岩溶洼地地区CFG桩复合地基沉降规律研究

李鹏，陈永凯

（1.中铁工程设计咨询集团有限公司郑州设计院，郑州450001; 2.北京首钢国际工程技术有限公司，北京100043）

岩溶洼地地区CFG桩复合地基沉降规律研究

李鹏1，陈永凯2

（1.中铁工程设计咨询集团有限公司郑州设计院，郑州450001; 2.北京首钢国际工程技术有限公司，北京100043）

依托百色—靖西高速公路工程6个路堤断面及15个假设断面的工程实例，结合分层总和法理论计算和abaqus仿真分析，针对岩溶洼地这种特殊软土地质结构，进行沉降规律研究，结果表明；（1）CFG桩穿透型布桩时加固区沉降比重较大，平均为57.8%，摩擦桩布桩时，加固区沉降只有总沉降的14%；（2）下伏面局部不平整对路基沉降的影响与上覆土层压缩模量关系密切；（3）采用破坏硬壳层的传统CFG桩复合地基时，硬壳层的埋深对路基中心及坡脚处沉降影响较大。

岩溶洼地；CFG桩；复合地基；沉降规律

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.09.015

1 引言

历经近20年的快速发展，我国在复杂地质条件下进行工程建设和设计的水平日趋成熟。我国国土面积较大，各类地形发育较充分，其中，西南地区如广西、云南的山区往往分布有较发育的岩溶，针对公路、铁路这类线长而面广的工程，难免会遇到岩溶洼地软土地基结构，这类软土具有含水量高、孔隙比大、液限及塑性较高，容重、饱和度较大，渗透性、压缩性和抗剪强度较低等工程特点，在这类岩溶洼地软土地基上修筑高速公路的工程实例中，由于沉降过大导致的工程问题占了很大比例，这至少说明2点：（1）我们对岩溶洼地软土的认知和研究还不足；（2）基于岩溶洼地软土地基沉降规律还有待深入研究。

在路基的沉降变形中，施工期间的沉降可由后续的填土补偿，影响运营安全的沉降主要包括：（1）路基基床在列车荷载下发生的弹塑性变形；（2）路基本体在自重作用下的压实变形；（3）地基在荷载作用下的沉降[1]。前2项可以利用高压实标准、优良填料进行控制，软土地基的变形则耗时久、沉降值[2]大。

目前，国内外虽然对软基沉降问题研究历史较长，但基本都是以弹性理论为基础且满足一维应变状态假设的分层总和法。然而在外力作用下的地基土变形特性非常复杂，因此，计算误差较大。目前，国内对软基沉降计算常引入修正系数φs和工后沉降系数ηti加以修正,不同的成果都对完善软基沉降计算理论和工后沉降的评估具有十分积极的意义，也不可避免会存在局限性。然而，随着仿真技术的不断进步，以室内试验得出的桩土接触参数进行修正的有限元数值分析方法也越来越具有使用价值。

以工程中常见的岩溶洼地软土为研究对象，基于百色—靖西CFG桩复合地基相关路基断面，开展了路堤荷载下岩溶洼地地区CFG桩复合地基沉降规律研究。地基各土层参数如表1所示。

表1 地基各土层主要计算参数

理论计算部分采用《建筑地基基础设计规范》（GB5007）[3]的应力面积法，计算公式：

式中，S为地基最终沉降量，mm；n1为加固区内的土层层数；n2为计算深度范围内总的土层层数；φs为沉降计算修正系数，根据经验和相关观测资料确定；P0为基础底面处的附加应力，kPa；Esi为基底以下第i层土的压缩模量，MPa；zi为第i层土底面至基础底面的距离，m；ξ为复合土层的模量提高系数为第i层土底面至基础底面计算点范围内的平均附加应力系数，该系数不能照搬建筑规范，应该重新推导，文献[4]研究了路堤梯形分布荷载下路基中心附加应力系数曲线方程为：

式中，d为荷载分布宽度，m；αz为深度z处的平均附加应力系数，z为路基中线下深度，m；d'为路堤断面顶面宽度，m。代入式（2），可以得到平均附加应力计算式，见郭再旭[5]推导。

