas GTS NX

中圖分類號(hào)：U416.212 A 14 043 4

0 引言

因我國(guó)各類復(fù)雜的地理環(huán)境和工程地質(zhì)條件，導(dǎo)致大量工程項(xiàng)目在實(shí)施的過(guò)程中遇到了前所未有的挑戰(zhàn)，其中之一就是軟土沉降問(wèn)題［1］。軟土在我國(guó)東部和中部地區(qū)分布廣泛，其具有抗剪強(qiáng)度低、壓縮性大、排水固結(jié)慢等一系列不利于工程的性質(zhì)，若未在工程建設(shè)前采取恰當(dāng)?shù)奶幚矸椒ǎ瑒t會(huì)導(dǎo)致軟土地基在服役過(guò)程中發(fā)生沉降過(guò)大或者沉降不均勻的問(wèn)題，直接影響工程安全性與使用年限［2］。

目前，規(guī)范已經(jīng)給出的地基處理方法有很多，例如換填墊層、堆載法、強(qiáng)夯法、復(fù)合地基法等［3］，而復(fù)合地基法又包括碎石樁、水泥攪拌樁、CFG樁等［4］。其中CFG樁的全稱為水泥粉煤灰碎石樁，是在碎石樁的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改良而來(lái)的。CFG樁在利用自身強(qiáng)度的同時(shí)還增加了樁間土的承載力，使復(fù)合地基整體的力學(xué)特性得到了很大的提高［5］。目前，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者對(duì)CFG樁在軟土地基中的應(yīng)用研究已有了較為豐富的成果。趙明志等［6］優(yōu)化了CFG樁承載時(shí)總體豎向位移的計(jì)算公式經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，提升了CFG樁沉降計(jì)算的精度。王帥等［7］進(jìn)行了不同荷載下的試驗(yàn)，得到了豎向位移與兩種阻力之間的非線性規(guī)律，通過(guò)試驗(yàn)與有限元數(shù)值計(jì)算的對(duì)比驗(yàn)證了此規(guī)律的準(zhǔn)確性。李薇等［8］運(yùn)用ANSYS軟件模擬荷載作用下CFG樁復(fù)合地基加固效果，分析了CFG樁的不同參數(shù)取值對(duì)加固后地基強(qiáng)度與變形性能的影響。

本文為研究影響CFG樁復(fù)合地基變形及力學(xué)性能的因素，以某城市高速公路橋梁與軟土路基過(guò)渡段的地基處理實(shí)際工程為例，通過(guò)Midas GTS NX軟件建立數(shù)值模型，分析CFG樁樁間距、樁長(zhǎng)和樁徑對(duì)路基加固效果的影響，以期對(duì)工程實(shí)踐起到一定的指導(dǎo)作用。

1 CFG樁加固地基的基本原理

CFG樁是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌和形成的高粘結(jié)強(qiáng)度樁。CFG樁加固軟弱地基的基本原理是使樁和樁間土通過(guò)褥墊層形成復(fù)合地基，共同承擔(dān)上部荷載，從而提高地基的工程性質(zhì)。CFG樁對(duì)軟土地基的作用主要包括樁體作用、擠密作用和褥墊層作用［9］。

當(dāng)CFG樁復(fù)合地基在受到上部荷載時(shí)，樁與樁間土首先會(huì)按照與基礎(chǔ)的接觸面積來(lái)分擔(dān)荷載。由于CFG樁的變形模量遠(yuǎn)大于樁間土的變形模量，樁間土沉降比樁體沉降大，樁與樁間土產(chǎn)生相對(duì)位移。褥墊層在上部荷載作用下也會(huì)產(chǎn)生一定變形，即樁體向上刺入褥墊層中，產(chǎn)生荷載向樁身集中的現(xiàn)象。由于褥墊層的壓縮模量遠(yuǎn)大于樁間土的壓縮模量，樁間土與褥墊層之間的相互作用力減小，上部荷載也將通過(guò)褥墊層向樁體轉(zhuǎn)移。CFG樁、樁間土以及褥墊層之間相互作用，使其在受外部荷載的過(guò)程中具有很好的整體性［10］。

