王操，時(shí)貞祥，劉大鵬，羅浩天，李國棟

（1.中國電建市政建設(shè)集團(tuán)有限公司，天津300384；2.山東大學(xué)土建與水利學(xué)院，濟(jì)南250061）

1 引言

我國幅員遼闊，海岸線較長，在沿海一帶形成了有一定規(guī)律分布，同時(shí)性質(zhì)差異較大的軟土分布區(qū)域。 相對(duì)一般的軟土而言，海域?yàn)┩寇涴ね恋暮矢?，抗剪?qiáng)度很低，土體孔隙比大，壓縮性高，受施工擾動(dòng)后會(huì)發(fā)生很大的沉降變形[1-2]。為此， 公路鐵路建設(shè)中軟土地基處理大量采用樁體較強(qiáng)的CFG 樁進(jìn)行加固。 然而，采用CFG 樁處理受潮汐動(dòng)水壓力作用的內(nèi)海灘涂軟土?xí)r，會(huì)對(duì)周邊軟土有擠壓、擾動(dòng)破壞作用，同時(shí)潮汐作用導(dǎo)致內(nèi)海灘涂軟土內(nèi)的孔隙水壓力處于動(dòng)態(tài)變化，這些都會(huì)大大降低CFG 樁的完整性和承載能力，增大了CFG 樁施工難度，無形中增加了建設(shè)成本，延誤了施工進(jìn)度。進(jìn)行路基填筑時(shí)，CFG 樁有可能會(huì)出現(xiàn)剪切、傾斜和彎曲的破壞現(xiàn)象，并且呈現(xiàn)多米諾骨牌的效應(yīng)，使路基快速產(chǎn)生外擠、下沉和開裂變形的破壞，導(dǎo)致公路路基無法滿足使用要求[3-4]。雖然隨著CFG 樁技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，已有相當(dāng)多的成功運(yùn)用的工程實(shí)例， 它們?cè)谔幚砭哂熊浫跣酝临|(zhì)的承載力和沉降方面都取得了很好的效果，但是CFG 樁技術(shù)理論發(fā)展相對(duì)有些滯后，尤其在我國東部沿海城市，不僅廣泛分布著海相淤泥質(zhì)地層，而且還要受到海洋潮汐往復(fù)地循環(huán)動(dòng)荷載作用[5-6]，在這樣復(fù)雜的潮汐區(qū)淤泥質(zhì)地層之中開展CFG 樁施工建設(shè)難度極大，且無成熟的技術(shù)理論支持和參考。

為此，本文通過建立潮汐區(qū)淤泥質(zhì)基礎(chǔ)CFG 樁施工的數(shù)值計(jì)算模型，開展潮汐區(qū)淤泥質(zhì)基礎(chǔ)CFG 群樁施工質(zhì)量特征研究，為潮汐區(qū)淤泥質(zhì)基礎(chǔ)CFG 樁施工質(zhì)量控制方法提供重要的技術(shù)理論。

2 數(shù)值模擬

2.1 工程概況

福鼎市濱海大道是城市南北向重要的交通走廊， 是福鼎老城區(qū)和海灣新城、點(diǎn)頭、白琳組團(tuán)重要的交通干道，線路全長10.69km。 其中，K0+710～K0+800、K0+820～K0+985、K1+020～K1+522、K1+542～K1+820 段為水泥粉煤灰碎石樁軟基處理。在CFG 樁施工前需清淤換填海砂0.5 m， 然后填筑海砂平臺(tái)至3.5 m 標(biāo)高，當(dāng)CFG 樁施工完畢后，進(jìn)行反開挖施工做樁帽隔梁及褥墊層。 海砂平臺(tái)與CFG 樁組成復(fù)合地基，為路基穩(wěn)定性提供保障。 海域段原地面高程平均為-0.5 m，海砂平臺(tái)填筑高度約4.5 m，填筑量246 581 m3，清淤換填總量37 936 m3，沉降補(bǔ)償總量37 936 m3。 CFG 樁處理區(qū)域地段屬典型海相沖淤積地貌，廣泛分布有軟土層（淤泥），地形變化小，地勢(shì)較平緩。 該段基底土層為淤泥層，屬典型軟土路基，土層壓縮性高，承載力低，穩(wěn)定性差。

2.2 數(shù)值計(jì)算模型

該工程按城市主干路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計(jì)速度50 km/h，雙向四車道，普通路段路寬40 m，海堤路段路寬48 m，路面采用瀝青混凝土路面。地基斜面坡度為1∶1.5，內(nèi)海與外海有明顯水位差。根據(jù)受力情況將地基土體與CFG 樁模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，如圖1所示，建立CFG 樁施工地基模型，其中地基頂面寬度D1=40 m，底面寬度D2=60 m，深度H=15 m，CFG 樁直徑d=0.6 m，埋深h=10 m。 地基土體劃分為1 562 400 個(gè)單元，每個(gè)CFG 樁劃分為168 個(gè)單元，為20 結(jié)點(diǎn)含孔隙壓力的六面體單元，二次位移，線性孔隙壓力，減縮積分，橫向縱向樁間間距1.5 m。

