路堤柔性荷载下CFG桩复合地基数值分析

李善珍

摘 要：本文在路基原型的基础上，运用有限元分析软件MIDAS/GTS，对路堤在柔性荷载作用下桩帽、桩筏式CFG桩复合地基的桩身应力和桩顶沉降位移进行了研究。结果表明：桩筏式CFG桩复合地基的桩身应力大于桩帽式，这表明桩筏式CFG桩复合地基的承载特性较好；就整体沉降而言，桩筏式CFG桩复合地基的桩顶沉降均小于桩帽式的情况，同时桩筏式的沉降较均匀，这表明桩筏式CFG桩复合地基能够更好地控制地基沉降，以期为以后的工程应用提供参考。

关键词：柔性路堤；CFG桩；数值模拟；复合地基

1 概述

改革开放以来，随着我国经济的不断发展，高速铁路建设规模也随之增加。高速铁路对路基工后沉降要求极为严格，为满足此要求，CFG桩复合地基技术被广泛使用。因此，深入研究复合地基路基结构的受力和沉降特性对高速铁路的设计和施工具有非常重要的指导意义。

目前，国内外学者对复合地基进行了一系列研究：Kempton[1]运用拉格朗日有限差分法，分别研究了二维、三维两种情况下复合地基加固区的桩土应力比；Poorooshasb H B[2]建立了刚性桩和柔性桩两种有限元模型，分析了二者桩侧摩阻力的变化规律；Giroud和Han[3-4]（2004）对土工格栅的加筋作用进行了系列研究，提出了张拉薄膜理论（tensioned membrane theories），分析了路堤下褥垫层厚度的设计方法；陈仁朋，贾宁等[5]通过有限元分析对桩承式加筋路堤进行分析，得到桩顶处的应力小于桩身最大应力，以及桩长荷载和沉降的影响规律；肖伟、王建西[6]对哈大客专海城西站 CFG 桩帽复合地基承载特性进行数值分析。结果表明，桩帽结构改变了地基中附加应力分布状态，地基沉降得到了有效控制；蔡德钩[7]通过建立三维模型，分析了软土层模量、下卧层模量、桩间距、等对桩网复合地基的受力、变形特性的影响；马建林，刘俊飞等[8-10]对京沪高速铁路北段李窑试验段CFG桩网、桩筏复合地基的加固效果，桩、土应力和荷载分担比进行了分析研究，得到如下结果：随路堤填筑高度增加，桩土应力比有逐渐增大的趋势；最终桩土应力比为3.2左右；路堤中心线处的桩土应力比最大。

由此可见，对于路堤荷载下CFG桩复合地基的研究大都是在刚性基础的理论上进行的，而对于柔性基础的研究较少。基于此，文章运用有限元软件，研究柔性基础下桩帽、桩筏式CFG复合地基的受力和变形特点。

2 模型方案与参数选取

根据文章研究内容，确定如下四种模型方案：桩帽悬浮式复合地基；桩帽支撑式复合地基；桩筏悬浮式复合地基；桩筏支撑式复合地基。为更清楚地反映各模型方案的效果，以天然地基作为参考。

3 有限元模拟分析

3.1 建立几何模型

模拟单线高速铁路，其中路基面宽度为8.8m，基底宽度为23.8m。由于路基结构是对称的，为简化计算取路基中心线一侧的路基来建立计算模型。具体几何模型如图1所示。

3.2 边界条件与网格划分

本模型模研究的是平面应变问题，由路基实际情况可确定其边界条件：路堤顶面和地基土顶面自由；左右侧面对称约束。

结构部位不同，所需计算精度不同，这就要求网格的数量也不同。在计算数据变化较大的部位（如桩、土体、垫层、筏板的接触处），容易出现应力集中，故网格划分较密；在远离桩体的部位计算数据变化较小，网格划分可相对较疏。

3.3 模拟施工过程

为模型实际施工过程，结合各部分参数，确定了初始应力平衡阶段（自重作用下，位移清零）；路堤每层填土施工阶段（填土高度为1m）；施工完成后，最终模拟效果如图2示。

图1 几何模型 图2 工后效果图

4 结果分析

4.1 桩帽式CFG桩复合地基承载特性分析

（1）桩身应力

取路堤中心线处最靠近中间一排桩中的一根桩进行分析：

由图3可知，桩身应力在荷载作用下在1-3m范围内增大然后出现拐点减小，在5m以后桩身应力逐渐减小，应力的最小值出现在桩端处。当第四层路堤填土完成时，桩身应力最大值为198kPa，应力最小值为76kPa。由图4可知，随着路堤填土的进行桩身应力会出现两个拐点且逐渐增大，应力峰值也有增大趋势。

