高速公路软土地基加固效果数值模拟

赵 亮，王昌贤，王俊杰

(1.核工业西南勘察设计研究院有限公司，四川 成都 610061；2.重庆交通大学 河海学院，重庆 400074)

场区为杭瑞高速公路贵州遵义—毕节(K 1715 + 080 ～ K 1715 + 180)段软土地基。贵州省山区高速公路建设中面临较为复杂软土地基的情况，以及潮湿、多雨的气候条件，软土地基处理技术难度大。对于贵州山区较深大的软土路基，以往常采用碎石桩进行处理。碎石桩是由碎石为主要材料加工制成的散体桩，主要靠桩周土的侧向约束形成桩身强度，受桩体侧向约束条件限制影响大，满足要求较难，但造价低。而CFG桩是在碎石桩承载特性不足的基础上，经过技术改进发展而来的。CFG桩可全桩发挥桩的侧摩阻力，且桩端落在好的土层上，通过发挥端阻力的作用，使复合地基的承载力大大增加，满足复合地基处理要求较易，但造价高。笔者模拟利用碎石桩与CFG桩组合处理高速公路软土地基，并与仅碎石桩和仅CFG桩加固处理的地基作对比，采用PLAXIS软件[1]进行有限元分析，研究这三种处理方法的加固效果及经济性。

1 有限元模型

碎石桩是指采用振动、冲击或水冲等方法在软弱地基中成孔后，将碎石挤入土中形成大直径的由碎石所构成的密实桩体，与土体形成复合地基[2-3]。

CFG桩是水泥粉煤灰碎石桩的简称。它是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌和形成的高黏结强度桩，和桩间土、褥垫层一起形成复合地基[4]。

碎石桩与CFG桩组合加固地基是由基体(天然地基土体)和两种增强体三部分组成，将碎石桩和CFG桩各自的优势进行互补形成复合地基[5-7]。

1.1 工程地质条件

据工程地质调绘和钻探揭露，该段地基岩土构成自上而下分述如下。

粉质黏土：黄色、灰黄色，可塑状，顶部为耕土，含少量质物根系，路段内均有分布，为顶部硬壳层，钻探揭露厚度为2.0～4.5 m。

淤泥质土：灰色、灰绿色及灰黑色，流塑状～软塑状，含10%～20%碎石，碎石粒径约1～10 mm，成分主要为强风化泥质粉砂岩，路段内均有分布，钻探揭露厚度为3～12 m。

碎石土：灰色、灰黑色，碎石成分为泥质粉砂岩钙质泥岩，碎石粒径40～80 mm，含量52%结构松散状。湿至饱和含水，路段内均有分布，钻探揭露厚度为2.0～9.0 m。

本地段内分布有淤泥质黏土等软土，软土具有含水量高﹑孔隙比大和透水性低等特点，最深处达14 m，工程地质性质较差，必须进行软基处理。

1.2 几何模型

为便于建模，路基用平面应变模型分析。杭瑞高速公路贵州境内遵义至毕节(K 1 715+080～K 1 715+180)段断面K 1 715+090为典型断面，其土层厚度比较接近各土层平均厚度，路堤断面亦具有代表性，依据其为典型断面建立模型。模型各项尺寸：模型全宽80 m；碎石土层厚度8 m；淤泥质土层厚度9 m；粉质黏土层厚度2.5 m；褥垫层厚度0.5 m；路堤填土高度5 m；路堤坡脚至边界长22 m；路堤底面宽度36 m；路堤顶面宽度20 m，边坡坡率1∶1.5；桩径0.5 m；桩长12 m；桩间距2 m。几何模型如图1。

图1 地基断面几何模型示意(单位：m)Fig.1 Diagram of foundation section geometric model

1.3 基本假定

基本假定[8]：①由于路基的对称性，此模型只考虑路基的右半幅；②土的本构关系采用摩尔-库伦理想弹塑性本构关系，屈服准则为摩尔-库伦强度准则；③桩采用PLAXIS中板单元模拟；④土工格栅采用PLAXIS中Geogrids单元模拟；⑤两侧边界条件为水平约束，模型底部边界条件为水平和竖向约束。

1.4 有限元建模

三种加固地基方式，只是桩的材料作为变量，故都采用同一模型进行有限元分析。碎石桩加固地基模型中的桩全为碎石桩，CFG桩加固地基中的桩全为CFG桩，碎石桩与CFG桩组合加固地基中的桩为两种桩交替布置，其模型如图2。

