路堤荷载下CFG桩-筏复合地基数值模拟研究

蔚宏

路堤荷载下CFG桩-筏复合地基数值模拟研究

蔚宏

桩-筏复合地基具有承载力高、稳定性好、可有效控制地基沉降和不均匀沉降等优点，近年来在高速公路工程中得到了广泛应用。以某高速公路CFG桩-筏复合地基试验段为背景，采用有限元软件PLAXIS建立二维平面模型，对CFG桩-筏复合地基的地基沉降、筏板下桩、土应力分布和桩身位移进行了分析。结果表明：采用CFG桩-筏复合地基可有效控制地基沉降、均化筏板下桩、土应力分布和减小边桩水平位移；地基土弹性模量对边桩水平位移影响较大，而桩墙弹性模量对边桩竖向位移影响更大。

一、引言

桩-筏复合地基自上而下由钢筋混凝土板、碎石垫层、桩间土和竖向桩体组成，具有承载力高、稳定性好、施工速度快、沉降和不均匀沉降小和有效控制工后沉降等优点，自2005年首次应用于我国京津城际铁路松软土地基处理后，近年来在高速公路工程中得到了广泛应用。不同于目前国内外已有较多研究的桩-网复合地基，针对桩-筏复合地基开展的研究还较少。本文通过建立数值模型，对采用CFG桩-筏复合地基加固的某高速公路试验段进行研究，分析复合地基沉降、筏板下桩、土应力分布和桩身位移，并探讨地基土和桩墙弹性模量及筏板厚度的影响。

二、工程概况与数值建模

1.数值建模

数值建模采用二维有限元软件PLAXIS，根据对称性，取半幅路基进行分析，X方向计算宽度取30m。路堤填土高4.8m，钢筋混凝土筏板厚0.5m，筏板下碎石垫层厚0.2m，路堤顶面宽6.8m，底面宽14.0m，地基土为两层各6m厚的黏土，下卧层为坚硬持力层，不考虑其变形。边界条件为左侧路基中线无水平位移，右侧边界由于超出水平位移影响范围，也不考虑其水平位移，模型底面固定。

采用复合模量法对单桩进行转化得到的桩墙长12m，端部位于坚硬持力层，间距2m，宽0.4m。在PLAXIS中，Plate为具有一定抗弯和抗压刚度的结构单元，可以用于模拟墙、板、壳及衬砌等对象，为建模计算简便，本文采用Plate模拟桩墙。

图1　数值计算模型

图1为数值计算模型，地基土、碎石垫层和路堤填土均采用实体单元进行模拟，屈服准则采用Mohr-Coulomb准则；钢筋混凝土筏板也采用实体单元，屈服准则为理想弹性-塑性屈服准则。桩体密度取2200kg/m3，筏板密度取2500kg/m3，泊松比均取0.2，桩体和筏板弹性模量参照C20和C25混凝土取值，分别为2.55×104kPa和2.8×104kPa。其他土层参数见下表。

土层参数表

三、数值模拟结果分析

1.地基沉降

图2为筏板顶面沉降分布曲线。随路堤填土高度增加，筏板顶面沉降逐渐增大，增大速率较为均匀，路堤填筑完成时，路基中心筏板顶面沉降为25.5mm，路堤坡脚处筏板顶面沉降为3.6mm，即沿路基横向的筏板顶面最大差异沉降为21.9mm；不同填土高度时路基中心附近桩间土和桩顶沉降没有明显差异，总体而言，筏板顶面沉降沿路基横向变化较为均匀。

图2　筏板顶面沉降分布曲线

2.应力分布

图3为地基表面和筏板底面桩间土和桩顶应力随路堤填土高度的变化曲线。随路堤填土高度增加，地基表面和筏板底面桩间土和桩顶应力均逐渐增大，各填土高度下应力从小到大依次为地基表面桩间土、筏板底面桩间土、筏板底面桩顶和地基表面桩顶；不同填土高度下地基表面和筏板底面桩间土应力相差不大，路堤填筑完成时，二者差值仅为3.6kPa，而此时地基表面和垫层底面桩顶应力相差为32.3kPa。