2 项目区土层结构下的沉降特征分析

根据项目区K84+800渠来路基段地质资料采用上述理论计算方法，对不同布桩方案进行沉降计算和优化设计结果汇总如表2和图1。

结论：如不进行地基处理，沉降高达95cm，工后沉降系数取30%～40%，显然沉降会超标，方案C沉降相对较大，穿透型布桩时加固区的沉降占比例较大，平均为57.8%，而摩擦桩加固区沉降仅占总沉降的14%。可见，穿透型布桩可以充分发挥CFG桩复合地基的加固效果。由图2可见几种加固方案的竖向沉降曲线主要分为3种类别：方案A、B、D、E和预设方案的沉降曲线的变化幅度较小，数值也较小；方案C沉降值最大；长短桩方案F的沉降介于中间，由这3类沉降曲线的变化幅度可知以桩端位于强风化砂岩为界，桩长深入该层，对沉降的控制意义不大，桩端为进入该层，沉降值过大，这种情况下选择长短桩，即长桩进入稳定持力层，短桩未达到稳定持力层既安全又经济。

表2 沉降汇总表

图1 不同加固方案的Abaqus沉降曲线

3 地基不同土层结构下的沉降计算

地貌学认为岩溶具有青—壮—老年期组成的岩溶旋回[6]不断沉积和溶蚀，将会产生不同的地基结构，假设有3层土分别为：硬壳层黏土、黏土、淤泥，厚度均为3m，随机组合，为了突显软硬对比，硬壳层黏土设置2组，故土层组合分为a、b两大组，其中，a组硬壳层黏土压缩模量取20MPa；b组硬壳层黏土压缩模量取50MPa。桩长同取10m，桩径0.5m，桩间距1.5m，桩端持力层为强风化砂岩，其他参数保持不变，这样共有12种组合：a、b组各有“黏硬淤”“黏淤硬”“淤硬黏”“淤黏硬”“硬黏淤”“硬淤黏”6种组合，采用Abaqus仿真分析，得沉降曲线如图2和图3。

图2 a组合地基表面沉降曲线

图3 b组合地基表面沉降曲线

4 下伏面局部不平整对沉降规律的影响

岩溶洼地地区由于岩溶化的持续发展，地基下伏基岩往往不是平整的，会出现很多岩溶地貌：石芽残丘、峰林地形、溶蚀准平原低矮的残峰分布、塌陷的溶洞等，随着后续构造运动，上覆土层逐渐沉积，最终出现了下伏面局部不平整的地基结构，采用Abaqus简化建模，将这种局部的不平整简化为规则的矩形体，结合工程路基断面：基床表层单侧宽13m，坡脚距中心线宽38m，模拟了3种情况：（1）局部不平整出现在路基中心线至路肩范围内（0～13m）；（2）在路基边坡范围以内（13～38m）；（3）在距路基中心6.5～38m范围内。建模分析并汇总沉降曲线如图4。

图4 下伏岩层存在局部不平整时的沉降曲线

5 结论

论文第针对项目区实际工点进行了分析和总结，对不同土层组合及下伏面局部不平整现象进行了假设研究并得出结论，以上共计21种情况，对岩溶洼地地区软土CFG桩复合地基的沉降规律具有一定参考意义。

【1】王其昌.高速铁路土木工程[M].成都：西南交通大学出版社，1999.

【2】张敏静,罗强等.高速铁路穿透型CFG桩复合地基沉降计算修正系数研究[J].岩土力学，2013(2)∶519-525.

【3】GB 50007-2011.建筑地基基础设计规范[S].

【4】陈开圣,刘宇峰.分层总和法在路基沉降计算中应注意的几个问题[J].岩土工程技术，2005,19(10)∶43-45.

【5】郭在旭.路堤荷载下CFG桩复合地基沉降计算研究[D].成都：西南交通大学，2010.

【6】刘冬.武广客运专线红黏土地基沉降计算与预测方法研究 [D].长沙：中南大学，2009.

Research on Settlement Regularities of CFG Pile Composite Foundation in Karst Depression Area

LI Peng1,CHEN Yong-kai2
(1.Zhengzhou Design Institute of China Railway Engineering Consulting Group Co.Ltd.,Zhengzhou 450001,China; 2.Beijing Shougang International Engineering Technology Co.Ltd.,Beijing 100043,China)

Based on project examples of 6 embankment sections and 15 hypothetical sections in Baise—Jingxi Expressway,combined with theoretical calculation with layering summation method and abaqus simulation analysis,settlementregularities are studied for the special weak geological structurein karst depressions.Theresults showed that,(1)the settlement in the reinforced areais clearer whenpenetrating CFG pile is used,with an average of 57.8%,while the friction pileisused,the numberis 14% oftotal settlement;(2)the influence of uneven underlying surface to subgrade settlement is closely related to overburden compression modulus;(3)with traditional CFG pile composite foundation which destroys crustlayer,the depth of the crustlayer has a greatimpacton settlement of the central subgrade and the toe.

karst depression;CFG pile;composite foundation;settlementregularities

TU473

A

1007-9467（2016）09-0031-03

2016-07-25

李鹏（1988～），男，山东菏泽人，助理工程师，从事铁路路基设计研究。