CFG桩软基处理的数值模拟及变形特性研究

张 荣

(中铁十二局集团四公司 西安市 710000)

0 引言

在我国西部地区，存在着大面积的软土地层，这些软土地层多分布于河谷区和丘间坦谷区地带，主要是因地表排水不畅，地面长期积水浸泡形成，对当地高速公路的建设产生了较大的影响。软弱地层主要为淤泥质土和软塑状黏土，其含水量高、孔隙比大、压缩模量小、承载力低[1]，如果不能很好地处理这些软弱地基，路基以路堤通过时易产生不均匀沉降、土体剪切失稳等现象，从而影响高速公路的建设。所以，对存在软土层的地基必须进行加固处理，以达到上部路基的沉降和稳定性要求。

一般软土地基的处理，主要采用换填和排水固结等手段[2]，但是对于软土层厚度和上部路基填筑高度较大的路段，换填和排水固结对地基承载力的提升有限，同时需要耗费大量的时间和物力，往往无法满足公路沉降和施工工期的要求。在此背景下，CFG桩(水泥粉煤灰碎石桩)凭借其承载力提高幅度大、地基沉降变形小、施工速度快且造价低等优势被广泛应用于软土地区高速公路的建设中[3-5]。

众多的专家学者对CFG桩复合地基承载性能和承载力、沉降的计算进行了大量的研究。任鹏等[6]根据川北某高层建筑项目，通过对CFG桩复合地基的现场测试得出了桩-土应力随外荷载的变化规律；薛新华等[7]通过大型的室内模拟试验，探究了桩长、桩间距和褥垫层厚度对某铁路客运专线项目中CFG桩复合地基的桩土应力比及沉降量的影响；赵明华等[8]依据荷载传递法并选用弹塑性模型，分析了CFG桩复合地基在桩-土-褥垫层互相作用下的荷载传递方式。刘际雨等[9]运用ABAQUS有限元软件研究了桩长、桩径以及褥垫层厚度等参数对桩土应力比和复合地基沉降的影响规律。

目前CFG桩复合地基的应用已经较为广泛，但是理论研究部分仍然不能满足实际工程的需要，理论计算得出的地基沉降变形、承载力值与实测值的差距较大，软土地区柔性荷载下CFG桩复合地基的承载特性也尚不明确。鉴于此，以德遂高速第TJ4标段CFG桩复合地基路段为案例，运用MIDAS GTS NX有限元软件对CFG桩复合地基进行数值模拟，分析了CFG桩桩长和桩身模量对复合地基承载特性的影响规律。

1 工程概况

德阳中江至遂宁高速公路是四川省规划建设的“16.8.8”网中的18条联络线之一、绵阳至遂宁高速(绵阳-中江-遂宁)的后半部分，它连接了京昆(G5)、沪蓉(G42)和成渝环线(G93)三条国家高速公路。对进一步改善区域交通状况，提高公路运输能力，构建西部综合交通枢纽，完善区域高速公路路网起着至关重要的作用。

德遂高速TJ4标段Z4K115+460～ Z4K115+750段全长290 m，位于丘间谷地，主要为鱼塘、水稻田，场地稳定性不足，地质概况如下：①层为洪坡积层(Q4pl+dl)软塑状淤泥质黏土，平均厚度1.40 m，承载力基本容许值在60 kPa左右；②层为洪坡积层(Q4pl+dl)软塑状黏土，平均厚度4.10 m，承载力基本容许值在90 kPa左右；③层为洪坡积层(Q4pl+dl)可塑状粉质黏土，平均厚度4.50 m，承载力基本容许值在120 kPa左右；④层为侏罗系上统蓬莱镇组(J3p)全风化泥岩，平均厚度10 m，承载力基本容许值在180 kPa左右，地基土的性质和参数见表1。

