CFG桩+泡沫混凝土解决软基桥头跳车的联合应用研究

卢兰萍，张宇超，李明勋

摘要：為了减小路桥过渡段的差异沉降，缓解软土地区的桥头跳车问题，提出了一种采用CFG桩复合地基联合换填泡沫混凝土加固软基的方案。依托实际工程案例，采用有限元软件MIDAS GTS/NX建立了CFG桩复合地基工况模型与原始工况模型，检验了CFG桩复合地基的有效性，然后建立了CFG 桩联合台后换填泡沫混凝土方案的模型进行固结沉降分析，并验证了两者联合应用的优越性。研究结果显示：1）CFG桩复合地基对于软基的加固效果显著，其工期沉降比原始工况减少了18.32 cm;2）CFG桩复合地基加固软基时，台后换填泡沫混凝土使桥台与路面的台阶型差异沉降相较于台后普通路基填土工况减小了0.72 cm，对于桥头跳车问题的治理效果良好;3）模拟结果与工程实测沉降数据对比误差极小，说明了有限元模拟的可靠性。研究结果有效解决了常见的桥头跳车问题，方案具有更安全、环保、可靠的特点，可为软土地区的路桥过渡段工程提供一定的理论参考与借鉴。

关键词：地基基础工程;CFG桩;泡沫混凝土;软土地基;桥头跳车;数值模拟

中图分类号：U416.1文献标识码：ADOI：10.7535/hbgykj.2021yx06012

Study on the combined application of CFG pile + foam concrete

in solving bump at bridge head on soft soil foundation

LU Lanping，ZHANG Yuchao，LI Mingxun

（School of Civil Engineering，Hebei University of Engineering，Handan，Hebei 056038，China）

Abstract：In order to reduce the differential sedimentation in the transition section and alleviate the problem of bump at bridge head on soft soil foundation，a scheme of CFG pile composite foundation combined with replacement of foam concrete to reinforce the soft foundation was proposed.Based on the actual project，the finite element software MIDAS GTS / NX was used to establish the models of CFG pile composite foundation and original foundation，and the effectiveness of CFG pile composite foundation was verified.Then the "CFG pile composite foundation + foam concrete" model was set up for consolidation sedimentation analysis to verify the advantages of joint application.The results show that：1） the soil settlement of the CFG pile composite foundation is reduced by 18.32 cm compared with the original working condition，which has a significant effect on soft foundation reinforcement;2） compared with the replacement of ordinary filling behind abutment，the combined application of CFG piles and foamed concrete reduces the differential settlement of the bridge abutment and the pavement by 0.72 cm，and the treatment effect the problem of bump at the bridge head is good;3） compared with the measured settlement data of the project，the error of the simulated results is extremely small，which shows the reliability of the finite element simulation.The research results can solve the common problems of bump at bridge head and the scheme has the characteristics of safety，environmental protection and reliability，which  can provide some theoretical reference for the design of transition sections of roads and bridges in soft soil areas.

Keywords：foundation engineering;CFG pile;foam concrete;soft soil foundation;bump at bridge head;numerical simulation

由于桥梁结构为刚性结构，道路基础结构为刚性和柔性的混合结构，在车辆的反复碾压下，路桥过渡段会形成不同程度的差异沉降，产生桥头跳车问题，影响行车舒适性，降低通行能力，增加养护维修费用，甚至引起交通事故[1-2]。尤其是软基地区，因其含水量较高、孔隙大、可压缩性强、抗剪能力较低、固结缓慢，使得这种不均匀沉降更加突出，隐患更大。而桥头道路的地基结构和台后填土是影响桥头跳车的主要因素，需重点解决。

