CFG桩网复合地基在深厚软弱地基中的研究与应用

, ,

(河北工程技术学院 土木工程学院, 河北 石家庄 050091 )

1 概述

南桂一级公路，全长约380 km，该公路路基宽度为26 m，路面宽度为24 m，其中K158+500～K180+000段经过深厚软弱地基段。其由上到下的土层为粉质粘土、淤泥质粘土、粉质粘土及细砾。粉质黏土为粉黏粒，其颜色近似黄褐色，表面具有一定光泽，韧性中等，强度一般，无明显摇摆现象。淤泥质土的主要成分为黏粒，呈灰褐色，有刺鼻气味，含有少量腐殖质。粉质黏土与第一层相似，不同的是，其含有部分砂砾，黏性相对较强。其中粉质粘土及淤泥质粘土的承载力很差，粘性较强，需要进行处理才能满足路基要求。细砾表面呈灰褐色，级配型较好，其含有部分云母。各土层参数如表1所示。

针对软土地基的处理，目前国内外常用的方法[1-3]有加固土桩、粒料桩、真空堆载预压、垫层处置、竖向排水板及桩网结构复合地基等。其中加固土桩[4-5]及粒料桩[6]主要适用于抗剪强度小于15 kPa的软土地基；真空堆载预压法[7]适用于缺少填土材料及工期较短的路基；竖向排水[8]及垫层处理[9]适用于软土高度小于5 m的路基。本工程填土高度为6.37 m，填土高度较高且软土厚度较大，综合适用性及经济性，本工程选用CFG桩网复合地基进行处理。

表1 各土层参数Table 1 Soil layer parameters土层土层厚度/m各层土的承载力特征值/kPa容重γ/(kN·m-3)桩侧摩阻力特征值/kPa粘聚力C/kPa内摩擦角Ф/(°)压缩模量E/MPa含水率/%孔隙比压缩系数/MPa-1路堤填土6.3720.942.451.160.81粉质粘土1.90123.519.122.817.2935.343.9740.321.120.77淤泥质粘土3.197617.015.712.3515.392.7639.521.110.71粉质粘土2.39123.519.122.817.2935.343.9738.061.090.67细砾19.671855.6117133.7314.252.0937.021.040.52

2 CFG桩网复合地基主要设计参数的初步确定

CFG桩网复合地基的主要设计参数有桩径、桩长、桩身强度、桩间距、桩的布置形式及垫层材料的选择等。

a.桩径： 考虑到本工程的软土成分主要为粉质粘土及淤泥质粘土，CFG桩有成桩质量高、成桩速度快及无需考虑对相邻桩体的影响等特点。目前国内外CFG桩的主要桩径为456、380和320 mm[10]。综合本工程实际特点，初步采用400 mm桩径的CFG桩。

b.桩长： CFG桩需要穿过软弱地基并作用在持力层上[11]，根据表1可知，本工程中的细砾的承载力较大，为185 kPa。因此将其作为持力层，而软土层厚度为1.9+3.19+2.39=7.48 m，本工程采用1 m的埋置深度，桩长初步采用8.5 m。

c.桩身强度：一般情况下桩体的强度介于6 MPa和21 MPa之间[12]，根据上文确定的桩长和桩径，通过计算可知其对应的单个桩的承载力Ra为242.237 kN。由公式(1)可知桩身的强度应大于5.671 MPa，因此初步考虑桩身采用C10混凝土。

(1)

d. 桩间距：在正常使用情况下，以极限承载力为验算条件，利用叠加沉降量作为衡量指标[13]，本文对桩间距为5.0、4.5、4.0、3.5倍桩径几种工况进行了计算，桩间距越小，治理效果越好，考虑到经济性及本工程特点，决定初步设计的桩间距采用4倍桩径，即桩间距为1.60 m。

e. 桩的布置：目前常用的桩布置方式为正方形和梅花形[14]，本工程初步设计采用梅花形的布置方法。

f. 垫层的选择：一味追求超厚的垫层是不经济的，而且垫层太厚会影响CFG的承载力，但太薄的垫层容易对填土路堤产生冲击和剪切的作用，因此需选择合理的垫层厚度[15]，根据本文的桩长、桩径及桩间距，选择50 cm作为垫层厚度，其材料为粒径小于3 cm的级配碎石。

3 CFG 桩-网复合地基有限元分析

3.1 有限元模型的建立

根据表1中的填土及地基参数和上文初步确定的CFG桩网复合地基参数，本文利用ABAQUS有限元软件建立CFG桩网复合地基的有限元模型，如图1所示。本模型CFG桩共计32根，桩长为8.5 m，桩径为0.4 m，桩间距为1.6 m。填方边坡坡度为1 ∶ 1.5，在填方坡脚处各设置1个CFG桩作为边桩。

图1 有限元模型Figure 1 Finite element model

3.2 在荷载作用下复合地基的变形分析

3.2.1沉降分析

有限元沉降云图见图2，由图可知，在路堤荷载作用下，桩及其周围的沉降值较小，而桩间距处的沉降值较大，且各个桩的规律相似。横向对比桩的沉降量和桩间距的沉降量可知，路基中心处的桩沉降值和桩间距的沉降值最大，向两侧逐渐减小，而桩间距处的沉降量自下而上逐渐减小。综上可知，桩体处的沉降值远小于桩间距处的沉降值，这说明桩体显著增加了软土地基的竖向强度。