表1 地基土性质和参数

由于天然地基承载力较差，不能满足上部路基基础持力层的要求，所以该工程采用CFG桩复合地基进行地基处理，以满足上部荷载和地基稳定性的要求。

本次所采用的CFG单桩直径为0.5 m，桩间距为1.5 m，采用正方形布置，设计桩长为10.5 m，从地表一直到全风化泥岩层。具体布桩形式如图1所示。

图1 CFG桩布置方式

2 CFG桩复合地基模型建立及分析工况

2.1 CFG桩复合地基有限元模型

利用MIDAS GTS NX软件建立图2所示的有限元计算模型，为了消除边界效应对计算结果的影响，模型左右两侧分别扩展20 m，总宽度为85 m，地基土厚度为20 m。路基填土部分底边宽45 m，顶边宽15 m，边坡坡率取1∶1.5，填土高度10 m，分五次填筑，每次填筑高度为2 m。为了增加计算结果的准确性，对关键区域的网格进行加密，褥垫层按0.25 m进行播种，地基中部按0.5 m进行播种，模型共计19380个单元。

图2 CFG桩有限元网格划分

地基土、路基填土和褥垫层均采用理想弹塑性本构模型(Mohr-Coulomb)进行模拟，CFG桩采用线弹性材料模拟，各材料的力学参数见表2。考虑桩土间的界面接触，接触形式为库伦摩擦。

表2 材料力学参数

2.2 分析工况

采用控制变量法研究CFG桩桩长和桩身模量对地基沉降变形的影响规律，建立桩长分别为10.0 m、10.5 m、11.0 m、11.5 m、12.0 m 和桩身模量为1 GPa、15 GPa、30 GPa、45 GPa的模型。具体模拟工况如表3所示。

表3 数值模拟工况表

3 CFG桩复合地基施工数值模拟

在程序施工阶段的设置中，首先第一阶段对地基土进行初始地应力平衡(在自重作用下位移清零)，然后第二阶段将CFG桩和褥垫层的网格激活，最后分五个阶段逐步激活路基填土网格。竖向位移结果取路基中心到路基坡脚处各桩桩顶为观测点。图3给出了布置桩长为10.5 m，桩身模量为15 GPa的CFG桩和未布置CFG桩2种工况下路基横断面沉降量的变化曲线。由图3可知，设置CFG桩和未设置CFG桩两种工况具有相同的差异沉降趋势，均为在路基中心处的沉降量最大，随着距路基中心点距离的增大(越靠近坡脚处)，沉降量逐渐减小，坡脚处沉降量约为路基中心处沉降量的15%；在未设置CFG桩时，路基中心处的沉降量达到了0.390 m，坡脚处沉降量为0.034 m，设置CFG桩后路基中心处的沉降量降低到0.051 m，比未设桩时降低了86.9%，坡脚处沉降量降低到0.009 m，降低了82.4%；综上所述，填土路基的最大沉降发生在路基中心附近，CFG桩加固软土地基的效果较为明显。

图3 地基表面不同位置沉降量变化曲线

图4绘出了布置桩长为10.5 m，桩身模量为15 GPa的CFG桩的情况下各路基填土施工阶段复合地基桩顶沉降曲线。从图中可以看出，随着路基填土高度的逐渐增加，复合地基桩顶沉降量也在逐渐增大，不过由于填土路基荷载的差异性，导致路基坡脚处沉降的增加量较路基中心处显得并不明显；相邻桩顶之间沉降量的变化幅度随着路基填土高度的增加而不断增大，填筑高度越大，路基底部的差异沉降就越明显。

图4 不同路堤填筑阶段桩顶沉降量变化曲线

4 CFG桩桩长和桩身模量对路基沉降的影响

4.1 不同桩长对路基沉降的影响

考虑桩端打入持力层的长度范围为0～4倍桩径，选取桩长为10.0m、10.5m、11.0m、11.5m、12.0m，分析CFG桩桩长变化对路基沉降的影响规律。路基填土达到10 m之后不同桩长下路基中心到坡脚处桩顶沉降量变化曲线如图5所示。

