海城西站CFG桩帽复合地基数值分析

肖 伟，王建西

(1.中铁二局股份有限公司，四川成都 610032;2.石家庄铁道大学土木工程学院，河北石家庄 050043)

CFG桩帽复合地基由CFG桩、桩间土、钢筋混凝土帽及褥垫层等几部分组成，是当前高速铁路建设中常用的软基加固处理措施。虽然应用较广，施工技术也已日趋成熟，但在应力、变形分析上却一直未能形成一套成熟可靠的计算分析方法［1-3］。本文以通用有限元程序为工具，对哈大客专海城西站CFG桩帽复合地基进行了数值分析，在复合地基计算分析方法上进行了一次有益探索，分析方法及结论可为设计及施工提供参考。

1 工程概况

哈大客专海城车站里程范围为DK255+347—DK256+920，以填方通过冲洪积平原，地形平坦开阔，地基土层以粉质黏土、中粗砂为主。该段路基填土高6～8 m，基底采用CFG桩加固，桩径0.5 m，间距1.5 m，正方形布置，桩长25～30 m。正线轨道板1∶1范围内桩顶设C30混凝土桩帽，桩帽顶面尺寸1.0 m×1.0 m，厚0.5 m，桩顶嵌入其下部0.1 m。其余桩顶不设桩帽，桩顶与桩帽顶面平齐。桩帽(或桩)顶设置0.6 m厚的砂夹碎石垫层，垫层内夹铺两层高强度土工格栅。其典型地段结构(DK256+600断面)如图1所示。

2 CFG桩帽结构数值分析

2.1 建模

图1 CFG桩帽地基结构示意(单位:m)

以DK256+600断面为原型，采用ANSYS程序对CFG桩帽地基进行二维数值分析。为建模简便，仅对桩帽地基结构进行分析，水平宽度取3倍加固区宽，垂直方向自地面以下取2倍桩长［4-7］。二维平面内桩体计算宽度根据平面法线方向单位厚度内桩体体积大小换算得出，本例取0.13 m，桩长取30 m。桩体及桩帽材料假设为线弹性体，土体及褥垫层材料用Drucker-Prager弹塑性模型来模拟［8］。为使模型更切合实际，对土体进行了分层处理。边界条件为左右两侧约束水平方向位移，底边为固定约束。

2.2 材料参数

根据地质勘探及相关参考资料，各层材料计算参数取值见表1。

2.3 计算结果分析

计算时将3.5 m高预压土荷载(相当于列车荷载)连同路堤填土换算成203 kPa均布荷载后施加于地基上。分别对有CFG桩加固和无CFG桩加固两种工况进行求解分析。

2.3.1 应力分析

计算得出地基中心处有桩地基中桩身、桩间土附加应力以及无桩地基土体附加应力分布，如图2所示。

表1 各层材料计算参数

计算结果表明，无桩地基附加应力最大为200 kPa左右，由上向下逐渐衰减，在地面以下约43 m处减少到0.1倍自重应力以内。在有桩地基中，加固区内桩间土体应力大小在2～32 kPa之间，在桩底处应力突然增大到84～135 kPa左右，随后在下卧层中逐渐衰减，于桩底以下约21 m处减少到0.1倍自重应力以内。CFG桩身应力大小则在1 000～2 300 kPa之间，从上向下逐渐减小。

图2 不同工况地基附加应力分布

通过比较可以看出，加固后桩间土体应力大幅减少，桩中应力远大于周边土体应力，说明褥垫层、桩帽有效分担了上部荷载并将其传递给了CFG桩体，加固区的桩体起主要承载作用，桩土间模量置换作用明显。桩底附近出现了应力突变，下卧层土体应力较无桩地基中对应部位的要大，说明加固区将荷载传递给了下卧层，下卧层在整个复合地基中起着重要承载作用。

计算得出有桩地基中土体附加应力大于0.1倍自重应力的土层厚度(约21 m，加固区范围因应力较小忽略不计)远小于无桩地基中厚度(约43 m)，且计算附加应力也较后者要小得多，说明加固后地基沉降量也必然会大幅减小。

2.3.2 沉降分析

求解得出的地基沉降结果如图3所示。

计算得出地基最终沉降无加固时为124.5 mm，有加固时仅为43.5 mm，沉降减少了65%左右，加固后的地基沉降远小于相应的天然地基沉降，沉降得到了有效控制，加固方案效果显著。