图2 加固地基模型示意(单位：m)Fig.2 Model of reinforce foundation

三种加固方式模型网格划分如图3。

图3 有限元模型网格划分示意Fig.3 Diagram of finite element model divided mesh

模型中土工格栅轴向刚度取900 kN/m，其他单元的参数如表1、表2。

表1 各土层参数 Table 1 Parameters of soil

表2 CFG桩与碎石桩参数 Table 2 Parameters of CFG pile and gravel pile

2 计算结果分析

2.1 路堤位移变化分析

根据PLAXIS有限元模拟的计算，得到的碎石桩、CFG桩、碎石桩与CFG桩组合加固地基的位移数据，绘制成曲线如图4。

图4 不同加固形式下路堤底水平位移Fig.4 Displacement at the bottom of embankment in the form of different reinforcement

由图4(a)可以看出，CFG桩加固地基桩间土的竖向位移最小，碎石桩与CFG桩组合加固地基桩间土竖向位移比CFG桩加固地基稍大，碎石桩加固地基桩间土竖向位移远大于CFG桩加固地基和组合桩加固地基的竖向位移。说明CFG桩加固地基的桩间土承载能力有了很大提高；组合桩加固地基亦有较大提高，与CFG桩加固地基相差不大；碎石桩加固地基承载能力提高最小。组合桩处理地基中碎石桩处较CFG桩处理地基同一位置桩竖向位移大，而CFG桩同一位置处竖向位移差别不大。表明CFG桩的承载能力比碎石桩大，抵抗变形的能力更大。

由图4(b)可以看出，路堤距离中心线越远，水平位移成增大的趋势；碎石桩加固地基的水平位移最大，且远大于CFG桩加固地基和碎石桩联合CFG桩加固地基；组合桩加固地基与CFG桩加固地基相近。说明在土工格栅的辅助下，碎石桩加固地基对路堤水平位移的限制作用最小，组合桩加固地基与CFG桩加固地基都能较好的限制路堤的水平位移。

2.2 桩间土应力分析

根据模拟计算的数据结果，绘制出不同加固形式下桩间土中部在桩埋深内的桩间土压力(图5)，及两桩间土体表层单元应力分布(图6)。

图5 桩埋深内桩间土压力Fig.5 Pressure between pile and soil in pile buried depth

图6 桩间土表层单元有效应力Fig.6 Effective stress of surface unit between pile soil

由图5可见：路堤下桩间土压力随着深度的增加而增大；碎石桩加固地基桩间土压力最大，组合桩加固地基与CFG桩加固地基土压力很接近，CFG桩加固地土压力稍小；这是由于碎石桩加固地基的碎石桩承受的路堤荷载能力较小，桩间土要承担较多的荷载；CFG桩加固地基与组合桩加固地基的桩的刚度较大，出现类似“应力集中”效应，桩承受了较大的荷载，故桩间土承受荷载减少。

由图6可见：采用碎石桩加固地基时，桩间土表层单元的应力变化不明显，这是由于碎石桩加固地基变形大，加固效果不明显；组合桩加固地基与CFG桩加固地基的有效应力变化趋势十分相似，桩间土表层单元应力变化明显。总的来看，距桩远处有效应力小，这是由于桩承载了较大荷载，降低了复合地基对周围土体承载力的需求；组合桩加固地基桩间土应力较仅CFG桩加固地基大，说明组合桩加固地基桩间土发挥的承载能力较仅CFG桩加固地基好，组合桩加固地基对桩间土的强化效果比CFG桩加固地基好。

3 经济性分析

由于影响经济性的因素比较复杂，且三种加固方式模型相同，桩的布置相同，只是桩的材料不同，路基具有对称性，对本断面的桩造价分析就达到一定的效果。故仅从桩的造价进行经济性分析。

3.1 桩身原材料与配合比

1)碎石桩。5～40 mm连续级配碎石，杂质含量不大于5%。

2)CFG桩。粗集料选用粒径为20～40 mm的连续级配碎石，杂质含量不大于5%；细集料选用粒径为2.5～10 mm的连续级配碎石，杂质含量不大于5%；水泥选用强度等级为42.5的水泥；粉煤灰选用燃煤电厂湿排粉煤灰，烧失量不大于25%。

