水泥粉煤灰碎石桩复合地基对于软基的加固效果研究

卢兰萍， 张泽浩， 张宇超

(河北工程大学土木工程学院， 邯郸 056038)

中国的河谷、海滨等地形区域多为粉质黏土、淤泥质黏土等软性土体，呈现含水率高、抗剪强度低、孔隙大易压缩的特点，尤其在路桥过渡段，由于公路软土地基的承载稳定性极差，很容易形成沉降差，引发桥头跳车问题。因此在道路工程设计施工时，软基的加固处理尤为重要。随着工程经验的积累，目前已有多种有效的处理措施，如换填法、强夯法、复合地基法等，其中水泥粉煤灰碎石(cement fly ash gravel，CFG)桩复合地基对于加固软基效果显著。

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长时间的行车荷载，可以有效缓解不均匀沉降。黎玺克[1]进行了FLAC3D数值分析,并与单桩现场试验结果对比分析，结果大致吻合，证明了CFG桩复合地基的加固效果显著，也证明了数值模拟的可靠性。徐林荣等[2]现场试验CFG桩复合桩基，探究其沉降控制机理，并且通过长期观测其桩土应力分布情况与荷载分担比，对复合地基的设计参数进行了优化。潘宏鑫[3]基于银川CFG桩复合地基工程为背景，建立有限元模型，施加不同荷载观察沉降变形，分析了不同褥垫层厚度与桩长对其作用效果的影响。罗刚[4]研究改进了CFG桩复合地基的变形计算方法，在此过程中，重点考虑了没有同步变形的土体以及桩土的相对滑移，并将改进后的算法与规范进行对比，同时在工程中加以应用，确定改进算法的可行性。沈政等[5]采用一定比例的水泥加粉煤灰的固化剂配比，结合固化后的含水率、强度以及承载力进行了研究，结果表明：采用5%水泥和2%粉煤灰对固化深度为1 m时的承载力更好。孙世国等[6]采用有限元方法开展了采用CFG桩进行地基处理的数值模拟研究，结果表明：对于地基承载力足够大，但地基差异沉降过大的不良地基，采用CFG桩来协调地基变形具有良好效果。上述研究成果均显示出CFG桩广阔的应用前景，但对CFG桩加固公路路基的研究较少。

为此，基于福州市的一个路桥过渡段CFG桩复合地基工程，采用有限元软件MIDAS GTS/NX建立过渡段纵断面CFG桩复合地基模型，进行静力固结模拟计算，并就同一桩点处的沉降，借鉴陈俊豪[7]所做的横断面模拟沉降结果以及现场沉降监测数据进行对比分析，验证CFG桩复合地基加固软基的有效性以及有限元模拟的准确性。

1 工程概况

该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。桩号CK1+021.7～CK1+051.7路桥过渡段，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2.0～4.0 m，主要由黏性土、砂土及碎石土堆填，硬杂质含量约30%，粒径为5～15 cm，均匀性差；淤泥层层厚1.8～4.6 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5.0～11 m，局部为(含泥)细砂或细中砂。浅灰、灰黄，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。选取路段路基填筑高度取实际计算高度近似为2.5 m。

2 有限元模型的建立

分别建立天然地基模型与CFG桩复合模型进行对比分析研究。根据《城市道路工程设计规范》(CJJ 37—2012)[8]，该工程道路设计交通量预测年限为15年，故在模拟施工完成后，对所建模型分别添加行车荷载，加载运行15年，荷载取1 m土柱简化计算，为19 kPa，分析最终的沉降云图。

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。所建模型路面层共0.67 m；地基高度从杂填土顶面取到细砂层底部共24 m,地基长取40 m；路基填筑高度2.5 m，宽度取自桥台向路面延伸30 m。CFG桩复合地基的参数选取依据工程项目实际参数，具体选取依据与结果如表1所示。几何模型示意图如图1所示。

