CFG桩复合地基处理桥头深厚软基的沉降变形分析

刘明

摘要：文章以广西某桥南岸向路桥过渡段为工程背景，采用ABAQUS有限元软件分析手段，对CFG桩复合地基处理软弱桥头深厚基础的沉降变形进行了系统分析，研究了褥垫层厚度、褥垫层模量、桩体模量、桩间距以及桩长等多种因素影响下的沉降变形规律，模拟分析得到的地基处置效果和沉降变形规律可为实际工程的方案选择优化提供理论借鉴。

关键词：CFG桩复合地基;深厚软基;ABAQUS;沉降变形;方案优化

中图分类号：U443.1 文献标识码：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.10.031

文章编号：1673-4874（2019）10-0110-04

0引言

伴随国民经济的不断发展，我国的基础设施建设取得了飞跃式的进步，路桥施工技术在世界上已处于领先水平。桥梁作为公路工程中重要的组成部分，其两岸的地基需要承受不断变化的车辆载荷以及回填土自重，桥头地基需要具有高强度、高稳定性和耐久性，但是由于路基沉降差异，往往会出现桥头跳车现象，这在实际过程中需要引起重视和认真解决。

路桥过渡段地基大部分是由压缩性高、含水率高、抗剪强度低的软弱土构成，很容易产生不均匀沉降，故而需要对桥头地基进行特殊处理。目前，路桥过渡段地基处理的方法主要有密实法、水利搅拌桩法、CFG桩复合地基等。其中，CFG桩是由水泥、粉煤灰、碎石、砂、水等通过配比拌合而成的高强高粘结的桩体，具有承载力可调、适用性强、变形小、施工质量易保证以及经济性好等诸多优点，已被广泛应用于路基工程建设当中，并通过理论与实践证明是一种不错的软基处理方法。

但是，影响CFG桩复合地基性能发挥的因素多种多样，在设计、施王时需要综合考虑，否则会大大降低CFG桩基的工程效益。本文结合实际工程，采用数值分析方法，在褥垫层厚度、褥垫层模量、桩体模量、桩间距以及桩长等多种因素影响下，对CFG桩复合地基处理桥头深厚软基的沉降变形规律进行对比分析，可为类似工程提供借鉴。

1CFG桩复合地基简介

CFG桩复合地基属于刚性桩，由CFG桩、桩间土以及褥垫层三者之间的相互协调来起到承担路基填土和车辆载荷的作用，其工作原理见图1。路桥过渡段产生跳车现象的主要原因为：不均匀沉降、材料刚度差异、路基土流失、伸缩缝破损等。目前常用的处置方法包括地基处治和路堤处治两个方面，CFG桩复合地基属于前者。CFG桩复合地基的作用机理主要包括：桩体作用、挤密作用、对土的约束作用、排水固结作用、褥垫层作用以及筋带加固作用。其在处理桥头软基引起的跳车现象时具有如下优势：（1）CFG桩复合地基具有高粘结强度特性，对承载力具有很强的调节性;（2）适用范围很广，对大部分不良地质条件下的情况均可处治;（3）变形小，施工质量易保正，同时兼顾良好的工程效益。故而本文将对CFG桩复合地基处理桥头深厚软基层后的沉降变形特性进行系统分析。

2 模型建立

2.1工程背景

某大桥南岸接线高速公路含有大量的软土地基，平均厚度达到20-30m，路基平均宽度为35m，通过现场地质勘察，自地表向下分布地层为：亚黏土层（平均厚度为2m）、淤泥质亚砂土层（平均厚度为6-7m）、淤泥质亚黏土土层（平均厚度为20-30m）、亚黏土（局部分布，埋深35m以下）及细砂、粉砂层（平均厚度为10m）。本文在建模過程中，选择亚黏土、淤泥质黏土和粉砂层共三层作为分析对象。

2.2有限元模型

在建模过程中做出如下假设：（1）土体为理想弹塑性体;（2）褥垫层与地基表面以及桩体与桩间土之间是连续接触的，不产生相对的滑移;（3）各土层、桩体等均为各向同性体;（4）符合Mohr-Coulomb本构原理。以实际工程为背景，建立路面宽度为35m，采用对称计算方式（即取路面17.5m宽）进行数值分析。土体横向长度为60m，竖向深度为40m，原设计方案的CFG桩体长度为32m，模量为2000MPa，褥垫层厚度为0.5m，模量为40MPa，桩间距取值为2m，采用8节点平面应变单元进行网格划分，建立模型及约束如图2所示。