圖1 地基土體模型圖

通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)土樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，得到土體基本力學(xué)參數(shù)，采用修正Drucker-Prager 帽蓋模型進(jìn)行模擬， 其中彈性模量Es=100 MPa，干密度ρd=1 800 kg/m3，黏聚力c=80 kPa，屈服面傾角β=30°，帽蓋離心率0.1，過渡表面半徑0.03，流動(dòng)應(yīng)力比K=1， 滲透系數(shù)k=2.5×10-10 m/s， 初始孔隙比e0=2， 采用C3D20R 孔隙流體/ 應(yīng)力單元類型。 樁體采用彈性模型，彈性模量Ep=15 GPa，密度ρ=2 500 kg/m3，采用C3D20R 三維應(yīng)力單元類型，樁土之間的摩擦系數(shù)μ=0.7，通過膨脹模擬CFG 樁對(duì)地基土體擠壓作用，膨脹系數(shù)α=1×10-5。

3 CFG群樁施工特征分析

3.1 起始臨樁施工特征分析

圖2、 圖3 分別給出了起始臨樁CFG 樁施工引起的地基水平和豎向位移。 由圖2 和圖3 可知：（1）土體受CFG 樁灌注擠壓，周邊土體向四周進(jìn)行擴(kuò)展；其中CFG 樁兩側(cè)的水平位移呈現(xiàn)CFG 樁頂部膨脹較大， 在地基土體表面有較大的影響，同時(shí)隨著埋深的增加，水平位移影響范圍也下降為最小。（2）CFG 樁施工后地基土體豎直位移變化水平位移變化相似，其中CFG 樁兩側(cè)的豎直位移呈現(xiàn)CFG 樁頂部膨脹較大，在地基土體表面有較大的影響，具體表現(xiàn)為影響范圍較大，且豎直位移大小較為明顯，同時(shí)隨著埋深的增加，豎直位移快速下降，達(dá)到最低值，影響范圍也下降為最小。

圖2 地基水平位移剖面云圖（單位：m）

圖3 地基豎直位移等值面圖（單位：m）

3.2 單排樁施工特征分析

圖4 給出了單排CFG 樁施工引起的豎向位移。 由圖4 可知：CFG 樁在施工過程中不僅影響周邊土體，還對(duì)較遠(yuǎn)處的土體有影響，周邊土體中土體頂部最大，呈現(xiàn)半橢圓球形，隨著埋深的增加逐漸降低，在CFG 底部有一處影響較為均勻的區(qū)域，沉降分布較為相同。

圖4 地基沉降等值面圖（單位：m）

3.3 雙排樁施工特征分析

圖5、 圖6 分別給出了雙排CFG 樁施工引起的地基水平和豎向位移。 由圖5 和圖6 可知：（1） 當(dāng)?shù)鼗馏w打入兩排CFG 樁時(shí)，與單排CFG 樁施工后水平位移變化相似；（2）雙排CFG 樁在施工過程中不僅影響周邊土體， 還對(duì)較遠(yuǎn)處的土體有影響，周邊土體中土體頂部最大，呈現(xiàn)半橢圓球形，隨著埋深的增加逐漸降低，隨著埋深達(dá)到CFG 樁底部后，有一個(gè)較為明顯的等值球形。

圖5 地基水平位移等值面圖（單位：m）

圖6 地基數(shù)值沉降等值面圖（單位：m）

4 結(jié)論

CFG 樁技術(shù)雖然已在處理具有軟弱性土質(zhì)的承載力和沉降方面取得了很好的效果，但是CFG 樁技術(shù)理論在我國東部沿海城市潮汐區(qū)淤泥質(zhì)地層之中開展施工建設(shè)難度仍然極大，且無相關(guān)技術(shù)理論支持和參考。 為此，基于數(shù)值計(jì)算分析方法，建立了潮汐區(qū)淤泥質(zhì)基礎(chǔ)CFG 樁施工力學(xué)模型，通過開展潮汐區(qū)淤泥質(zhì)基礎(chǔ)CFG 群樁施工質(zhì)量特征研究，主要研究結(jié)論如下：

1）CFG 樁對(duì)下部淤泥黏土影響隨深度變化逐漸降低；

2）CFG 樁單排樁施工后，CFG 樁兩側(cè)的豎直位移呈現(xiàn)CFG 樁頂部膨脹較大，而在CFG 底部沉降分布較為相似；

3）CFG 樁雙排樁施工后，CFG 樁不僅影響周邊土體，還對(duì)較遠(yuǎn)處的土體有影響。