表1 CFG桩复合地基参数设计Table 1 Parameter design of CFG pile composite foundation

图1 几何模型示意图Fig.1 Schematic diagram of geometric model

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。桥台，路面铺装，垫层，桩采用线弹性模型，地基土层及路堤填土均采用摩尔-库伦本构模型。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[10-14]。为了提高网格质量，路基、路面、以及桩与砂垫层的尺寸控制为0.2 m，地基底面单元长度为0.8 m，地基顶面单元长度为0.2 m，从下向上梯度递减。天然地基模型的总划分网格数为62 046，CFG桩复合地基模型网格数为40 791。迈达斯软件自动添加边界约束。模型网格划分示意图如图2所示。结合工程地质勘探报告及室内土工材料试验,所涉及的路面材料及材料物理力学取值如表2所示。

图2 模型网格划分示意图Fig.2 Schematic diagram of model mesh generation

3 模拟结果分析

3.1 天然地基模型

天然地基模型模拟施工完成时与加载15年之后最终的竖向沉降云图如图3所示。可以看出，天然地基模型在两个时间节点的最大沉降值依次为18.29、36.84 cm，计算可得最大工后沉降为18.55 cm。

为保证所建模型模拟的可靠性，以桩号CK1+035处地基表面的节点为观测点，提取该节点在天然地基加载模型中的工期沉降值与最终的累积沉降值，如图3所示，天然地基模型沉降值依次为16.25、33.80 cm，可计算得出天然地基工后沉降值为17.55 cm。相较于横断面模型所做模拟结果17.5 cm，相差极小。

根据《公路软土地基路堤设计与施工技术细则》(JJG/T D31-02—2013)[15]，该工程从路面竣工之日至15年设计使用年限末，其容许沉降值不得大于10 cm,根据模拟结果显示，天然软土地基无法保证沉降要求，因此应对其进行加固处理。

3.2 CFG桩复合地基模型

CFG桩复合地基模型模拟施工完成时与加载15年之后最终的竖向沉降云图如图4所示。可以看出，在两个时间节点的最大沉降值依次为2.56、6.51 cm，计算可得最大工后沉降为3.95 cm，相较于天然地基，沉降值减小了13.6 cm，并且沉降结果符合规范要求，CFG桩复合地基对于软土地基的加固效果显著。

同样提取桩号CK1+035处地基表面节点的工期沉降值与最终的沉降值，如图4所标示，沉降值依次为为2.54、6.27 cm，计算得工后沉降值为3.73 cm。桩号CK1+035处理论计算结果为36 mm，横断面模型模拟沉降结果为37 mm，与本文模拟结果相差极小。

表2 材料物理力学指标Table 2 Physical and mechanical indexes of materials

图3 天然地基加载模型沉降云图Fig.3 Cloud diagram of natural foundation loading model settlement

图4 CFG桩复合地基加载模型的沉降云图Fig.4 Settlement nephogram of CFG pile composite foundation loading model

4 软基加固效果对比分析

4.1 15年后有限元模拟对比分析

为确定CFG桩复合地基对于软土地基的加固效果，以CK1+035所在节点为观测点，提取天然地基与CFG桩复合地基沉降云图在该处的沉降值，以年为单位依次提取，绘制路基沉降随时间变化曲线，与横断面有限元计算结果做对比，结果如图5、图6所示。

图5 天然地基加载模型CK1-035处沉降对比Fig.5 Comparison of settlement at CK1-035 of natural foundation loading model

图6 CFG桩复合地基加载模型CK1+035处沉降对比Fig.6 Comparison of settlement at CK1 +035 of CFG pile composite foundation loading model

对比图5、图6可知，所建纵断面模型中，桩号CK1+035处加载15年期间的沉降变化趋势，相较于横断面模型中桩号CK1+035处的沉降趋势，无论是天然地基，还是CFG桩复合地基，都大致相同。