2 數(shù)值模型的建立

本文基于某城市高速公路橋梁與軟土路基過(guò)渡段的地基處理實(shí)際工程為例，建立數(shù)值模型并進(jìn)行計(jì)算分析。軟土路基的軟土層平均厚度在 12～15 m，土體的組成從地表向下分為：粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)土、細(xì)礫。利用Midas GTS NX軟件建立計(jì)算模型。為保證在符合工程實(shí)際情況的基礎(chǔ)上盡可能簡(jiǎn)化計(jì)算模型，本文考慮建立二維路基模型。為消除邊界效應(yīng)的影響，考慮合理增大分析范圍，選取路面的計(jì)算寬度為 30 m，模型自上而下分別為高度為 6 m的粉質(zhì)黏土、厚度為 12.5 m的淤泥質(zhì)土和厚度為 18 m的細(xì)礫。樁間距為 2 m，樁長(zhǎng)為 20 m，樁直徑為 0.5 m。褥墊層厚度為 0.5 m。模型單元數(shù)為 13 936個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為 12 541個(gè)。上部填土的本構(gòu)模型采用彈塑性模型，下部軟土地基采用摩爾-庫(kù)侖模型，CFG樁、橋臺(tái)樁和土工格柵采用一維模型進(jìn)行建模，樁體采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬。在設(shè)置模型的邊界條件時(shí)，分別對(duì)前后左右四個(gè)土體邊界進(jìn)行約束，限制路基的水平位移，在模型底部設(shè)置水平和豎直約束。模型如圖1所示。

各地層的巖土體物理力學(xué)參數(shù)取值以及CFG樁、橋臺(tái)樁和土工格柵樁體參數(shù)分別如表1和表2所示。

在模擬路基填土施工前，應(yīng)先對(duì)路基填土單元模型進(jìn)行空模型處理，并對(duì)該路基建立自平衡的初始地應(yīng)力場(chǎng)，因?yàn)樵趯?shí)際工程中，路基填土前在其自身重力作用下已發(fā)生沉降變形，土體已達(dá)到固結(jié)狀態(tài)。在模擬路基填土?xí)r，可通過(guò)逐步激活每一級(jí)的路基填土命令流來(lái)實(shí)現(xiàn)。假設(shè)在計(jì)算分析過(guò)程中不考慮施工期間的機(jī)械荷載作用，在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，加載方式選用逐級(jí)加載的方式，每次填土高度為 0.5 m。

3 復(fù)合地基沉降因素分析

為研究CFG樁復(fù)合地基的沉降特性、受力性狀及其影響因素，本節(jié)通過(guò)設(shè)計(jì)不同的試驗(yàn)工況，采用Midas GTS NX 軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，分別研究樁間距、樁長(zhǎng)、樁徑對(duì)CFG樁復(fù)合地基加固效果的影響。

3.1 樁間距對(duì)復(fù)合地基的影響

分別選取樁間距為 1.5 m、 2.0 m、 2.5 m、 3.0 m四種工況進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，分析不同樁間距對(duì)CFG樁復(fù)合地基沉降及力學(xué)特性的影響。

3.1.1 樁間距對(duì)復(fù)合地基沉降的影響

通過(guò)分析數(shù)值計(jì)算結(jié)果，可得出不同樁間距下的復(fù)合地基豎向沉降，如表3所示；路基、樁間土、下臥層的最大沉降隨樁間距的變化如圖2所示。