图2 沉降云图Figure 2 Settlement cloud map

3.2.2水平位移

水平位移云图见图3，由图可知，最大水平位移出现在细砾持力层中，而桩土加固区的水平位移较小，其中水平位移较大的区域为桩下4.7 m处和坡脚12.5 m处。这说明CFG桩可以有效地将上部荷载传递至持力层中，减小桩土加固区的水平位移，加强桩土加固区的整体性。

图3 水平位移云图Figure 3 Horizontal displacement cloud map

3.2.3桩身附加应力分布规律

桩身附加应力云图见图4，由图可知，持力层的应力云图呈波浪形，路基中心处的桩身附加应力最大，逐渐向两侧减小，这说明相比于边桩，位于路基中心附近的CFG桩承载的上部荷载更大。此外单独分析8号桩的应力云图可知，其最大应力值出现在距离桩底6.6 m处，因此可知该点为中性点，即桩身的沉降与路基土的沉降相同，其在6.6 m以下所受的摩擦力竖直向上。

图4 桩身应力云图Figure 4 Pile body stress cloud map

3.3 不同桩径与桩长对治理效果的影响

为了对上文初步确定的CFG桩网复合地基的设计参数进行验证，研究最优的桩长和桩间距，本文对不同的桩长和桩间距的沉降量和水平位移进行仿真研究。

3.3.1桩长

取桩长落在持力层上及深入持力层1 m两种工况，分别为工况1和工况2，即桩长为7.5 m和8.5 m。原点设置为产生最大沉降的点，每隔1.6 m对节点处的沉降值进行提取，以中心点的距离为X轴，两种工况对应的沉降和水平位移如图5、图6所示。

图5 不同桩长工况下的沉降值Figure 5 Settlement values under different pile length conditions

图6 不同桩长工况下的水平位移Figure 6 Horizontal displacement under different pile length conditions

由图5、图6可知: 工况1对应的最大沉降值为7.895 cm，大于工况2所对应的7.321 cm。且距离中心点越近，两种工况的差距越大;当距离中心点的距离为16 m时，两种工况的沉降值相同;当距离中心点的距离大于16 m时，工况2的沉降值反而大于工况1的沉降值。在整个路基范围内，工况1的水平位移均大于工况2的水平位移，这说明桩长越大，其对水平位移的约束能力越强。综上可知，桩长越小，桩的侧向摩擦力越小，沉降值越大，因此桩身需深入至持力层内，该工程的桩长建议为工况2，即桩长为8.5 m。

3.3.2桩间距

定义工况1桩间距为4 m，工况2桩间距为4.5 m，采用控制变量法，仅改变桩间距，两种工况下对应的沉降值和水平位移如图7、图8所示。

图7 不同桩间距工况下的沉降值Figure 7 Settlement values under different pile spacing conditions

图8 不同桩间距工况下的水平位移Figure 8 Horizontal displacement under different pile spacing conditions

由图7、图8可知，工况1与工况2差别较小。这说明工况2中的桩已很好地发挥了作用，一味追求较小的桩间距并不能起到预想的效果，反而会增加桩的数量从而增加成本。由图可知，当距离中心点小于9.6 m时，工况1的水平位移大于工况2的水平位移，当距离中心点距离大于9.6 m时，工况2的水平位移大于工况1的水平位移，且两者对应的最大水平位移差别较小，这说明工况2对应的沉降值更为均匀。因此本工程采用工况2，即桩间距采用4.5倍的桩径。

3.4 不等桩长对治理效果的影响

根据有限元计算结果，边桩承受的应力小于其他桩，为了工程的经济性，是否可以在一定程度上减小边桩的长度。与上文相似，利用控制变量法，将边桩长度减小，将边桩设置为7.5 m。将边桩8.5 m定义为工况1，即等桩长，将边桩7.5 m定义为工况2，即不等桩长。两种工况下对应的沉降值和水平位移如图9、图10所示。

由图9、图10可知，工况2的沉降值要大于工况1的沉降值，但两者差距较小，且沉降规律相同，均为随着距离中心点处的距离越大，沉降值越小;当距离中心点间距小于12.8 m时，工况1的水平位移大于工况2的水平位移;当距离中心点间距大于12.8 m时，工况2的水平位移大于工况1的水平位移。综上可知，在保证其他桩长不变的情况下，适当减小边桩的长度，对沉降值及水平位移影响较小，因此推荐不等桩长，将其设置在持力层顶部，边桩长度为7.5 m。

图9 不等桩长工况下的沉降值Figure 9 Settlement values under different pile length conditions

图10 不等桩长距工况下的水平位移Figure 10 Horizontal displacement under unequal pile length conditions

4 结论

针对南桂公路K158+500～K180+000段深厚软弱地基处理问题，本文经对比选用CFG桩网复合地基对该段进行处理，通过计算初步确定了CFG桩网复合地基的主要设计参数。利用有限元软件ABAQUS对复合地基在荷载作用下的沉降、水平位移及桩身应力分布规律进行了研究。从不同的桩长、桩间距及边桩长度等角度对复合地基的沉降值及水平位移进行了仿真分析，主要结论为：

a.桩体需深入至持力层内，且桩长越长，沉降值和水平位移越小，桩身的侧向摩擦力越大。

b.较小的桩间距会使路基中心处的桩承受较大的荷载，造成路基中部桩的沉降值变大，而合理的桩间距可以有效发挥桩间土的承载力。

c.边桩无需深入持力层内，采用不等桩长的布置形式，既可以满足沉降要求，又能减小工程造价。