提取所做天然地基与CFG桩复合地基加载模型15年内的沉降值，绘制对比图(图7)。可以明显看出，经CFG桩复合地基加固后的土体沉降值明显降低，这是由于CFG桩复合地基的垫层可较均匀的分散上部荷载，使桩和桩间土共同发挥作用，合理承担上部应力，避免了应力集中现象的发生，同时桩与桩间土之间存在的摩檫力也有效的增强了土体的承载能力。同时可观察到CFG桩复合地基曲线相对天然地基更早趋于平缓，这是由于在承担荷载时，桩间土更易产生压缩变形，此时桩体会承担大部分荷载，并沿桩体传至持力层，随着竖向应力的增大，桩间土固结完成，土体密度增大，变形能力降低，此时联合桩体的承载作用会使得整个地基的承载力大大增强，沉降减小。并且CFG桩复合地基自身垫层和桩体的排水作用，也加快了土体的固结，使沉降变形更快的趋于稳定。

图7 沉降趋势对比Fig.7 Comparison of settlement trend

4.2 1年后现场监测数据对比分析

路段在2017年5月通车，对桩号CK1+035处路中沉降进行监测，并进行了2017年5月—2018年5月的沉降数据统计，以30 d为节点，绘制现场监测沉降曲线，如图8所示。

图8 现场监测沉降曲线Fig.8 Field monitoring settlement curve

所建CFG桩复合地基加载一年时的沉降云图如图9所示，分别为施工完成时与加载一年完毕时的沉降云图，提取桩号CK1+035处地基节点的沉降值并加以标注，计算可得加载一年的工后沉降值为22.7 mm，然后以30 d为节点，提取该点处的沉降值，与现场监测数据绘制沉降对比结果如图10所示。可以看出，在运行前几个月，监测沉降值与有限元模拟沉降值有明显偏差，原因分析可能是由于有限元模拟时，施加行车荷载为均布荷载，且道路在一年的时间里都在承担此荷载，而实际道路通行时，在刚开始运行阶段，车辆通行量较少，道路承载也相对减弱，故监测沉降量小于模拟结果。随着道路投入使用的时间增长，车辆到达正常通行量，两条曲线变化趋势相似，也逐渐吻合，这说明有限元模拟可以有效反映工程实际，为其提供参考。

综上所述，CFG桩复合地基对于软土地基的加固效果良好，同时通过与横断面模拟沉降结果以及现场沉降监测数据的对比分析，证明了有限元模拟的准确性与可靠性，对工程实际具有一定的指导意义。

图9 CFG桩复合地基加载模型的沉降云图Fig.9 Settlement nephogram of CFG pile composite foundation loading model

图10 现场监测与有限元模拟沉降对比曲线Fig.10 Comparison curve of field monitoring and finite element simulation settlement

5 结论

为研究软土地区CFG桩复合地基的加固效果，基于福州市的一个路桥过渡段CFG桩复合地基工程，取其过渡段的纵断面，运用有限元软件MIDAS GTS NX分别建立天然地基与CFG桩复合地基加载模型，并进行了静力固结分析研究，同时提取同一节点处的沉降值，与横断面模拟沉降结果以及现场沉降监测数据的对比分析。得出如下结论。

(1)CFG桩复合地基对软基的加固效果良好。相同加载条件下，相较于天然地基，CFG桩复合地基的工后沉降降低了78%。

(2)所做纵断面模型的沉降模拟结果具有一定的准确性。与横断面模拟结果进行对比，在相同载荷条件下，相同节点处的沉降值相差极小。

(3)将模拟结果与该工程一年的沉降监测数据进行对比，发现相同节点处的沉降变化趋势，前期稍有偏差，后期逐渐吻合，说明模拟结果可以大致反应工程实际，本文模拟具有一定的可靠性。

通过对该CFG桩复合地基工程的有限元模拟，虽然证明了CFG桩复合地基对软土地基的良好的加固效果，以及有限元模拟的可靠性，但是仅是对该项目本地区土体情况的验证，并不能说明应用在其他地区时CFG桩复合地基也能表现出好的加固效果，还需针对工程的具体情况做进一步模拟验证。