泡沫混凝土作为一种新型的轻质材料，其自重轻，可以减小对软土地基的附加应力，从而减小土层的沉降量，缓解桥头跳车现象，且自立性良好，可以减小对挡土墙或台背的侧向力[3]。CFG桩复合地基是由CFG桩、桩间土和褥垫层共同协调作用，主要的作用机理是桩、桩间土和褥垫层共同承担地基上部的路堤填土自重和長时间的行车荷载，可以有效加固软基，减小沉降。WATABE等[4]研究了泡沫轻质土填筑东京机场跑道项目，并且通过分析竖向沉降位移随时间的变化关系，得出该材料可作为良好填筑材料的结论。杜素云等[5]、骆建生[6]、郑寒钊[7]在软土路基项目中应用泡沫轻质土，并与传统填土进行对比分析，结果均显示采用泡沫轻质土可以有效减小路基沉降。薛新华等[8]、郅彬等[9]进行了大型室内试验和现场的CFG桩复合地基工程试验，研究桩土共同作用机理，总结了CFG桩复合地基的沉降规律及影响因素。黎玺克[10]、潘宏鑫[11]基于实践工程，通过有限元模拟计算沉降变形，并与现场试验结果对比，证明了CFG桩复合地基应用的有效性。

从上述研究可以看出，之前研究多是单独应用CFG桩复合地基或泡沫混凝土加固软基减小沉降，但是对于软基的路桥过渡段，单独加固软基或减轻路基并不能很好地缓解桥头跳车问题，因此本文依托实际工程案例提出在软基路桥过渡段台后回填区内换填泡沫混凝土，联合CFG桩复合地基来减少路桥过渡段的不均匀沉降，并建立有限元模型计算分析，验证其有效性，可为类似工程提供参考。

1工程概况

依托福州市某道路工程，规划道路红线宽40 m，设计速度为40 km/h，设置双向四车道。根据工程地质勘探报告，该处地层结构自上而下有杂填土、淤泥、细砂，其中杂填土层厚1.5～3.5 m，主要由黏性土、砂土及碎石土堆填，硬杂质含量约30%，粒径约5～15 cm，均匀性差;淤泥层层厚5.3～11.5 m，深灰色，饱和，流塑状态，含腐殖质，有臭味，不均匀地夹少量粉细砂，稍有光泽，摇振反应慢，干强度及初性中等;细砂层厚6.5～10.5 m，局部为（含泥）细砂或细中砂，主要成分为细粒石英砂，湿，稍密状态，饱和，级配一般，局部含泥。桥头路基填土高度为5 m。根据工程地质勘探报告及室内土工材料试验，本文所涉及的材料物理力学特征取值如表1所示。

2有限元模型的建立

为了探究在CFG桩复合地基处理下，台后回填泡沫混凝土在工程中处理桥头跳车问题的优越性[12]，采用大型岩土有限元分析软件MIDAS GTS/NX建立相关有限元计算模型，即先建立原始工况与最优方案的CFG桩复合地基工况有限元模型，对比分析验证CFG桩复合地基的应用有效性;然后建立在CFG复合地基处理下，台后换填普通填土与泡沫混凝土的有限元模型，再进行沉降对比分析，验证CFG桩联合泡沫混凝土共同缓解桥头跳车问题的有效性。

2.1几何模型的建立

模型选取路桥过渡段的纵断面，根据地质勘探资料确定计算模型的大致尺寸。所建模型地基高度从杂填土顶部取到细砂层底部共28.1 m，地基长取46 m;路基填筑高度5 m，宽度取自桥台向路面延伸36 m;路面层共0.58 m。模型取自桥台向路面延伸的15 m范围为台后换填区进行重点研究分析，模拟台后回填时，采用阶梯式回填，每层回填厚度为1 m。

为更严谨地验证台后换填泡沫混凝土的有效性，首先要使CFG桩复合地基发挥最大加固效果，因此选取多个桩体参数，控制单一变量，进行参数组合模拟，结合沉降结果与造价统计分析确定最优参数组合，进行下一步的研究。由于工程中桩的造价按桩长70元/m计算，故暂不考虑桩径的影响，仅考虑桩间距与桩长，最终各组合的沉降结果统计如表2所示。通过表2数据显示，综合考虑沉降与造价后，桩长15.5 m、桩间距1.5 m、桩径400 mm为最优参数组合，以此建立CFG桩复合地基模型，路面结构和模型整体结构的几何模型示意图如图1所示。

2.2材料参数及本构模型选取

在有限元计算中，假设各构件均为各向同性材料，根据不同材料实际特性来选取不同的弹塑性本构模型[13-14]。桥台、路面铺装、垫层以及桩采用线弹性模型，地基土层、台后回填土以及路堤填土均采用摩尔-库仑本构模型。CFG桩采用软件中的1D梁属性，其他构件为2D平面应变属性。网格划分采用2D德劳内三角形网格自动-区域划分。模型网格划分示意图如图2所示。