计算得出加固区压缩量为7.9 mm，下卧层的压缩量为35.6 mm，下卧层压缩量比加固区的大，所体现的沉降分布规律与应力分布规律基本一致。由综合应力、沉降结果分析可知，在下卧层为非刚卧层情况下，下卧层变形量对总沉降贡献比较大，控制地基沉降应以控制下卧层压缩量为主;此时需合理选择桩长及下卧地层，一般应将下卧层设置在地质条件较好、压缩模量较大地层，以达到减少地基总沉降的目的。

图3 地基沉降等值线(单位:m)

3 实测沉降结果

该车站地基处理2009年5月完成，土方填筑当年10月填完，预压土堆载2009年11月中旬完成，2010年5月下旬卸载。地基沉降通过设置在地基中线上的沉降板观测，测点纵向间距50 m。该站共设沉降观测截面39个，堆载预压6个月后地基沉降观测值在5～9 mm之间，采用双曲线法预测工后沉降为1～2 mm。图4为DK256+600断面沉降观测实测及最终沉降推测曲线，推算得出该断面地基最终沉降值为7 mm左右，预测工后沉降在1 mm左右。

图4 DK256+600断面S—t曲线

该车站地基沉降实测数据表明，加固后沉降量相当小，预测工后沉降远小于设计允许值(15 mm以内)，桩帽结构加固软基实际运用效果很好。

有限元计算出的最终沉降值为43.5 mm，实测沉降推算值仅为7.0 mm，二者差异较大，主要原因有以下几点:

1)地基土层计算参数的选值往往与实际存在偏差，这是导致理论计算与实际观测结果出入较大的主要原因，也是目前影响土工理论计算精确度的主要因素。

2)有限元计算分析手段存在一定局限性，未能充分考虑桩土摩擦、挤压、固结等因素，计算模型与实际地质、物理模型有一定出入。

3)沉降观测采用沉降板法，于地基处理后才开始观测，地基处理过程中的瞬时沉降未包括在实测数据内，从而导致预测总沉降值偏小。

总之，从目前计算方法及分析手段来看，要想准确计算出地基沉降值仍存在较大困难，因此需采取理论计算与现场实测相结合的方法，从多方面入手来提高地基沉降确定值的可靠性。如改进计算模型及方法，使之尽可能与实际相符;加强地基土工试验研究，获取更准确的地层参数;改进沉降观测手段，提高沉降观测的准确性;坚持长期观测，做好地基沉降数据积累，为类似工程的沉降预测提供参考等。

4 结语

1)数值分析结果表明，CFG桩帽结构改变了地基中应力分布状态，降低了桩间土体附加应力，部分荷载通过桩传递至下卧层，下卧层在整个复合地基中起着重要承载作用。

2)计算结果表明，复合地基加固区的沉降压缩量很小，地基总沉降大小主要取决于下卧层的沉降压缩量，因此合理选择桩长及下卧层，是控制总沉降大小的关键。

3)计算结果表明，加固后的地基沉降要远小于相应的天然地基沉降，沉降量减少达65%左右。车站各断面实测沉降量相当小，预测工后沉降在2 mm以内，桩帽结构加固软基实际运用效果很好。

4)数值分析结果虽然与实测结果差异较大，但其所体现出的复合地基承载规律是合理可信的。与解析方法相比，数值法在定性分析上具有一定优势。如何减小计算误差，提高其定量分析精确度，有待今后进一步研究。

［1］周京华，罗书学，陈禄生．地基处理［M］．成都:西南交通大学出版社，1997．

［2］肖伟，王建西，马斌．京津城际永乐站CFG桩复合地基沉降有限元分析［J］．铁道建筑，2007(7):75-77．

［3］丁铭绩．高速铁路CFG桩桩板复合地基工后沉降数值模拟［J］．中国铁道科学，2008，29(3):1-6．

［4］舒玉，严战友，刘红峰．高速铁路CFG桩承载力试验分析［J］．铁道建筑，2010(2):55-57．

［5］崔维秀，苏谦，丁兆锋．武广客运专线软基处理措施与工后沉降分析［J］．路基工程，2008(1):36-37．

［6］潘星．CFG桩复合地基沉降计算探讨［J］．岩土力学，2005，26(5):248-251．

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［8］易图兵，肖伟．鞍山西站CFG桩板复合地基加固效果分析［J］．路基工程，2011(2):105-107．