3)配合比。(水泥+粉煤灰)∶ 细集料 ∶ 粗集料 ∶

水=(0.7+0.3) ∶ 3.09 ∶ 3.75 ∶ 0.60，W/C=0.6。

4)CFG桩配合比设计材料用量。水：170 kg/m3；(水泥 + 粉煤灰)：(198 + 85)kg/m3；细集料：875 kg/m3；粗集料：1 062 kg/m3。

5)坍落度：30～50 mm。

3.2 经济性分析

CFG桩桩长为12 m，其材料单价为：水泥492元/t，粉煤灰70元/t，粗集料85元/t，细集料65元/t，水0.9元/t。碎石桩材料单价为：级配碎石75元/t。三种不同处理方法的造价对比见表3。

表3 三种加固方法的造价对比

Table 3 Contrast of cost of three reinforcement ways

由表3可以看出，仅碎石桩加固地基桩造价最低，仅CFG桩加固地基桩造价最高，碎石桩与CFG桩组合加固地基造价介于两者之间。说明碎石桩在桩的经济性上有较大优势，与CFG桩联合加固地基可以合理的应用这一优势，降低地基处理造价。

4 结 论

1)同一模型下，碎石桩的竖向位移和水平位移都很大，不满足复合地基沉降的要求；需要对加固处理技术参数进行调整，但达到要求较难。组合桩加固地基与CFG桩加固地基的竖向位移和水平位移都很小，较好的满足了复合地基沉降的要求。

2)碎石桩与CFG桩组合加固地基很好的借助CFG桩承载能力达到降低桩间土分担的荷载，并较好地提高了加固地基的承载力。

3)碎石桩加固地基加固效果较差，组合桩加固地基达到的加固效果与CFG桩加固地基效果比较接近。组合桩中碎石桩的造价较CFG桩低，合理利用碎石桩有利于降低造价，使其相对于CFG桩加固地基有一定的经济优势。故本软基工程建议采用碎石桩与CFG桩组合加固地基处理。

[1] 北京金土木软件技术有限公司.PLAXIS岩土工程软件使用指南[M].北京:人民交通出版社,2010.Beijing Civil King Software Technology Co.Ltd..User Guide of Geotechnical Engineering Software PLAXIS [M].Beijing: China Communications Press,2010.

[2] 刘利群.碎石与CFG组合桩在高速公路软基处理中的应用研究[D].长沙:湖南大学,2006.Liu Liqun.The Application of Research of Gravel and CFG Pile in Expressway Soft Soil Foundation Treatment [D].Changsha: Hunan University,2006.

[3] 龚晓南.复合地基理论及工程应用[M].北京:中国建筑工业出版社, 2002.Gong Xiaonan.Composite Foundation Theory and Engineering Application [M].Beijing:China Building Industry Press,2002.

[4] 闫明礼,张东刚.CFG桩复合地基技术及工程实践 [M].2版.北京:中国水利水电出版社,2006.Yan Mingli,Zhang Donggang.CFG Pile Composite Foundation Technology and Engineering Practice [M].2nded.Beijing: China Water Conservancy and Hydropower Press,2006.

[5] 刘晓红,张永波.CFG桩与碎石桩组合桩复合地基在工程中的应用[J].山西建筑,2004,30(16):76-77.Liu Xiaohong,Zhang Yongbo.Application of composite foundation of CFG and gravel composite pile in the engineering [J].Shanxi Architecture,2004,30(16):76-77.

[6] 田志勇,史智飞,王文杰.挤密碎石桩与CFG桩复合地基技术的应用[J].市政技术,2003,21(3):156-162.Tian Zhiyong,Shi Zhifei,Wang Wenjie.Application of composite foundation technology of Compacting gravel pile and CFG pile[J].Municipal Administration Technology,2003,21(3):156-162.

[7] 赵明.组合桩在高速公路软基处理中的应用探讨[J].黑龙江交通科技,2011(2):15-16.Zhao Ming.Application to discuss composite pile in soft foundation treatment of highway [J].Journal of Transportation Research and Development of Heilongjiang,2011(2):15-16.

[8] 杨瑞,闫澍旺,崔激.碎石桩与土工格栅联合加固高原湿地软路基机理研究[J].公路交通科技,2006(6):36-39.Yang Rui,Yan Shuwang,Cui Ji.Study on mechanism of gravel pile and geogrid joint reinforcement soft subgrade of plateau wetland[J].Journal of Highway Transportation Research and Development,2006 (6):36-39.