固结沉降分析时，还需设置土体边界条件、排水边界条件以及非固结条件，在此有限元软件中自动添加土体边界约束，为模拟CFG桩复合地基实际的排水功能，对CFG桩与砂垫层设置排水边界条件，由于桥台的刚度极大，相对于路基变形极小，故设置其为非固结条件，然后添加自重与行车荷载，创建施工阶段管理，最后进行运行分析。

3CFG桩复合地基的应用有效性分析

针对原始工况与CFG桩复合地基处理的工况，分别模拟实际施工流程，原始工况模拟65天完成路面施工，CFG桩复合地基工况历时95天完成路面施工，然后进行固结沉降分析，最后对比完工时的工期累积沉降变化。2种工况下的沉降云图如图3所示。

由图3可看出原始工况下的最大工期沉降为20.5 cm，CFG桩复合地基处理下的最大工期沉降为2.18 cm，相较于原始工况减小了18.32 cm，证明CFG桩复合地基的应用对于减小路桥过渡段的沉降有显著效果。但是由图3 b）可以看出路基部分的最小沉降值约1.6 cm，在完工后，道路通车运行期间，土体固结沉降会继续进行，不均匀沉降会越来越大，桥头跳车问题必然会发生，故本文提出CFG桩复合地基处理后，可在台后换填轻质材料泡沫混凝土以进一步减小路基沉降，降低出现桥头跳车问题的可能性。

4CFG桩+泡沫混凝土沉降模拟分析

建立CFG桩复合地基处理下的台后换填泡沫混凝土有限元模型，并与台后回填普通填土以及原始工况进行沉降对比分析，模拟实际施工流程完成施工，并模拟通车运行6个月，将车辆荷载简化为11 kPa的均布荷载[15]。

4.1固结完成时的沉降模拟分析

原始工况模型共运行245天，另外2个模型共运行分析时间都为275天。根据沉降结果可知，原始工况下土体在158天左右完成固结沉降;CFG桩复合地基处理下，无论台后回填普通填土，还是台后换填泡沫混凝土，土体都在185天左右完成固结沉降，即通车运行90天左右。3种方案固结完成时的沉降位移结果对比如表3所示，此时的沉降云图如图4所示。提取台后填土与普通路基填土交界面上的点为沉降观测点，如图4 a）所示。

通过表3对观测点沉降值的提取，对比可发现CFG桩复合地基处理下无论台后回填材料是普通填土，还是泡沫混凝土，相对于原始工况，土体的沉降位移都有明显的减小，且减小了约90%的沉降。观察表3发现，换填泡沫混凝土后的最大沉降值减小不明显，这是因为模型的最大沉降发生在远桥台端，即模型的最右端，此处没有换填泡沫混凝土，其沉降也对桥头跳车问题影响不大。而通过观察回填区内3个观测点的沉降值，可知换填泡沫混凝土后，近桥台端的沉降皆有明显的改善，累积沉降比普通回填土减小了1.13 cm，这是由于泡沫混凝土材料自重轻，降低了传递到地基土层中的附加应力，且压缩模量较大，抗压缩能力也强，因此在荷载作用下，近桥台的路面沉降会降低。

在沉降云图中红色区域为沉降最大范围区域，沉降依次递减显示为黄绿蓝三色。通过观察图4的沉降云图可知，CFG桩+泡沫混凝土工况下，所有顏色区域的沉降值都比CFG桩+普通回填土工况下要小。在CFG桩+普通回填土工况下，红色区域占比60.4%左右，大范围在路基土层中，且最近出现在距离桥台端6 m处;黄色区域范围为17.6%左右，仅少部分出现于距桥台3 m范围内，大范围在地基土层中;绿色占比13.1%，都在地基土层中。而CFG桩+泡沫混凝土工况下，红色区域占比约46.5%，虽大范围也在路基土层中，但是最近出现在距桥台13 m处;黄色区域占比为17.6%，均出现在距桥台的更远端，对桥头跳车问题影响较小;绿色区域占比21.0%，大都分布于距桥台约7 m范围内的地基与路基土层中。蓝色均出现在地基土层范围中，故不做比较。总而言之，CFG桩+泡沫混凝土工况下的沉降值更小，沉降分布也更合理，可有效缓解不均匀沉降问题。