由表3和圖2可知，在樁間距為 1.5 m的工況下，路基、樁間土及下臥層的最大沉降量分別為 4.71 cm、 3.99 cm、 2.79 cm。隨著樁間距逐漸增大，路基、樁間土及下臥層對(duì)應(yīng)的最大沉降量也逐漸增大，當(dāng)樁間距達(dá)到 3.0 m時(shí)，路基、樁間土及下臥層的最大沉降量分別為 6.89 cm、 6.56 cm、 4.51 cm，分別增加了46.3%、64.4%、61.6%。隨著樁間距增大，復(fù)合地基最大沉降值也明顯增大。同時(shí)，在不同樁間距的工況下，樁體沉降與樁間土沉降之間的差值也逐漸增大。

3.1.2 樁間距對(duì)復(fù)合地基力學(xué)特性的影響

計(jì)算過(guò)程中監(jiān)測(cè)樁體的軸力與樁土應(yīng)力比，分別得到樁體軸力和樁土應(yīng)力比變化曲線如圖3、圖4所示。

如圖3所示，樁體中部軸力較大，隨著樁間距的增加，樁體軸力也明顯增大，且樁體中部軸力增量幅度明顯大于樁體兩端。當(dāng)樁間距較小時(shí)，樁體軸力的變化相對(duì)較小，分布較為均勻，樁體中部軸力略大于兩端；當(dāng)樁間距 ＞2.0 m時(shí)，樁體中部軸力遠(yuǎn)大于樁體兩端。

如圖4所示，隨著填土高度的增大，樁土應(yīng)力比也明顯增大。當(dāng)填土高度不變時(shí)，樁土應(yīng)力比隨著樁間距的增大明顯增大。同時(shí)，樁土應(yīng)力比隨樁間距的變化其曲線斜率呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。其原因?yàn)樵谔钔粮叨容^小時(shí)，土體較松散，隨著填土高度的增加，先期的回填土在上部土體荷載作用下逐漸密實(shí)，內(nèi)摩擦角增大，樁土之間的整體性明顯增強(qiáng)，共同承擔(dān)荷載，因此樁土應(yīng)力比的增加逐漸變緩。

3.2 樁長(zhǎng)對(duì)復(fù)合地基的影響

為了研究樁長(zhǎng)對(duì)CFG樁復(fù)合地基加固效果的影響，分別選取樁長(zhǎng)為 18.0 m、 20.0 m、 22.0 m、 24.0 m、 26.0 m五種工況進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，分析樁長(zhǎng)對(duì)CFG樁復(fù)合地基沉降及力學(xué)特性的影響。

3.2.1 樁長(zhǎng)對(duì)復(fù)合地基沉降的影響

通過(guò)分析不同樁長(zhǎng)工況下的數(shù)值計(jì)算結(jié)果，可得到不同的復(fù)合地基豎向沉降，如表4所示；路基、樁間土、下臥層的最大沉降隨樁長(zhǎng)的變化如圖5所示。

由表4和圖5可知，在樁長(zhǎng)為18.0 m的工況下，路基、樁間土及下臥層的最大沉降量分別為 8.69 cm、 8.29 cm、 6.79 cm；在樁長(zhǎng)為 20.0 m的工況下，路基、樁間土及下臥層的最大沉降量分別為 5.39 cm、 4.89 cm、 3.31 cm，分別減少了37.9%、41.1%、51.3%；當(dāng)樁長(zhǎng)≥ 20.0 m時(shí)，路基、樁間土及下臥層的最大沉降量幾乎不隨樁長(zhǎng)的增加發(fā)生變化。分析其原因?yàn)?，?dāng)樁長(zhǎng)為 18.0 m，樁體下端未深入到持力層，復(fù)合地基未達(dá)到預(yù)期效果，整體沉降依然較大；當(dāng)樁長(zhǎng)為 20.0 m時(shí)，樁體下端深入持力層；當(dāng)樁長(zhǎng) ＞20.0 m時(shí)，樁長(zhǎng)對(duì)復(fù)合地基沉降的影響不明顯。因此，在實(shí)際工程中，設(shè)計(jì)CFG樁樁長(zhǎng)時(shí)，在保證樁體下端伸入到持力層的前提下，可以選取較小的樁長(zhǎng)以控制成本。

