CFG桩处理山区公路软基的主要影响因素分析

蔡冬军，谢 文

(重庆中设工程设计股份有限公司，重庆 400023)



CFG桩处理山区公路软基的主要影响因素分析

蔡冬军，谢 文

(重庆中设工程设计股份有限公司，重庆 400023)

CFG桩处理山区公路后，其复合地基承载力、沉降量受较多因素影响。在路堤荷载作用下，常规理论方法难以分析其影响因素变化时应力应变规律。主要利用有限元软件PLAXIS对山区高速公路CFG桩复合地基处理及路堤填筑施工进行模拟，通过对CFG桩桩长、桩间距以及复合地基褥垫层厚度这3个影响因素的变化进行对比分析，总结出各影响因素对CFG桩复合地基沉降量的影响规律，分析得出复合地基中CFG桩桩长、桩间距及褥垫层厚度的合理取值范围。最终为实际工程中CFG桩复合地基的优化设计提供理论依据。

道路工程；软土地基；CFG桩复合地基；沉降量；路堤荷载；有限元分析

西南山区软土地基特点与沿海及内陆平原地区软基不同，受山地地形限制，山区软基具有复杂多样的破坏形式和变形特征，且施工过程中复杂气候、水文、地质等新问题更是日益突出，使得在公路工程建设中对山区软土地基处理研究成为具有代表性的技术难题。

目前，软基处理方案多种多样，笔者主要利用有限元软件PLAXIS对山区高速公路CFG桩复合地基处理及路堤填筑施工进行模拟，通过分析其水平竖直位移变化规律，为实际工程中CFG桩复合地基的设计施工提供参考依据[1]。

1 工程概况

贵州山区某高速公路工程中某段路线穿越耕地，场区为溶蚀～侵蚀低中山地貌，场区地表灌木丛生，植被较发育。

路段场区出露地层为第四系残坡积层(Qe1+d1)亚黏土、软黏土，下伏基岩为二叠系下统茅口组(P1m)灰岩，且岩层综合产状为322°<26°。

场区填方路基范围内软土深度为5～10 m，呈灰褐色软黏土，高含水量且承载力低，易导致路基填方产生较大沉降及边坡失稳。

经工程中地质勘测资料显示，揭露土层如下：

1)粉质黏土(Qel+dl)：可塑状灰黄色，少许黄色，顶部覆有耕土，含少量植物根系，为顶部硬壳层，勘测钻探资料显示厚度为2～4.5 m。

2)淤泥质土(Qel+dl)：含灰色、灰黑色，流塑状到软塑状过渡，内有比例为10%～20%碎石，粒径为1～10 mm间，由强风化泥质粉砂岩主要组成，场区内均有分布，经勘测钻探，其厚度为3～12 m。

3)碎石土(Qel+dl)：灰黑色、含少许灰色，大部分为泥质粉砂岩钙质泥岩组成，粒径在40～80 mm间，结构大部为松散状。湿至饱和含水，场区内均有分布，经勘测钻探，其厚度为2～9.0 m。

4)含碎石粉质黏土(Qel+dl)：大部分呈黄色可塑状，从流塑到软塑状过渡，由砂岩及泥质粉砂岩组成，其中碎石比例为25%～40%，一般分布在低洼路段，厚度在0～10 m间。

原设计中采用振动沉管碎石桩来处理本路段软土地基，但处理效果较差。后经综合分析，考虑采用CFG桩复合地基进行比对设计。故建立如下有限元模型进行计算分析。

2 有限元计算模型

结合上述工程现场，针对CFG桩复合地基中CFG桩桩长、桩间距、褥垫层厚度这3个因素的变化对复合地基中水平竖直位移变化的影响进行有限元模拟分析并总结出其变化规律[2-3]。

2.1 模型几何参数

根据CFG桩复合地基的组成特点，结合实际施工现场，建立如图1的有限元分析模型。

图1 有限元计算模型Fig.1 Finite element model

有限元分析模型组成结构为：

1)模型采取半幅路堤，高度为h1=5 m；顶面宽度为B=13.5 m；路堤边坡坡率为n=1∶1.5；路堤坡底地基宽度L1=21 m。

2)设置级配碎石褥垫层，厚度为0.4 m。

3)CFG桩复合地基加固区，深度为h2=10 m。

4)CFG桩复合地基持力层其深度h3=10 m。

5)CFG桩复合地基中CFG桩桩长为11 m，桩径d=0.4 m，桩间距S=1.4 m。

2.2 模型材料参数

土体参数见表1，CFG桩参数见表2。

表1 模型中土体参数

表2 CFG桩各项参数

2.3 本构模型边界条件及荷载

在有限元PLAXIS软件模拟施工过程中，假设条件为：

1) 根据路基横截面的对称性，建立模型时只计算半幅路基。计算时，取水平向宽度为50 m，竖向高度为25 m。经反复计算，地表下20 m处附加应力远小于自重应力，故选择此模型合理。