由于桥头跳车问题的发生主要是由于长时间荷载作用下桥台与道路的刚度差而导致发生的差异沉降[16]，因此比较分析3种工况下的台阶型高差，默认桥台的沉降为0，提取3种工况下桥台与路面交界点，即路面线0点的沉降值，结果显示原始工况下为8.32 cm。CFG桩+普通回填土工况下，沉降为1.6 cm;CFG桩+泡沫混凝土工况下，沉降为0.88 cm。计算可知CFG桩+泡沫混凝土时，台阶型高差比原始工况减小了7.44 cm，比CFG桩+普通回填土工况减小了0.72 cm。证明台后换填泡沫混凝土可以有效减小台阶差。

通过以上对比分析可知CFG桩+泡沫混凝土工况下，由于泡沫混凝土填筑过渡段路基是现场阶梯状浇筑的，保证了每层的有效刚度是递减的，达到路桥刚柔过渡的效果，符合有限元模拟得出的路桥过渡段整体沉降减小，离桥台越远，沉降越大，且沉降分布范围更为合理，车辆过渡更加平稳的结果。

4.2完工时的沉降模拟分析

3种方案沉降观测点1，2，3的历时沉降如图5所示。由图5可知CFG桩复合地基的工况在95天完成施工时，已完成了近90%的沉降，而原始工况在65天完成施工时，也已完成了近91%的沉降。说明沉降主要发生在工程填筑施工时期，完工时两者的竖向沉降云图如图6所示。

从图6中可以发现，对于施工过程中产生的工期沉降，3种工况的沉降规律均为离桥台越远，路面沉降值就越大。基于CFG桩复合地基，台后换填泡沫混凝土时，台后换填区范围内的最小沉降值约为1.0 cm，最大沉降值出现在距离桥台14 m左右，约为1.9 cm，且过渡平稳;而台后普通填土回填下，台后回填区最小沉降值约为1.8 cm，最大沉降值出现在距离桥台6 m左右，沉降约为2.0 cm然后趋于稳定。说明在填筑施工时期，台后换填泡沫混凝土时，整体沉降都较普通填土要小，尤其近桥台端的沉降明显降低，且在整个回填区内的沉降分布均匀，可以使车辆更平稳地通过过渡段，保障乘坐人员的安全性和舒适性。

随后，对该工程通车后进行一年的沉降监测，监测结果显示台后换填区范围内的最大累积沉降为2.1 cm，符合桥头沉降的控制标准，对比固结完成时的模拟计算沉降值相差0.2 cm，在接受范围之内，模拟沉降结果合理，也佐证了有限元模拟的可行性，可为工程实际提供一定的理论参考。

5结语

笔者通过在软基路桥过渡段应用CFG桩+泡沫混凝土的方法来减少路桥过渡段不均匀沉降，以达到缓解桥头跳车问题的目的，并以工程实例为背景采用有限元软件MIDAS GTS/NX建立模型进行沉降分析，结论如下。

1）CFG桩复合地基能够有效加固软土地基，减小沉降，但是CFG桩复合地基处理后路面的最小工期沉降值约为1.6 cm，后期仍有发生桥头跳车问题的风险。

2）在CFG桩复合地基处理下，台后换填泡沫混凝土相较于回填普通回填土的路面与桥台台阶型高差减小了0.72 cm，且回填区范围内沉降云图大部分显示为绿色，标志着近桥台端范围内的沉降更小，更有利于车辆的平稳过渡，驾驶员与乘客的安全性与舒适性也更高。

3）泡沫混凝土相对于其他的轻质回填材料更环保，施工也更方便快捷，且其自立性良好，对桥台结构物造成的侧向力极小，研究结果显示与CFG桩复合地基的联合应用，对于桥头跳车问题的治理效果良好，与该工程的实践监测数据的误差也在合理范围内。

后期可建立该方案的三维土体模型，更全面地分析土体的沉降变化规律，证明该方案的有效性。另外，该方案的实践较少，也需更多的实践工程监测数据来佐证有限元模拟的可靠性。

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