3.2.2 樁長(zhǎng)對(duì)復(fù)合地基力學(xué)特性的影響

監(jiān)測(cè)樁體軸力與樁土應(yīng)力比，分別得到樁體軸力和樁土應(yīng)力比變化曲線如下頁(yè)圖6～7所示。

如圖6～7所示，隨著樁長(zhǎng)的增加，樁體的最大軸力在不斷增大。當(dāng)樁長(zhǎng)由 18.0 m增加至 20.0 m時(shí)，樁體軸力明顯增大；當(dāng)樁長(zhǎng) ＞20.0 m時(shí)，樁體上部的軸力基本保持不變，樁體下部的軸力隨著樁長(zhǎng)的增大逐漸增大。樁土應(yīng)力比隨著樁長(zhǎng)的增加而明顯增大，在樁長(zhǎng)為 18.0 m時(shí)，樁土應(yīng)力比較小，僅為1.60；當(dāng)樁長(zhǎng)為 20.0 m時(shí)，樁土應(yīng)力比為2.43；當(dāng)樁長(zhǎng)增加到 26.0 m時(shí)，樁土應(yīng)力比增大到3.12，樁土應(yīng)力比隨樁長(zhǎng)的變化曲線呈現(xiàn)先陡后緩的趨勢(shì)。綜上，對(duì)于該模型，選取樁長(zhǎng)為 20.0 m較為合適。同時(shí)，對(duì)于大多數(shù)實(shí)際工程，樁長(zhǎng)是有合適長(zhǎng)度的。

3.3 樁徑對(duì)復(fù)合地基的影響

為了研究樁徑對(duì)CFG樁復(fù)合地基加固效果的影響，分別選取樁徑為 0.4 m、 0.5 m、 0.6 m、 0.7 m、 0.8 m五種工況進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，分析不同樁徑對(duì)CFG樁復(fù)合地基沉降及力學(xué)特性的影響。

3.3.1 樁徑對(duì)復(fù)合地基沉降的影響

通過(guò)分析不同樁徑工況下的數(shù)值計(jì)算結(jié)果，可得到不同的復(fù)合地基豎向沉降，如表5所示。路基、樁間土、下臥層的最大沉降隨樁徑的變化曲線如圖8所示。

由表5和圖8可知，隨著樁徑的增大，復(fù)合地基各部分的最大沉降均逐漸減小。在樁徑為 0.4 m的工況下，路基、樁間土及下臥層的最大沉降量分別為 6.81 cm、 6.29 cm、 4.48 cm；當(dāng)樁徑增大到 0.8 m的工況下，路基、樁間土及下臥層的最大沉降量分別為 3.95 cm、 3.10 cm、 1.77 cm，分別減少了42.0%、50.7%、60.5%。

3.3.2 樁徑對(duì)復(fù)合地基力學(xué)特性的影響

監(jiān)測(cè)樁體軸力與樁土應(yīng)力比，分別得到樁體軸力和樁土應(yīng)力比變化曲線如圖9～10所示。

如圖9～10所示，隨著樁徑的增加，樁體的最大軸力在不斷增大，樁土應(yīng)力比隨著樁徑的增加而逐漸減小。在樁徑為 0.4 m時(shí)，樁土應(yīng)力比為2.67；當(dāng)樁徑增加到 0.8 m時(shí)，樁土應(yīng)力比減小到1.92。因此，對(duì)于該模型，選取樁徑為 0.4 m較為合適，同時(shí)對(duì)于大多數(shù)實(shí)際工程，考慮到樁土應(yīng)力比，CFG樁的樁徑取值不宜過(guò)大。

4 結(jié)語(yǔ)