2) 模型中约束条件选为标准边界约束条件，即模型左右边界两侧为水平约束条件，模型底部边界则为完全约束。

3) 地下水位对模型产生的影响忽略不计。

4) 模型中屈服准则采取摩尔-库伦强度准则，且选用摩尔-库伦理想弹塑性本构关系。

5) CFG桩采用板单元进行模拟。

6) CFG桩与土体接触采用(Interface Element)接触单元模拟；接触面单元采用无厚度的Goodman单元，采用理想弹塑性的Mohr-Coulomb强度准则，在加固区范围内，桩土接触面刚度为29 kN/m，持力层范围桩土接触面刚度为52 kN/m。

7) 采用接触单元模拟桩土接触面作用性状，土体间的界面强度折减因子系数为0.67，桩土间的界面强度折减因子系数为0.58[4]。

有限元计算模型网格划分见图2。

图2 有限元Plaxis计算模型网格示意Fig.2 Plaxis finite element calculation model of grid

3 CFG桩复合地基施工阶段数值模拟及结果分析

利用有限元PLAXIS软件对CFG桩复合地基进行施工模拟[5]，具体施工步骤为：模拟地层初始应力状态→施工CFG桩→铺设褥垫层→分层填筑路堤。

施工过程中的有限元模型计算过程如下[6]。

3.1 模拟地层初始应力状态

首先调整重力系数∑Mweight=1，再施加重力，产生初始应力场。这一步骤产生的位移将在下一步骤计算时归0。

3.2 施工CFG桩

当地基中施工CFG桩时，加固区产生了沉降，由图3可知其中最大竖直位移值为11.97mm。且CFG桩的施工导致一定范围内的路基出现向上隆起。

图3 施工完CFG桩后沉降等值云图Fig.3 Settlement equivalent cloud after constructed CFG pile

3.3 施工铺设褥垫层

在对CFG桩施工完毕后，在桩顶铺设40cm厚的级配碎石褥垫层。由图4可见，施工褥垫层时产生的最大沉降位移值为1.92 mm，累积竖直位移为13.89 mm。

图4 施工完褥垫层后沉降等值云图Fig.4 Settlement equivalent construction of finished cushion

3.4 分层填筑路堤

铺筑褥垫层后，对路堤进行分层填筑。模型中路堤高度为4.6 m，分9层进行填筑，第一层填筑高度为0.6 m，后8层每层为0.5 m。图5为分层填筑5层后模型沉降等值云图。由图5可知，此时最大竖向位移发生在路堤中心处，产生的最大沉降值为8.66 mm。累积沉降值为22.55 mm。

图5 第5层路堤填筑完后沉降等值云图Fig.5 Settlement equivalent cloud after the fifth layer of embankment

3.5 路堤填筑结束

在分层填筑完路堤后，观测其沉降云图(图6)，在路堤中心出产生最大沉降，此步骤产生的最大沉降值为13.12 mm。累积沉降值为35.67 mm。

图6 分层填筑完路堤后沉降等值云图Fig.6 Settlement equivalent cloud after finished filling embankment

经过上述有限元分析软件PLAXIS在路堤荷载作用下对CFG桩复合地基处理软基的施工模拟[7]，可得如下的变形规律：

1)由模拟施工过程结束后由最终垂直位移可知：上部路堤的竖直位移大于下部路堤的竖直位移，水平方向上则是路堤两边的竖直沉降量要比中间沉降量小。同时，在桩体作用下，桩周土体沉降量也要小于桩顶处土体的沉降量。故当复合地基承受荷载施加作用时，CFG桩起到减少加固区土层沉降量的作用。

2)分析模拟施工过程结束后水平位移图可知：路堤水平位移由中心至边坡处逐渐增大，由路堤顶面处到底面逐渐增大。复合地基中，随着地基深度的增大，水平位移逐渐增大，在桩底加固区与持力层接触面达到最大值。

3)分析路堤填筑后产生的土体有效应力云图可知：在路堤荷载作用下，土体有效应力随地基深度增大而增大。桩体模量与土体模量差值较大，故导致桩体与桩周土体产生不均匀沉降。可由图3～图6知，复合地基中桩承担大部分荷载作用，故桩周土体的有效应力要小于桩端顶处有效应力。

4 不同加固形式下的加固效果分析

在路堤荷载作用下CFG桩复合地基变形及受力易受诸多因素影响[8-9]。笔者运用PLAXIS软件对CFG桩复合地基中桩长、桩间距、褥垫层厚度变化分别进行对比分析，当分析某一因素对复合地基工作形状影响时，保持原模型其他参数不变，通过分析结果可以更好的认识CFG桩复合地基加固软基时的工作性状[10-12]。

4.1 CFG桩桩长变化分析

计算时保持模型其他参数不变，仅变化CFG桩桩长，分别取10，11，12 m。经有限元PLAXIS软件分析，得到模型中路基表面、路基中部CFG桩水平位移、竖直位移变化数据，绘制成变化曲线图。图7为不同CFG桩桩长填筑路基时路堤底部水平、垂直位移分布。

图7 桩长变化对路基表面竖直、水平位移影响分析Fig.7 Influence analysis of length variation on vertical and horizontal displacement of roadbed surface

