柔性荷载下CFG桩复合地基沉降特性的数值模拟分析

谢理民

（中铁第四勘察设计院集团有限公司杭州分院 杭州 310017）

0 前 言

甬台温客运专线设计车速250km／h，路基变形和工后沉降量要求严格，从而对路基处理的设计和施工质量提出了很高的要求.对于全段软土及可压缩性粘性土，根据不同土层的厚度及其物理力学指标、地面及基底横坡，和线路所处位置，按照无渣轨道的变形控制条件，共对全段14.207 km的软弱地基进行处理设计，设计的地基处理措施中包括CFG桩复合地基.

高速铁路路基承担的荷载是由刚度很小的路堤传递的，为柔性基础下复合地基.目前国内外对于刚性基础下复合地基的工作性状已开展了较多的研究工作，但对基础刚度对复合地基性状的影响尤其是柔性基础下复合地基工作性状的研究工作较少［1－5］，对柔性基础下桩、土变形特性还缺乏全面的了解.

本文取自甬台温客运专线具有代表性的断面进行数值模拟［6－9］，对影响CFG复合地基变形的各种因素进行分析，为高速铁路应用CFG复合地基提供理论依据.

1 计算模型

根据断面设计图，取计算宽度大于4倍路基宽度，计算宽度为100m；桩长取20m，下卧土层10m，由于下伏基岩，计算深度取40m，岩土层分为4层.路堤高度2m，坡度1∶1.5，垫层厚度0.6m，作用荷载取200kPa.图1为计算模型简图.计算时土的本构模型采用Mohr－Coulomb模型，桩体混凝土采用线弹性模型，考虑桩土之间的相对滑动及土体和桩体的重力.地表面处节点自由，其它边界节点为铰支.

图1 计算模型简图

为了解垫层模量、桩身强度及桩底土层的压缩性对复合地基沉降特性的影响，取不同的方案进行计算.垫层模量分别取20，30，50，100，200和400MPa；桩身模量分别取1×103，3×103，5×103，1×104，2×104MPa；桩底土分别取20，30，40，50MPa进行计算.

2 CFG桩复合地基沉降特性数值模拟

CFG桩复合地基沉降分布见图2，由图中可见，桩的上下两端存在明显的刺入变形，桩的上下两端附近的土层面沉降均呈V形分布.离路堤中线越近，加固区和下卧土层沉降越大.对于桩顶上刺变形，中心桩处最大，随着桩体远离路堤中线，其上刺量变小，但边桩处稍有反弹.路堤中线附近桩顶上刺变形比较均匀，在路堤边线附近桩顶上刺变形减小较快.对于桩底下刺变形，中心桩处下刺量最大，随着桩体与路堤中线距离的增加，总体上呈减小的趋势.

图2 CFG桩复合地基沉降分布（竖向放大50倍）

在桩身上部，土的位移大于桩的位移，故桩上作用有负摩阻力.由于中心桩桩土相对位移比边桩的大，则其“中性点”位置也要比边桩深.

桩顶应力云图见图3，从图中可以看出，垫层在CFG桩顶形成了明显的土拱，正因为拱效应的存在使垫层承受的应力向桩顶集中，从而发挥桩的作用.

图3 桩顶应力云图

3 数值模拟结果分析

3.1 身弹性模量对复合地基沉降的影响

取中心桩的沉降作为代表，不同桩身弹性模量的模拟计算结果见图4，路基沉降与桩身弹性模量的关系曲线见图5.由图5可看出：（1）随桩身弹性模量的增大，路基沉降总体呈减少的趋势；（2）桩身弹性模量小于3GPa时，桩身弹性模量对复合地基沉降影响较大；（3）桩身弹性模量达到3GPa后，桩身弹性模量对复合地基沉降影响显著减小；特别当桩身弹性模量达到5GPa后，变化幅度仅为7.1%.说明在200kPa的荷载作用下，复合地基沉降基本不受桩身弹性模量影响.

图4 不同桩身弹性模量的模拟计算结果

图5 路基沉降与桩身弹性模量的关系曲线

3.2 垫层弹性模量对复合地基沉降的影响

取中心桩的沉降作为代表，不同垫层弹性模量的模拟计算结果见图6，路基沉降与垫层弹性模量的关系曲线见图7.由图7可看出：（1）随垫层弹性模量的增大，路基沉降总体呈减少的趋势；（2）垫层弹性模量小于50MPa时，随着垫层弹性模量的增大，沉降量急剧减少；（3）垫层弹性模量达到50MPa后，关系曲线基本成直线，说明在200kPa的荷载作用下，垫层弹性模量基本不对复合地基的沉降产生影响.

3.3 桩底土压缩模量对复合地基沉降的影响

图6 不同垫层弹性模量的模拟计算结果

图7 路基沉降与垫层弹性模量的关系曲线

同样取中心桩的沉降进行分析，下卧土层不同压缩模量的模拟计算结果见图8，路基沉降与垫层弹性模量的关系曲线见图9.由图9可看出：（1）随下卧土层压缩模量的增大，路基沉降量减少；（2）下卧土层压缩模量大于40MPa时，路基沉降量有变缓的趋势；（3）在200kPa的荷载作用下，当下卧土层压缩模量为20MPa时，路基中部的沉降明显出现差异，不均匀程度加大；下卧土层压缩模量大于30MPa时，路基中部的沉降相对较均匀.但总体来看，下卧土层的压缩模量对复合地基的沉降影响比较大.

图8 下卧土层不同压缩模量的模拟计算结果

图9 路基沉降与垫层弹性模量的关系曲线

4 结 论

1）随桩身弹性模量的增大，路基沉降总体呈减少的趋势；桩身弹性模量小于3GPa时，桩身弹性模量对复合地基沉降影响较大；桩身弹性模量达到3GPa后，桩身弹性模量对复合地基沉降影响显著减小；特别当桩身弹性模量达到5GPa后，复合地基沉降基本不受桩身弹性模量影响.

2）随垫层弹性模量的增大，路基沉降总体呈减少的趋势；垫层弹性模量小于50MPa时，随着垫层弹性模量的增大，沉降量急剧减少；垫层弹性模量达到50MPa后，垫层弹性模量基本不对复合地基的沉降产生影响.

3）随下卧土层压缩模量的增大，路基沉降量减少；下卧土层压缩模量大于40MPa时，路基沉降量有变缓的趋势.但总体来看，下卧土层的压缩模量对复合地基的沉降影响比较大.

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