图5 不同桩体长度下桩顶沉降量变化曲线

从图5可以看出，不同桩长工况下的桩顶沉降曲线具有相同的变化趋势，均为在路基中心处沉降量最大，越靠近坡脚处沉降量越小。随着桩长的增加，路基中心处的桩顶沉降逐渐减小，桩长为10.0 m、10.5 m、11.0 m、11.5 m、12.0 m时，中心处的沉降量分别为56.4 mm、51.3 mm、47.8 mm、45.0 mm、42.1 mm。桩长由10 m增加到10.5 m时，桩顶处的沉降量变化最大，这是因为当桩长为10 m时，桩端没有完全进入持力层，其桩侧摩阻力和桩端端阻力都要远小于桩端进入持力层的桩体，导致桩的承载力没能完全发挥出来，所以桩长为10 m时，桩顶沉降量较大；坡脚处桩的沉降量分别为9.3 mm、8.7 mm、8.2 mm、7.7 mm、7.4 mm，可以看出其随桩长的变化并不明显，说明坡脚处沉降量受桩长的影响很小。

从施工上考虑，适当增加CFG桩桩端打入持力层的深度，可以在一定程度上提高CFG桩的承载能力，减少地基沉降量。同时，由于路基中心和坡脚处沉降的差异性，可考虑严格控制路基中心附近的CFG桩长度，适当减少坡脚附近桩的长度。

4.2 不同桩体模量对路基沉降的影响

材料的配合比对CFG桩的桩体强度影响较大，这导致CFG桩的桩体模量变化范围较大。选取CFG桩桩体模量为1 GPa、15 GPa、30 GPa、45 GPa，分析CFG桩桩体模量变化对路基沉降的影响规律。

图6是路基填土达到10 m之后不同桩体模量下路基中心到坡脚处桩顶沉降量变化曲线。从图中可以看出，不同桩身模量下，路基底面不同位置处的桩顶沉降量具有相同的变化规律，中心处沉降量最大，随着与路基中心距离的增大，沉降量逐渐减小。桩身模量为1 GPa时桩顶沉降量最大，达到了67.5 mm，当桩身模量为15 GPa时，桩顶沉降量减小到了51.3 mm，相较模量为1 GPa时降低了24%。随着桩身模量的继续增大，桩顶沉降量有小幅度降低，当桩身模量从15 GPa增加到30 GPa和45 GPa时，路基中心处桩顶沉降分别减小了2.5%和2.9%。由此可见，当桩身弹模大于15 GPa后，继续增大弹模对路基沉降的影响较小。

图6 不同桩体模量下桩顶沉降量变化曲线

5 结论

针对德遂高速第TJ4标段CFG桩复合地基路段，采用MIDAS GTS NX建立了CFG桩有限元模型，分析了设桩和不设桩两种工况下及路基填筑过程中，路基横断面各桩顶处沉降量的变化规律；研究了CFG桩桩长和桩身模量对路基沉降的影响规律，研究结果对路基荷载下CFG桩复合地基的设计有一定的借鉴意义。主要结论如下：

(1)设置CFG桩后路基的沉降量较未设置CFG桩时有明显的改善，沉降规律均为在路基中心处的沉降量最大，随着距路基中心点距离的增大，沉降量逐渐减小。采用CFG桩复合地基能够很好地解决软土地区路基沉降量过大的问题。

(2)不同桩长下，路基底面不同位置的桩顶位移具有相同的变化规律，随着与路基中心距离的增大，沉降量减小。桩端进入持力层的深度越大对沉降的控制就越有利，但过大的桩长对路基坡脚附近的沉降控制贡献不大，所以可适当减小坡脚附近CFG桩的长度。

(3)CFG桩身模量较小时，增大其弹模可以显著减小路基的沉降量。当桩身模量增大到15 GPa后，继续增大弹模，路基沉降量减少得并不明显，此时桩身弹性模量对路基沉降的影响较小。综上所述，在实际工程中应该严格控制CFG桩桩身材料的强度，避免因桩身模量过低导致路基沉降过大的情况发生。