由图7可知，当CFG桩桩长从10～11 m变化时，土体水平竖直位移减小幅度较大；但当桩长从11～12 m变化时，水平竖直位移变化幅度较小。故当复合地基中桩长增大到一定长度时，再增加桩长对减小复合地基水平位移、沉降量效果不大，从经济因素上考虑属于浪费。从控制复合地基位移变化的角度看，设置桩长时有临界桩长，在其他条件一定的情况下，此临界桩长与上部荷载附加应力影响范围有关，当桩长超过应力影响范围时，桩体长度对控制沉降的作用就可以忽略了。

4.2 CFG桩桩间距变化分析

计算时保持模型其他参数不变，仅变化CFG桩桩间距，分别取1.2，1.4，1.6 m。经有限元PLAXIS软件分析，得到模型中路基表面、路基中部CFG桩水平位移、竖直位移变化数据，绘制成变化曲线图。图8为不同CFG桩桩间距填筑路基时路堤底部水平垂直位移分布。

图8 桩间距变化对路基表面竖直、水平位移影响分析Fig.8 Influence analysis of pile spacing change on vertical and horizontal displacement of roadbed surface

由图8可知，当桩间距从1.2～1.6m逐渐变化时，路基表面水平位移随着桩间距的增大而增大，路基表面竖直位移变化量较小。故当复合地基中桩间距设置为一定值时，再减小桩间距，增多桩体数量从沉降分析、施工技术及施工成本上考虑无必要。

4.3 复合地基褥垫层厚度变化分析

计算时保持模型其他参数不变，仅变化复合地基褥垫层厚度，分别取0.4，0.6，0.8 m。经有限元PLAXIS软件分析，得到模型中路基表面、路基中部CFG桩水平位移、竖直位移变化数据，绘制成变化曲线图。图9为不同复合地基褥垫层厚度填筑路基时路堤底部水平垂直位移分布。

图9 褥垫层厚度变化对路基表面竖直、水平位移影响分析Fig.9 Influence analysis of cushion thickness on vertical and horizontal displacement of roadbed surface

由图9可知，当复合地基褥垫层厚度从0.4～0.8 m逐渐变化时，路基表面水平位移随着褥垫层厚度的增大而减小，但路基表面竖直位移变化量不明显。故当复合地基中褥垫层厚度设置为0.4 m时，再增大褥垫层厚度，从水平竖直位移综合分析及经济因素上考虑不划算。

5 结 论

笔者运用有限元PLAXIS软件对山区高速公路CFG桩复合地基处理及路堤填筑施工进行模拟，并进一步分析在复合地基桩长、桩间距及褥垫层厚度因素变化时路基的水平竖直位移变化规律，最终为实际工程中CFG桩复合地基的设计施工提供参考依据。通过以上分析过程，可得结论如下：

1)桩长从10 m增加到11 m时，复合地基中土体水平竖直位移减小幅度较大，桩长继续增加到12 m时，水平竖直位移减小幅度不明显。故当复合地基中桩长增大到一定长度时，再增加桩长对减小复合地基水平位移、沉降量效果不大，故此工程中桩长合理长度为11 m。

2)当复合地基中桩间距从1.2～1.6 m逐渐变化时，路基表面竖直位移变化量较小，路基表面水平位移随着桩间距的增大而增大。理论上应尽量减小桩间距以控制路基表面竖直水平位移，但综合分析，过小的桩间距会导致成本费用增加和施工技术难题，故现场施工建议合理桩间距为1.4 m。

3)模拟施工时，褥垫层厚度从0.4→0.6→0.8 m变化过程中，路基表面水平位移随褥垫层厚度的增大而减小，但路基表面竖直位移变化量并不明显。故从路基总沉降量、施工技术及施工成本考虑，褥垫层厚度设置在0.4 m时能达到最佳效果。

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Analysis of Major Factors Affecting CFG Piles Treating Soft Foundation in Mountain Highway

Cai Dongjun, Xie Wen

(Chongqing Zhongshe Engineering Design Co. Ltd., Chongqing 400023, China)

After CFG pile treated the mountain road, its composite foundation bearing capacity, and settlement were affected by many factors. Under Embankment loads, conventional theoretical approach is difficult to analyze the impact of changes in the stress-strain law factors. Finite element analysis software PLAXIS was used to simulate CFG pile composite foundation treatment and embankment construction. Through the analysis of CFG pile length, pile spacing and composite foundation cushion thickness variation, the influence of various factors on the CFG pile composite foundation settlement was summed up, and CFG pile composite foundation pile length,pile spacing and cushion thickness of a reasonable range were analyzed. Ultimately it provides theoretical basis for practical engineering CFG pile composite foundation optimized design.

road engineering; soft soil foundation; CFG pile composite foundation; settlement; embankment load; finite element analysis

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.02.08

2013-08-15；

2013-12-17

蔡冬军(1984—)，男，湖北公安人，工程师，硕士，主要从事道路与交通工程方面的研究。E-mail：cqjtcdj@163.com。

U412

A

1674-0696(2015)02-033-06