（2）桩顶沉降

桩顶沉降值取复合地基中间一排桩分析：

由图5可知，路堤中心线处的桩顶位移最大，位移随着离开路堤中心线距离的增大而减小，路堤填土结束后，桩顶位移的最大、最小值分别为41mm和31mm。

由图6可知，位移变化趋势与桩帽悬浮式大体相同，但幅度较大。另外，支撑式复合地基最后一层路堤填土施工结束时的最大位移仅为19mm，但悬浮式的位移是41mm。显然，整体沉降支撑式复合地基的小于悬浮式复合地基的。

4.2 桩筏式CFG桩复合地基承载特性分析

（1）桩身应力

由图7可得，桩筏式复合地基的桩端应力均大于桩帽悬浮式复合地基的桩端应力，且变化趋势大体一致；同样可得图8，其分布规律与桩帽支撑式复合地基类似，即桩身应力会出现两个拐点，且最终端应力接近桩顶应力。

（2） 桩顶沉降

由图9得出，路堤中心处位移与路堤中心10m处的位移差不大，变化趋势一致且较平缓，这表明筏板的存在能使路基整体沉降比较均匀。由图10得出，路堤填土结束后，路堤中心线周围桩顶最大位移值是9mm，相对桩筏悬浮式复合地基沉降减少了约35%，该数据是桩端坚硬持力层作用的结果。

4.3 桩帽、桩筏式CFG桩复合地基承载特性对比

就桩身应力而言，随着四个阶段填筑施工的完成，桩身应力均是增大趋势，且两中支撑方式的变化趋势大体一致，但桩筏在整体上大于桩帽的；而桩顶位移是桩筏的比桩帽的更为均匀。

5 结束语

由桩身应力的分布可得随着桩长的增加，桩侧摩阻力渐渐发挥作用，分担了部分荷载，使得桩土成为一个整体来共同承担荷载；桩身应力出现第二个拐点的原因是由于，当荷进一步加大时，桩间土由于被压缩应经不能分担所有荷载，这时桩端坚硬持力层开始作用，因其刚度较大，桩端处会产生应力集中，因此桩端附近的应力增大；同时也显示桩端坚硬持力层的存在对沉降的控制有明显效果，故建议在实际工作工程中桩端能坚硬持力层接触。

参考文献

[1]Kempton G，Russell D，Pierpoint N，Jones CJFP. Two and three-Dimensional Numerical Analysis of the Performance of Piled Embankments.Int.6th.International Conference on Geosyntbetics：767-772.

[2]Poorooshasb H B，Alamgir M，Miura N. Negative skin friction on rigid and deformable Piles，Computers and Geotechnics.1996，18（2）：109-112.

[3]Giroud， J.P.， Han， J. Design method for geogrid-reinforced unpaved roads-Part I：theoretical development[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，ASCE，2004，130（08）：776-786.

[4]Giroud，J.P.， Han， J. Design method for geogrid-reinforeed unpaved roads-PartII：calibration and verifieation[J].Journal of Geoteehnieal and Geoenvironmental Engineering， ASCE，2004，130（8）：787-797.

[5]陈仁朋，许峰，陈云敏，等.软土地基上刚性桩-路堤共同作用分析[J].中国公路学报，2005，18（3）：7-13.

[6]肖伟，王建西.海城西站CFG桩帽复合地基数值分析[J].铁道建筑，（2012）.

[7]蔡德钩，叶阳升，等.桩网支承路基力学性能数值分析[J].中国铁道科学，2010，31（3）：1-7.

[8]马建林，刘俊飞，朱明，等.高速铁路CFG桩网复合地基桩土承载特性试验研究[J].铁道建筑，2009（7）：56-58.

[9]赵国堂，马建林，彭声应，等.高速铁路CFG桩不同结构形式下地基沉降一时间发展的试验研究与预测[J].铁道建筑，2009（7）：62-65.

[10]马建林，孔文亚，朱明，等.高速铁路深厚松软土层CFG桩复合地基现场测试技术综述[J].铁道建筑，2009（7）：76-80.