图3　桩、土应力随填土高度变化曲线

图4为路堤填筑完成时地基表面和筏板底面桩间土和桩顶应力沿路基横向分布曲线。随距路基中心距离增加，地基表面和筏板底面桩间土和桩顶应力均逐渐减小，其中地基表面桩顶应力减小速率最快，筏板底面桩顶应力减小速率次之，而地基表面桩间土应力减小速率最小；从路基中心到路堤坡脚，地基表面和筏板底面桩间土和桩顶应力减小幅度从小到大依次为地基表面桩间土（65.3kPa）、筏板底面桩间土（68.1kPa）、筏板底面桩顶（111.7 kPa）和地基表面桩顶（126.4kPa）。

图4　桩、土应力沿路基横向分布曲线

3.桩身位移

图5　边桩位移随填土高度变化曲线

图5为边桩沿地基深度的水平位移和竖向位移随填土高度变化曲线。随路堤填土高度增加，边桩各深度处水平位移和竖向位移均逐渐增大，不同的是边桩各深度处水平位移增大速率较为均匀，而竖向位移增大速率随填土增加而明显减小；各填土高度下，边桩水平位移随地基深度增加先迅速增大后逐渐减小，最大水平位移发生在地基深度1.5～3m范围内，而竖向位移随地基深度逐渐减小，最大竖向位移始终发生在地基表面。总体而言，路堤填筑对桩-筏复合地基中桩体位移影响不大，路堤填筑完成时，边桩最大水平位移仅为3.92mm，而最大竖向位移仅为1.74 mm。

四、参数分析

上述分析表明桩-筏复合地基可以有效控制地基沉降、均化筏板下桩、土应力分布和减小边桩水平位移。为进一步了解不同工程地质条件和桩型对桩-筏复合地基工作性状的影响，同时优化钢筋混凝土筏板结构的设计，通过开展参数分析，探讨地基土弹性模量和桩墙弹性模量对筏板顶面沉降和边桩位移的影响。

1.地基土弹性模量

图6为路堤填筑完成时地基土弹性模量对筏板顶面沉降的影响。随地基土弹性模量增大，筏板顶面沉降快速减小，沿路基横向的筏板顶面差异沉降也随之减小，地基土弹性模量为2MPa时，差异沉降达26.0mm，而地基土弹性模量增大至10MPa时，差异沉降仅为12.2mm。

图6　地基土弹性模量对筏板顶面沉降的影响

图7　地基土弹性模量对边桩位移的影响

图7为路堤填筑完成时地基土弹性模量对边桩位移的影响。随地基土弹性模量增大，边桩各深度竖向位移逐渐减小，但减小幅度不大，而边桩水平位移变化在6m深度处存在拐点，地基深度小于6m时，边桩水平位移逐渐减小，但在深度大于6m时逐渐增大。总体而言，地基土弹性模量对边桩水平位移影响较大，特别是当地基土为高压缩性土时，边桩上部水平位移显著大于下部，且承担明显的弯矩作用，因此在工程设计中应予以重视。

2.桩墙弹性模量

图8为路堤填筑完成时桩墙弹性模量对筏板顶面沉降的影响。随桩墙弹性模量增大，筏板顶面沉降逐渐减小，沿路基横向的筏板顶面差异沉降也随之减小，但减小幅度不大，随桩墙弹性模量从400MPa增大至1200MPa，路基中心筏板顶面沉降仅从29.8mm减小为24.0mm，而差异沉降也仅从24.7mm减小至20.9mm。

图8　桩墙弹性模量对筏板顶面沉降的影响

五、结语

1.路堤柔性荷载作用下，采用桩-筏复合地基可以有效控制地基沉降、均化筏板下桩、土应力分布和减小边桩水平位移，从而满足软弱地基上高速公路和铁路路堤沉降控制要求，并防止路堤荷载作用下的地基失稳。

2.地基土弹性模量对边桩水平位移影响较大，地基土弹性模量较小时边桩会承担明显的弯矩作用，在工程设计中应予以重视，而桩墙弹性模量则对边桩竖向位移的影响更大。

（作者单位：灵河高速公路原神段建设管理处）