本文為研究影響CFG樁復(fù)合地基變形及力學(xué)性能的因素，以某城市高速公路橋梁與軟土路基過(guò)渡段的地基處理實(shí)際工程為例，通過(guò)Midas GTS NX軟件建立數(shù)值模型進(jìn)行計(jì)算，分析CFG樁樁間距、樁長(zhǎng)和樁徑對(duì)路基加固效果的影響，所得結(jié)論如下：

（1）隨著CFG樁樁間距逐漸增大，復(fù)合路基各部分對(duì)應(yīng)的最大沉降量逐漸增大，樁體沉降與樁間土沉降之間的差值也逐漸增大，樁體軸力明顯增大，且樁體中部軸力增量幅度明顯大于樁體兩端。當(dāng)填土高度不變時(shí)，樁土應(yīng)力比隨著樁間距的增大明顯增大，且樁土應(yīng)力比隨樁間距的變化其曲線斜率呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。

（2）當(dāng)樁體下端未深入到持力層時(shí)，復(fù)合地基不能達(dá)到預(yù)期效果，整體沉降較大；當(dāng)樁體下端深入持力層時(shí)，樁長(zhǎng)對(duì)復(fù)合地基沉降的影響不明顯。隨著樁長(zhǎng)的增加，樁體的最大軸力和樁土應(yīng)力比在不斷增大，樁土應(yīng)力比隨樁長(zhǎng)的變化其曲線呈現(xiàn)先陡后緩的趨勢(shì)。在實(shí)際工程中，設(shè)計(jì)CFG樁樁長(zhǎng)時(shí)，在保證樁體下端深入到持力層的前提下，可以選取較小的樁長(zhǎng)以控制成本。

（3）隨著樁徑的增大，復(fù)合地基各部分的最大沉降均逐漸減小，樁體的最大軸力在不斷增大，樁土應(yīng)力比逐漸減小。因此，對(duì)于該模型，選取樁徑為 0.4 m較為合適，同時(shí)對(duì)于大多數(shù)實(shí)際工程，考慮到樁土應(yīng)力比，CFG樁的樁徑取值不宜過(guò)大。

參考文獻(xiàn)

［1］崔 凱，楊文恒.軟土路基沉降的聯(lián)合法預(yù)測(cè)研究［J］.西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，52（5）：926-934.

［2］吳 楠，肖軍華.軟土地區(qū)地鐵高架結(jié)構(gòu)不均勻沉降特征與影響因素［J］.交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2017，17（2）：12-20.

［3］鄭 剛，龔曉南，謝永利，等.地基處理技術(shù)發(fā)展綜述［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2012，45（2）：127-146.

［4］姚云龍，張曉輝，劉 鑫，等.基于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的CFG樁復(fù)合地基樁帽與墊層效應(yīng)分析［J/OL］.太原理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2022-08-25.

［5］周 鵬.CFG樁處理軟土路基沉降監(jiān)測(cè)及FLAC3D模擬分析［D］.武漢：湖北工業(yè)大學(xué)，2021.

［6］趙明志，羅 強(qiáng)，崔維孝，等.高速鐵路深厚地層CFG樁復(fù)合地基變形計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)分析［J］.鐵道學(xué)報(bào)，2015，37（1）：69-76.

［7］王 帥，李曾樂(lè).超高應(yīng)力作用下CFG樁復(fù)合地基破壞性試驗(yàn)研究與有限元分析［J］.工程技術(shù)研究，2020，5（13）：20-21.

［8］李 薇，劉 健.CFG樁復(fù)合地基沉降與荷載關(guān)系的ANSYS分析［J］.礦業(yè)工程，2010，8（2）：64-65.

［9］仝云蒙.CFG樁網(wǎng)復(fù)合地基處理橋頭跳車(chē)問(wèn)題研究［D］.邯鄲：河北工程大學(xué)，2021.

［10］葛建東.CFG樁在高速鐵路軟土地基處理中的應(yīng)用研究［D］.濟(jì)南：山東建筑大學(xué)，2021.

收稿日期：2022-10-20