2.3参数及方案设置

在模型建立过程中，需要设置压缩模量、泊松比、渗透系数、土体孔隙比以及流体重度等多种参数，结合现场及室内试验结果，分别得到了各部位的计算参数值，如表1所示。以褥垫层厚度、褥垫层模量、桩体模量、桩间距以及桩长为变量，每种方案中以某一变量为可变影响因子，其余为固定影响因子，设置5种模拟方案，如表2所示。

3 模拟分析

3.1褥垫层厚度的影响

不同褥垫层厚度下路面中心和边缘处的最大沉降变形模拟结果见图3。从图中可以看到：路面中心处的沉降量明显大于边缘处的沉降，大约为后者的2-3倍;随着褥垫层厚度的逐渐增大，路面的沉降变形逐渐减小;原方案褥垫层厚度为0.5m时，其路面的沉降变形最小。但是从图中可以观察到，当褥垫层厚度>0.3m后，路面的沉降变形减小趋势已不是很明显，表明褥垫层厚度对于沉降变形的影响减弱。在本工程实际过程中，应适当控制褥垫层厚度，在充分考虑设计要求、施工复杂程度以及工程造价上，适当减小褥垫层厚度，也能满足相应的要求。

3.2 褥垫层模量的影响

不同褥垫层模量下路面的沉降变形量见图4。从图4中可以看到：随着褥垫层模量的增加，路面中心处和边缘处的最大沉降变形量基本呈线性降低，中心处的沉降变形约为边缘处的3倍;与褥垫层厚度对沉降变形的影响（见图3）相比，褥垫层模量对于沉降变形的影响较小。在实际工程中，若增加褥垫层模量可以在一定程度上降低沉降变形，但在增加褥垫层模量的同时，意味着也增大了施工复杂程度，对工期和造价不利。原方案的模量为40MPa，故建议保持。

3.3 桩体模量的影响

不同桩体模量下路面的沉降变形情况见图5。从图中可以看到：随着桩体模量的逐渐增加，路面沉降逐渐减小，且每增加模量一次，其减小幅度越小;中心线处的沉降量是边缘处的2-4倍，且模量越大，相差量越大，表明桩体模量增大对路面边缘处沉降的影响程度大于中线处的影响程度。在实际施工过程中，适当增加桩体模量可以带来减小沉降的效果，但桩体模量增加意味着施工工艺难度和工程造价的增加。因此，结合模拟成果，认为原方案中2000MPa的设计价值合理可行。

3.4 桩间距的影响

不同桩间距情况下路面沉降变形情况见图6。从图6中可以观察到：随着桩间距的逐渐增大，路面的沉降逐渐增加，中心线处的沉降变形约为边缘处2-4倍，且桩间距越大，此值越小，表明桩间距对边缘处的沉降影响程度大于中心线处。在中心线处，每递增0.4m的桩间距，沉降增加量分别为].]cm、1.8cm、0.8cm以及1.1cm;而在边缘处，每递增。.4m的桩间距，沉降增加量分别为1.1cm、1.8cm、0.8cm和1.0cm。可见桩间距从2.0cm增加至2.4cm的过程中，其沉降变形的影响程度最大，表明原方案将桩间距定为2m是科学合理的。但是在实际施工过程中若都按照2m间距进行施工，虽然会达到预期效果，但考虑经济和工程量因素，认为仅需要在沉降大的位置对桩间距进行适当加密，而在沉降小的位置可适当将桩间距增大，对桩的布置需要视情况灵活变通。

3.5桩长的影响

不同樁长对路面沉降的影响见图7。从图中可以观察到：随着桩长的逐渐增加，路面的沉降量呈逐渐降低趋势，但降低幅度随着桩长的增加而逐渐减小，路面中线处的沉降量约为边缘处的2-3倍，当桩长>32m后，沉降量降低幅度很小，表明此时桩已经深入持力层，再继续增加桩长对沉降减小效果会越来越小，于工程造价不利。在实际施工过程中，建议可适当增加原方案中32m的桩长，但增加量不宜过多，以确保桩身深入持力层，同时不至于增加特别大的施工难度和工程费用。

4 结语

（1）褥垫层厚度、桩体模量、桩间距以及桩长对地基的沉降影响大于褥垫层模量。

（2）褥垫层厚度在原方案上可适当减小;褥垫层模量和桩体模量建议保持原设计方案;桩间距应根据现场实际情况进行加密或者减小;桩长在原设计32m基础上建议适当增加，以确保深入持力层，但不建议增加太多。

（3）结合研究成果及规律，认为在结合施工难易度，满足工程设计需求以及减少工程投资的基础上对设计进行优化可达到解决桥头跳车的目的。